實(shí)現(xiàn)802.11ac功率放大器測(cè)試

　　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(shí)達(dá)到6.93Gbps。藉著采用 更即時(shí)的頻寬(提升至160MHz)、更多的MIMO通道(最多至8個(gè))，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(duì)802.11ac 這些新的必要條件施加于功率放大器的設(shè)計(jì)驗(yàn)證、特性及測(cè)試的需求。

　　表1：802.11 WLAN協(xié)定進(jìn)展

　　功率放大器測(cè)試

　　功率放大器(power amplifier，PA)是WLAN發(fā)射器電路中的關(guān)鍵元件，因?yàn)镻A效能會(huì)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(shí)，PA效能由于PA非線性失真而可主導(dǎo)WLAN系統(tǒng)級(jí)的發(fā)射器效 能。行動(dòng)裝置與無線接取點(diǎn)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(duì)PA測(cè)試，一套完整的IEEE 802.11ac特定發(fā)射器相容性測(cè)試適用于進(jìn)行包括頻譜遮罩、頻譜平坦性、峰值功率、中心頻率誤差、符號(hào)時(shí)脈頻率誤差、中心頻率泄漏，以及誤差向量大小(EVM)等測(cè)試。本文將進(jìn)一步探討EVM測(cè)試——這是一項(xiàng)全面性且廣泛使用于PA測(cè)試的技術(shù)。EVM是用于量化數(shù)位通訊通道效能的測(cè)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(hào)提供偏差測(cè)量。均方根EVM是全面性的測(cè)量值，在RF訊號(hào)或裝置中的任何缺陷都會(huì)使其降低。因此對(duì)WLAN發(fā)射器設(shè)計(jì)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(duì)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(duì)802.11n的EVM作用限制在 大約3%、PA對(duì)802.11ac的EVM作用限制則大約在1.5%。此外，新的256QAM訊號(hào)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(jì)內(nèi)的PA其所必要的線性輸出功率。

　　圖1：用于PA測(cè)試的測(cè)試設(shè)備架構(gòu)圖

　　圖1顯示使用ZEC儀器z8201 RF測(cè)試套件進(jìn)行PA測(cè)試的一般測(cè)試設(shè)備架構(gòu)圖。一般的設(shè)備清單包括z8651 6GHz向量訊號(hào)分析儀(VSA)(可選擇80或160MHz分析頻寬)、z8751 6GHz向量訊號(hào)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(jì)、PXI/PXIe機(jī)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(cè)量，因 此可視需要選用USB功率計(jì)與相關(guān)定向耦合器。功率計(jì)提供以定向耦合器在待測(cè)物(DUT)測(cè)得更精確的PA輸入與輸出功率校正測(cè)量值。VSA與VSG通常 可準(zhǔn)確至< 0.5dB，而功率計(jì)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(jì)配置時(shí)用于定向耦合器的校正因子。

　　PA EVM

　　一般對(duì)于PA的EVM測(cè)試會(huì)藉由許多測(cè)試頻率測(cè)量EVM相對(duì)于PA的輸出功 率。圖2顯示使用z8201 RF測(cè)試套件進(jìn)行一般PA EVM測(cè)試實(shí)際所測(cè)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(cè)試的全部五個(gè)80MHz 802.11ac通道頻率都適用于PA。實(shí)際的PA輸出功率使用功率計(jì)測(cè)得，并提供資料給圖2曲線的水平軸。

　　在這項(xiàng)測(cè)試中，在全部 150個(gè)測(cè)試點(diǎn)中有5個(gè)通道頻率和30個(gè)功率。PXI/PXIe高度整合測(cè)試設(shè)備架構(gòu)的一項(xiàng)優(yōu)勢(shì)是快速資料傳輸量與處理速度。在150種測(cè)試情況下，總測(cè) 試時(shí)間與具有諸如LAN或GPIB介面的其他測(cè)試設(shè)備相較可大幅減少。對(duì)z8201 RF測(cè)試套件與zProtocol WLAN軟體而言，提供范例編碼將802.11ac測(cè)試的設(shè)置及作業(yè)最佳化，以達(dá)到每個(gè)EVM測(cè)量值皆為快速的20ms。

　　探討圖2所顯 示的實(shí)際PA測(cè)試資料時(shí)，可發(fā)現(xiàn)EVM在高輸出功率時(shí)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(xiàng)EVM功率掃描測(cè) 試辨識(shí)出PA的線性功率區(qū)，這對(duì)WLAN發(fā)射器的設(shè)計(jì)考量是關(guān)鍵因素。此外，為了達(dá)成對(duì)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(jì)且運(yùn)作良好，但對(duì)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(jì)而言，其線性輸出功率為不足。

　　圖2：PA EVM與輸出功率比較

　　動(dòng)態(tài)EVM

　　對(duì)系統(tǒng)級(jí)WLAN發(fā)射器設(shè)計(jì)而言，電池壽命和功率消耗都是重要考量。由于PA發(fā)射會(huì)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(duì)于DC功率消耗最佳化最大RF輸出功率，且大多數(shù)PA可在不使用時(shí)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(shí)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(hào)相對(duì)時(shí)脈。請(qǐng)注意在此測(cè)試設(shè)置內(nèi)將PA EN脈沖與RF訊號(hào)之間的可調(diào)整延遲設(shè)定為2.0us。在PA EN與RF訊號(hào)之間的時(shí)間差量最小時(shí)出現(xiàn)最高的DC功率效益，但短延遲可對(duì)RF訊號(hào)加重暫態(tài)效應(yīng)。

　　圖3：PA致能(黃色)與RF脈沖(藍(lán)色)的時(shí)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)射器效能，因此通常測(cè)試另一種稱為動(dòng)態(tài)EVM的度量。動(dòng)態(tài)EVM以施加于PA EN模擬發(fā)射器的實(shí)際動(dòng)態(tài)作業(yè)方波進(jìn)行測(cè)量。動(dòng)態(tài)EVM的降低起因于影響在封包起始的前序訊號(hào)，并造成缺陷通道估計(jì)的PA暫態(tài)向應(yīng)。研究顯示具有50%工 作周期方波的動(dòng)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(cè)試設(shè)備，動(dòng)態(tài)EVM測(cè)試是以PXI/PXIe系統(tǒng)而完全自動(dòng)化。使用PXI/PXIe底板觸發(fā)器與時(shí)脈訊號(hào)達(dá)成動(dòng)態(tài)EVM測(cè)量 值的全部時(shí)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(shí)際的PA測(cè)試資料顯示動(dòng)態(tài)EVM直到+18dBm輸出功率都比靜態(tài)EVM還差。對(duì)于此特定PA，動(dòng)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(dòng)態(tài)EVM測(cè)量PA在實(shí)際脈沖作業(yè)模式下使用時(shí)的效能，因此這種型式的PA動(dòng)態(tài)EVM測(cè)量值對(duì)發(fā)射器設(shè)計(jì)考量至關(guān)重要。

　　圖4：PA動(dòng)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(xiàng)挑戰(zhàn)。數(shù)位預(yù)失真(DPD)是用于藉著數(shù)位訊號(hào)處理技術(shù)基本上去除失真的一種技術(shù)。對(duì)諸如z8201 RF測(cè)試套件的組合式VSA/VSG測(cè)試系統(tǒng)而言，軟體工具可簡化及自動(dòng)化DPD?；旧希涹w模型用于以VSA測(cè)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(bǔ)償時(shí)，預(yù)失真的VSG RF訊號(hào)施加于有效線性化PA輸出的PA。

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

　　圖5顯示PA在其非線性區(qū)內(nèi)作業(yè)時(shí)，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軟體以z8201 RF測(cè)試套件所取得的實(shí)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(cè)試設(shè)備

　　對(duì) 802.11ac測(cè)試而言，測(cè)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(hào)都必須最小化，以避免降低所測(cè)得的PA EVM效能。圖7顯示在所測(cè)得PA DUT EVM上的測(cè)試設(shè)備殘余EVM效應(yīng)。

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

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

　　圖8：z8201 PXI或PXIe RF測(cè)試套件

　　zProtocol WLAN軟體工具組包括圖9所顯示的直覺圖形使用者介面(GUI)，以及便于自動(dòng)化的全面性C/C++/LabVIEW軟體驅(qū)動(dòng)程式。z8201 RF測(cè)試套件結(jié)合zProtocol WLAN軟體，對(duì)802.11測(cè)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)與位元率：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(cè)試軟體GUI

　　范例自動(dòng)化編碼提供有價(jià)值的參考示范自動(dòng)化使用案例，并允許使用者以少許的附加程式設(shè)計(jì)或整合開始進(jìn)行特性分析或設(shè)計(jì)驗(yàn)證。本文中描述的所有特定PA測(cè)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(jì)驗(yàn)證、特性分析及測(cè)試需求。具有對(duì)802.11ac限于大約1.5%的PA EVM作用，PA與RF測(cè)試設(shè)備需要更高的線性度及動(dòng)態(tài)范圍必要條件。本文針對(duì)802.11ac的PA測(cè)試定義出有助于測(cè)試設(shè)備最佳化的諸多技術(shù)，這些技 術(shù)與z8201 RF測(cè)試套件、zProtocol WLAN軟體共同使用，為802.11ac WLAN發(fā)射器設(shè)計(jì)作業(yè)提供用于量化PA效能的完整解決方案。