實現(xiàn)802.11ac功率放大器測試

　　最初的無線區(qū)域網(wǎng)路(WLAN)標(biāo)準(zhǔn)主要用于為有線寬頻連線提供低資料傳輸率的無線連線，以便瀏覽網(wǎng)頁與電子郵件。隨著時間的演進(jìn)，采用新的802.11無線協(xié)定為新應(yīng)用提供了更高資料傳輸率。表1顯示802.11 WLAN標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)展。

　　表1：802.11 WLAN協(xié)定進(jìn)展

　　仍在草案形式的最新802.11ac WLAN標(biāo)準(zhǔn)將在單一射頻(RF)通道提供高達(dá)867Mbps的資料傳輸率，并在使用多重輸入多重輸出(MIMO)通道時達(dá)到6.93Gbps。藉著采用更即時的頻寬(提升至160MHz)、更多的MIMO通道(最多至8個)，以及高密度調(diào)變的星座圖(達(dá)到256QAM)，可將802.11n標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展成更高的802.11ac 資料傳輸率。本文探討對802.11ac 這些新的必要條件施加于功率放大器的設(shè)計驗證、特性及測試的需求。

　　功率放大器測試

　　功率放大器(power amplifier，PA)是WLAN發(fā)射器電路中的關(guān)鍵組件，因為PA性能會影響無線覆蓋、資料傳輸率容量及電池壽命。任何發(fā)射器PA的目標(biāo)都是盡可能使用很少的DC功率以產(chǎn)生足夠的線性RF輸出功率。當(dāng)輸出功率增加到放大器的增益壓縮區(qū)時，PA性能由于PA非線性失真而可主導(dǎo)WLAN系統(tǒng)級的發(fā)射器性能。行動設(shè)備與無線接取點通常傳輸介于100mW (+20dBm)與1W(+30dBm)之間的RF輸出功率，且PA必須能產(chǎn)生具有最少非線性失真的足夠功率。

　　針對PA測試，一套完整的IEEE 802.11ac特定發(fā)射器兼容性測試適用于進(jìn)行包括頻譜屏蔽、頻譜平坦性、峰值功率、中心頻率誤差、符號時脈頻率誤差、中心頻率泄漏，以及誤差向量大小(EVM)等測試。本文將進(jìn)一步探討EVM測試——這是一項全面性且廣泛使用于PA測試的技術(shù)。EVM是用于量化數(shù)位通訊通道性能的測量值，并從其于I/Q星座圖內(nèi)理想位置中所擷取到的編碼資料符號提供偏差測量。均方根EVM是全面性的測量值，在RF訊號或設(shè)備中的任何缺陷都會使其降低。因此對WLAN發(fā)射器設(shè)計而言，PA在其輸出功率與通道頻率的完整作業(yè)范圍內(nèi)需要可接受的EVM作用。

　　由于802.11ac包括具有2.5%(-32dB) EVM規(guī)格限制的256QAM群集，故PA線性度和對應(yīng)的EVM作用必要條件比早期的802.11標(biāo)準(zhǔn)更嚴(yán)格，而PA對802.11n的EVM作用限制在大約3%、PA對802.11ac的EVM作用限制則大約在1.5%。此外，新的256QAM訊號調(diào)變具有更高的峰值均值比率(PAR)，也增加在802.11ac傳輸器設(shè)計內(nèi)的PA其所必要的線性輸出功率。

　　圖1：用于PA測試的測試設(shè)備架構(gòu)圖

　　圖1顯示使用ZEC儀器z8201 RF測試套件進(jìn)行PA測試的一般測試設(shè)備架構(gòu)圖。一般的設(shè)備清單包括z8651 6GHz向量訊號分析儀(VSA)(可選擇80或160MHz分析頻寬)、z8751 6GHz向量訊號產(chǎn)生器(VSG)(可選擇250或500MHz)調(diào)變頻寬、z5211 200MS/s任意波形產(chǎn)生器、可視需要選用瓢蟲科技(Ladybug Technologies) LB480A USB功率計、PXI/PXIe機箱與主電腦，以及電纜、定向耦合器與衰減器。

　　由于PA輸入與輸出功率由VSG與VSA設(shè)定及測量，因此可視需要選用USB功率計與相關(guān)定向耦合器。功率計提供以定向耦合器在待測物(DUT)測得更精確的PA輸入與輸出功率校正測量值。VSA與VSG通常可準(zhǔn)確至< 0.5dB，而功率計能準(zhǔn)確至<0.1 dB。必須預(yù)先校正用于衰減器以及使用功率計配置時用于定向耦合器的校正因子。

　　PA EVM

　　一般對于PA的EVM測試會藉由許多測試頻率測量EVM相對于PA的輸出功率。圖2顯示使用z8201 RF測試套件進(jìn)行一般PA EVM測試實際所測得的資料曲線。這些曲線顯示在輸入功率30dB范圍內(nèi)，進(jìn)行測試的全部五個80MHz 802.11ac通道頻率都適用于PA。實際的PA輸出功率使用功率計測得，并提供資料給圖2曲線的水平軸。

　　在這項測試中，在全部150個測試點中有5個通道頻率和30個功率。PXI/PXIe高度整合測試設(shè)備架構(gòu)的一項優(yōu)勢是快速資料傳輸量與處理速度。在150種測試情況下，總測試時間與具有諸如LAN或GPIB接口的其他測試設(shè)備相較可大幅減少。對z8201 RF測試套件與zProtocol WLAN軟件而言，提供范例編碼將802.11ac測試的設(shè)置及作業(yè)優(yōu)化，以達(dá)到每個EVM測量值皆為快速的20ms。

　　探討圖2所顯示的實際PA測試資料時，可發(fā)現(xiàn)EVM在高輸出功率時降低。隨著PA輸出功率增加到其增益壓縮區(qū)，出現(xiàn)非線性失真并造成EVM增加。此項EVM功率掃描測試辨識出PA的線性功率區(qū)，這對WLAN發(fā)射器的設(shè)計考慮是關(guān)鍵因素。此外，為了達(dá)成對802.11ac低于1.5% EVM的臨界值，此特定PA可達(dá)成最大+10dBm線性輸出功率;雖然此PA是專為802.11n發(fā)射器所設(shè)計且運作良好，但對沒有諸如數(shù)位預(yù)失真等附加線性化技術(shù)的802.11ac 發(fā)射器設(shè)計而言，其線性輸出功率為不足。

　　圖2：PA EVM與輸出功率比較

　　動態(tài)EVM

　　對系統(tǒng)級WLAN發(fā)射器設(shè)計而言，電池壽命和功率消耗都是重要考慮。由于PA發(fā)射會消耗顯著部份的總系統(tǒng)DC功率，因此必須透過一些技術(shù)來減少PA功率使用。許多PA提供可調(diào)整的DC供應(yīng)電壓，相對于DC功率消耗優(yōu)化最大RF輸出功率，且大多數(shù)PA可在不使用時斷電或停用以節(jié)省功率，諸如進(jìn)行接收或在傳輸期間介于封包之間。為了最大化功率效益，PA必須具有快速的開啟與關(guān)閉切換時間。圖3顯示在具有50%工作周期的脈沖作業(yè)下，示波器所擷取的PA致能(PA EN)與RF脈沖訊號相對時脈。請注意在此測試設(shè)置內(nèi)將PA EN脈沖與RF訊號之間的可調(diào)整延遲設(shè)定為2.0us。在PA EN與RF訊號之間的時間差量最小時出現(xiàn)最高的DC功率效益，但短延遲可對RF訊號加重暫態(tài)效應(yīng)。

　　圖3：PA致能(黃色)與RF脈沖(藍(lán)色)的時域曲線圖

　　由于PA的供電/斷電作業(yè)可能造成暫態(tài)及熱效應(yīng)而降低發(fā)射器性能，因此通常測試另一種稱為動態(tài)EVM的度量。動態(tài)EVM以施加于PA EN模擬發(fā)射器的實際動態(tài)作業(yè)方波進(jìn)行測量。動態(tài)EVM的降低起因于影響在封包起始的前序訊號，并造成缺陷通道估計的PA暫態(tài)向應(yīng)。研究顯示具有50%工作周期方波的動態(tài)EVM比靜態(tài)EVM (具有100%工作周期的PA EN)更不適用于PA EN。

　　使用圖1所顯示的測試設(shè)備，動態(tài)EVM測試是以PXI/PXIe系統(tǒng)而完全自動化。使用PXI/PXIe底板觸發(fā)器與時脈訊號達(dá)成動態(tài)EVM測量值的全部時間同步化。圖1方塊圖顯示z5211任意波形產(chǎn)生器(AWG)，其產(chǎn)生具有可調(diào)整電壓大小、脈沖寬度、脈沖延遲以及重復(fù)率的PA EN脈沖。

　　圖4實際的PA測試資料顯示動態(tài)EVM直到+18dBm輸出功率都比靜態(tài)EVM還差。對于此特定PA，動態(tài)EVM在+18dBm輸出功率以上比靜態(tài)EVM更佳。如之前所注意，由于動態(tài)EVM測量PA在實際脈沖作業(yè)模式下使用時的性能，因此這種型式的PA動態(tài)EVM測量值對發(fā)射器設(shè)計考慮至關(guān)重要。

　　圖4：PA動態(tài)EVM與工作周期比較

　　數(shù)位預(yù)失真

　　以高輸出功率改善PA線性度是一項挑戰(zhàn)。數(shù)位預(yù)失真(DPD)是用于藉著數(shù)位訊號處理技術(shù)基本上去除失真的一種技術(shù)。對諸如z8201 RF測試套件的組合式VSA/VSG測試系統(tǒng)而言，軟件工具可簡化及自動化DPD?；旧希浖Ｐ陀糜谝訴SA測量PA的非線性度，并形成適用于VSG 的反向作業(yè);在完成DPD補償時，預(yù)失真的VSG RF訊號施加于有效線性化PA輸出的PA。

　　一些802.11ac WLAN收發(fā)器芯片組采用DPD技術(shù)改善PA線性度。為了量化在具有DPD的電路中可實現(xiàn)的改善程度，測試設(shè)備必須能在PA特性分析期間進(jìn)行DPD。除了z8201 RF測試套件與zProtocol WLAN軟件外，ZEC儀器的DPD軟件工具與對應(yīng)的范例編碼還提供迅速又簡易的方法，以評估PA或發(fā)射器設(shè)計DPD。由于DPD算法要求VSG/VSA儀器擷取多個相鄰?fù)ǖ?，因此DPD應(yīng)用要求諸如z8201 RF測試套件的寬測量值頻寬。

　　圖5顯示PA在其非線性區(qū)內(nèi)作業(yè)時，DPD在源于非線性失真的相鄰?fù)ǖ佬孤?ACL)所具有的改進(jìn);同樣重要的是如圖6所顯示可以DPD達(dá)成的EVM改良。這兩張圖都描繪出使用zProtocol WLAN與DPD軟件以z8201 RF測試套件所取得的實際資料。

　　圖5：以DPD降低PA相鄰?fù)ǖ佬孤?/p>

　　圖6：以DPD 改良PA EVM

　　測試設(shè)備

　　對802.11ac測試而言，測試設(shè)備的雜訊層、相位雜訊、互調(diào)失真及頻內(nèi)突波訊號都必須最小化，以避免降低所測得的PA EVM性能。圖7顯示在所測得PA DUT EVM上的測試設(shè)備殘余EVM效應(yīng)。

　　圖7：在所測得DUT EVM上的測試設(shè)備殘余EVM效應(yīng)

　　圖8顯示z8201 RF測試套件是由具有高達(dá)160MHz測量值頻寬的6GHz VSG/VSA 整合所組成。除了寬測量值頻寬外，z8201 RF測試套件還提供802.11ac設(shè)備特性分析與測試所必要的低雜訊與失真。z8201 RF測試套件對20MHz 802.11ac提供低至0.3%的例外回反殘余EVM底，而對160MHz 802.11ac提供0.7%(相位追蹤、前序訊號導(dǎo)引資料等化);此外，添加z8801 LO模組的z8221 RF測試套件對20MHz 802.11ac 達(dá)成低至0.2% 的殘余EVM 底，而對160 MHz 802.11ac 達(dá)成為0.4%。

　　圖8：z8201 PXI或PXIe RF測試套件

　　zProtocol WLAN軟件工具組包括圖9所顯示的直覺圖形用戶接口(GUI)，以及便于自動化的全面性C/C++/LabVIEW軟件驅(qū)動程序。z8201 RF測試套件結(jié)合zProtocol WLAN軟件，對802.11測試提供完整的解決方案，涵蓋WLAN協(xié)定的所有方面，包括：

　　所有調(diào)變頻寬：160MHz、80MHz、40MHz及20MHz

　　所有調(diào)變編碼方案(MCS)與比特率：BPSK到256QAM

　　所有通道頻率：2.4GHz與5GHz頻帶

　　MIMO串流：X2至X8

　　圖9：zProtocol WLAN測試軟件GUI

　　范例自動化編碼提供有價值的參考示范自動化使用案例，并允許使用者以少許的附加程序設(shè)計或整合開始進(jìn)行特性分析或設(shè)計驗證。本文中描述的所有特定PA測試都可取得，可從ZTEC儀器網(wǎng)站下載作為范例編碼。

　　結(jié)語

　　本文探討新的802.11ac WLAN標(biāo)準(zhǔn)施加于功率放大器(PA)的設(shè)計驗證、特性分析及測試需求。具有對802.11ac限于大約1.5%的PA EVM作用，PA與RF測試設(shè)備需要更高的線性度及動態(tài)范圍必要條件。本文針對802.11ac的PA測試定義出有助于測試設(shè)備優(yōu)化的諸多技術(shù)，這些技術(shù)與z8201 RF測試套件、zProtocol WLAN軟件共同使用，為802.11ac WLAN發(fā)射器設(shè)計作業(yè)提供用于量化PA性能的完整解決方案。