借助功率分析儀準確測量802.11ac射頻性能

有了合適的功率測量儀器，可分析控制電路和射頻叢發(fā)信號之間的時序關(guān)系。因此，選擇并配置合適的測量儀器，確保在設(shè)計與開發(fā)過程中，能迅速排除障礙、大幅減少所需資源，并有效降低成本。

本文將概述802.11ac標準，并解說如何使用峰值功率分析儀(PPA)來順應(yīng)802.11ac功率放大器和發(fā)射器獨特的設(shè)計和驗證測試要求。并通過測試配置圖和屏幕畫面，來加強說明叢發(fā)功率與時間的對應(yīng)關(guān)系、電源開啟/關(guān)閉的上升與下降時間、互補累積分布函數(shù)(CCDF)、功率附加效率(PAE)，以及控制觸發(fā)延遲測量等各種測試應(yīng)用。

簡述802.11ac標準

802.11ac是下一代WLAN標準，目標是讓移動設(shè)備能在低于6GHz的頻率下，用比現(xiàn)有的802.11n WLAN標準快三倍的速度運作。目前802.11ac標準仍處于工作草案階段，預(yù)計將在今年底或明年成為正式標準。表1列出所有802.11 WLAN標準，包括802.11ac。

802.11ac WLAN物理層，基本上是現(xiàn)有802.11n標準的延伸，并與802.11n標準兼容，因此未來配備802.11ac芯片的電子設(shè)備便能在目前的802.11n WLAN系統(tǒng)上運作。

根據(jù)8012.11ac工作草案，未來將有20、40、80和160MHz等通道帶寬可選擇，不過目前除160MHz通道帶寬是選擇性帶寬外，其他皆為強制性帶寬；也就是說，在部署真實系統(tǒng)的初期階段，所有的基礎(chǔ)設(shè)施、芯片和終端設(shè)備，可能使用20、40和80MHz帶寬通道；至于通道分配方面，前述的帶寬可是連續(xù)或非連續(xù)帶寬，特別是80MHz通道。例如，可用兩個橫跨兩個頻率的80MHz信道，來建構(gòu)一個160MHz帶寬的通信鏈路(圖1)。

圖1 802.11ac 160MHz帶寬的信道配置

峰值功率分析儀助力　802.11ac測試性能倍增

輸出功率是一項重要的802.11ac發(fā)射器性能測試指標。

測量輸出功率是必要的

在設(shè)計和開發(fā)階段，工程師必須測量和驗證發(fā)射器的輸出功率，以符合法令規(guī)范。圖2為功率測量配置，可測量平均值、峰值與峰均功率比。為獲得準確的測量結(jié)果，須保持獲取叢發(fā)信號的穩(wěn)定性。可借由使用峰值功率分析儀來選擇適當?shù)臅r間觸發(fā)設(shè)定，例如觸發(fā)位準、遲滯和延遲時間，以達成目標。

圖2 802.11ac發(fā)射器功率測量配置圖

功率與時間相互對應(yīng)

雖然IEEE802.11ac并未規(guī)范功率與時間對應(yīng)關(guān)系(PvT)PvT分析的測試要求，但是對所有無線標準而言，這是一項極重要的測量。舉例而言，分析802.11ac的前導(dǎo)碼區(qū)段(Preamble Segment)時，PvT叢發(fā)測量功能非常有用。對于封包檢測、自動增益控制、符號定時、頻率估計，以及信道估計等作業(yè)而言，前導(dǎo)碼是必不可少的要素。

802.11ac在前導(dǎo)碼區(qū)段中有十個符號，相當于40(μs)的叢發(fā)長度。圖3為使用PPA所測量的80MHz 802.11ac叢發(fā)信號，可使用此PPA的縮放功能或是調(diào)整時間刻度來執(zhí)行前導(dǎo)碼叢發(fā)測量，例如平均值、峰值及峰均值等。

圖3 802.11ac 80MHz帶寬前導(dǎo)碼功率測量畫面

測試電源開、關(guān)與上升/下降

此測試可分析發(fā)射器從電源完全開啟到關(guān)閉所花費的時間，這項測試通常是在設(shè)計和驗證階段執(zhí)行。此瞬時時間響應(yīng)的規(guī)格不一，取決于PA設(shè)計(使用何種放大器)或其他控制電路等因素。802.11ac發(fā)射器的設(shè)計必須符合400奈秒(ns)的短暫保護間隔，換句話說，發(fā)射器的開啟/關(guān)閉時間必須遠低于400ns。

如果開啟發(fā)射器的速度太慢，最開始的數(shù)據(jù)可能會遺失；但如關(guān)閉的速度太快，則會增加散布到相鄰?fù)ǖ赖碾娫础４薖PA可分析發(fā)射器和接收器的電源開啟/關(guān)閉或上升/下降時間，如圖4和圖5所示。

圖4 電源開啟(上升時間)

圖5 電源關(guān)閉(下降時間)

執(zhí)行CCDF測量

互補累積分布函數(shù)(CCDF)測量可定義PA的特性和行為。PA通常被設(shè)計成可在高波峰因子下運作，利用CCDF，可測量時間百分比，其中叢發(fā)功率達到或超過特定功率位準。如圖6所示，CCDF軌跡圖的Y軸表示概率(百分比)，該信號功率達到或超過X軸指定的功率，單位為dB。因前導(dǎo)碼區(qū)段上的調(diào)變機制與數(shù)據(jù)或酬載區(qū)段不同，所以通常在叢發(fā)的前導(dǎo)碼區(qū)段上，對802.11ac信號執(zhí)行CCDF分析。因此，前導(dǎo)碼上的CCDF軌跡線不同于資料區(qū)段的軌跡線。

圖6 使用峰值功率分析儀繪制802.11ac CCDF圖

圖6中后方拋物線是802.11ac前導(dǎo)碼區(qū)段的CCDF圖，前方拋物線是高斯線(Gaussian Line)，通常會開啟高斯線以作為參考。同時，可繪制和分析兩個射頻(RF)通道的CCDF軌跡，在比較PA模塊的802.11ac信號輸入和輸出時，這項功能非常有用。

監(jiān)測附加功率效率

發(fā)射器設(shè)計的挑戰(zhàn)之一是將功率放大器的效率優(yōu)化。PAE可測量PA的功率轉(zhuǎn)換效率，以確定有多少直流電源被轉(zhuǎn)換為射頻功率(即效率百分比)。下列公式1為PAE算式，PA操作類別和所使用的主動組件類型會影響PAE性能，規(guī)格范圍可以從20~60秒。

圖7 附加功率效率測試配置

確認控制或觸發(fā)延遲測量

發(fā)展發(fā)射器模塊時，工程師必須確認并測量觸發(fā)或控制信號與實際的RF叢發(fā)輸出之間的延遲時間，即分析實際的RF叢發(fā)和電壓偏壓電路之間的時序關(guān)系。電壓偏壓電路包含直流電源偏壓、切換、驅(qū)動控制，以及電壓控制振蕩器(VCO)信號。

圖8為典型的發(fā)射器功能方塊，設(shè)計重心通常集中于盡快獲得最短的時間延遲結(jié)果。PPA可分析相關(guān)控制信號的時序信息和RF叢發(fā)，并具備一項特殊功能，可自動測量兩個通道之間的時間延遲，且在每個信號上加注標記。

圖8 使用峰值功率分析儀

總之，為支持80MHz和可選的160MHz通道帶寬，需更強大的RF功率測量儀器，PPA是能滿足802.11ac測試要求的最佳功率表。

PPA可用于典型的RF功率測量，如平均、峰值、峰均值和CCDF分析，還可用來分析功率放大器的功率附加效率，以及發(fā)射器模塊內(nèi)負責(zé)控制信號的延遲時序信息，這是因為PPA在一個液晶顯示器(LCD)儀器中配備兩個RF信道和兩個模擬視頻信道。此外，PPA提供直覺式操作接口，能更輕松設(shè)計和驗證802.11ac功率放大器模塊和發(fā)射器。