5G毫米波和超寬帶功率放大器EVM測試的挑戰(zhàn)和解決方案

作者/ 李峰 是德科技無線通信資深技術顧問

摘要：本文介紹了5G通信對測試提出的需求，并就是德科技的Signal Optimizer寬帶測試平臺進行了應用和實例分析。

引言

　　目前5G已經成為整個無線通信行業(yè)的發(fā)展方向，5G將給無線通信帶來革命性的飛躍。5G的主要應用場景是eMBB，即增強的移動寬帶，核心目標是要實現超高速的數據傳輸，傳輸速率遠遠超出現在4G的水平，要達到10Gbps~100Gbps，從而徹底解決現在移動通信的速率瓶頸問題。為了實現超高速數據傳輸的目標，5G需要采用全新的無線傳輸技術，由于頻率資源和帶寬問題，傳統(tǒng)無線通信所使用的6GHz以下的低頻段無法達到這個目標，需要使用更高的頻段，即毫米波頻段，調制帶寬會從現在的幾十M跨越到500M，再到3GHz，而且還會使用新的物理層技術包括調制編碼和多址接入，這也對無線通信設備的射頻測試提出了更高的要求。

5G測試的需求

　　為了更有力地推動5G毫米波技術試驗和開發(fā)，工信部已經發(fā)布了關于5G頻段的官方文件，其中毫米波頻段包括24.75~27.5GHz和37~42.5GHz，而主流廠商所測試的信號調制帶寬要求達到800MHz，這將大大加快5G毫米波技術在中國的發(fā)展進程。但是現在無線通信行業(yè)也面臨著極大的挑戰(zhàn)，由于缺乏用于基站和終端的能夠支持毫米波和超寬帶的射頻器件，尤其是功率放大器PA，這使得國內5G毫米波技術大規(guī)模應用受到極大地限制。因此國內主要運營商、系統(tǒng)廠商以及半導體行業(yè)已經開始全力開發(fā)支持中國5G毫米波頻段和800MHz帶寬的PA產品。針對最先應用于基站的大功率PA需求，傳統(tǒng)的CMOS工藝功率放大器無法提供足夠高的輸出功率，而砷化鎵(GaAs)和氮化鎵(GaN)工藝的功率放大器能夠在毫米波頻段支持更高的發(fā)射功率和更大的調制帶寬，所以受到行業(yè)的青睞。

　　由于5G毫米波和超寬帶功率放大器還處于起步階段，為了驗證和確保新型的功率放大器能夠滿足5G無線傳輸的要求，無論是器件廠商還是基站系統(tǒng)廠商都需要在調試和最終系統(tǒng)測試階段對產品進行大量射頻參數測試，主要包括兩類，第一類是傳統(tǒng)的針對PA自身的器件參數，包括輸出功率 、增益、噪聲系數和S參數/X參數等;第二類是根據無線通信系統(tǒng)標準針對5G寬帶調制信號所要求的矢量誤差EVM和鄰道泄漏比ACLR等。而后者對測試平臺的功能和性能要求更高更復雜，不僅需要支持各種靈活定義的數字調制格式和5G候選波形，支持靈活的信號產生和復雜的矢量信號分析，而且對儀表在毫米波和超寬帶條件下的精度和動態(tài)范圍提出了很大的挑戰(zhàn)，其中超寬帶條件下的EVM測試就是目前的一個難點。

Signal Optimizer寬帶測試平臺

　　我們通過大量試驗發(fā)現，針對5G毫米波和超寬帶PA的EVM測試與傳統(tǒng)的3G/4G有很大不同，主要原因是毫米波和超寬帶條件對儀表和附件所構成的測試平臺的要求大大提高，由測試平臺所引入的失真和誤差會嚴重影響最終的測試結果。圖1是一個通過是德科技M8190A+E8267D矢量信號源產生的超寬帶信號的例子。

　　是德科技于2015年開始創(chuàng)建5G毫米波和超寬帶無線通信的原型試驗平臺，基于SystemVue仿真軟件進行了當時業(yè)界最早的超高速數據吞吐率試驗，圖1是這個原型機試驗的實例，采用基于5G候選波形FBMC調制，通過是德科技M8190A+E8267D矢量信號源輸出調制信號，載波頻率為20GHz，調制帶寬達到了4GHz，其物理層調制的數據傳輸速率達到了10~20Gbps。但是從圖1的頻譜曲線可以看出，整個4GHz范圍不同頻率成分的幅度有很大波動，遠離中心頻率的頻率分離衰減增大，呈現明顯的幅度不平坦，因為信號是由很多個子載波構成，這些幅度衰減的頻率成分將使其所在的子載波的信噪比降低，導致EVM下降，雖然原型機平臺可以依靠接收機信道均衡和糾錯等措施仍然可以實現較高的吞吐率，但是如果用于PA或基站的射頻測試，就會嚴重影響測試EVM的準確度圖2是通過是德科技Signal Optimizer寬帶測試平臺測量寬度系統(tǒng)幅相特性的例子。

　　我們采用是德科技最新推出的Signal Optimizer平臺可以非常方便地測量超寬帶系統(tǒng)的幅度和相位特性，在圖2的例子里面，載波頻率是26GHz，Signal Optimizer軟件產生接近1GHz帶寬的Multitone信號，然后通過分析儀測量1GHz帶寬內的幅度和相位變化，可以看到未經過寬度校正的系統(tǒng)在1GHz帶寬內的幅度波動超過4dB，相位群時延波動超過2ns，信號EVM是比較差的。

　　所以針對5G毫米波和超寬帶PA射頻測試中非常關鍵的一點就是測試平臺本身必須具備寬帶校正以確保在測試PA之前儀表和所有附件所引入的失真和誤差達到最小。目前測試儀表采用的寬帶校正方法主要有兩種：

　　第一種方法是內置校正數據，即在出廠前已經對儀表自身的寬帶失真進行測量并且將校正數據存儲在儀表里面，在測試時儀表根據頻率和帶寬自動應用校正數據，無需額外的校正操作即可進行測試。這種方法的優(yōu)點是操作簡單，缺點是校正數據只應用到儀表的測試端口，而不是被測件DUT的輸入或輸出端口，測試中使用的外部附件或射頻器件模塊都沒有覆蓋，其他現場環(huán)境條件或工作條件也可能影響儀表達到最佳的EVM特性。

　　第二種方法是外部校正，這種方法需要使用校準器在現場對儀表進行寬度校正，實時產生校正數據補償到儀表中，使儀表的EVM達到最優(yōu)。這種方法其實是非常類似射頻器件測試常用的矢量網絡分析儀的系統(tǒng)校準操作，具有非常突出的優(yōu)點，可以對信號源和分析儀以及外部器件進行獨立的校正，校正數據即可以應用到儀表測試端口，也可以包含測試中使用的外部附件或射頻器件模塊一起校正，校正數據可以應用到被測件的輸入或輸出端口，而且現場的各種環(huán)境和工作條件產生的影響也會被包括在校正操作中，所以目前應用這種方式總是能在現場實現儀表最佳的EVM特性;這種方法的缺點是需要現場操作寬帶校正。

測試案例分析

　　下面我們舉一個實際測試中遇到的案例。在測試大功率PA時經常遇到的一個問題就是驅動放大，由于大功率PA往往需要較高的Pin，而毫米波矢量信號源的最佳線性輸出電平通常低于要求，所以往往需要在被測PA輸入端加一個驅動放大器，圖3是一個實際測試連接框圖。

　　我們在測試中發(fā)現，實際上除了用于5G寬帶信號產生和分析的信號源和分析儀外，驅動放大器自身也給測試帶來很大影響。雖然一般采用的驅動放大器都是寬帶線性放大器，只要設置合適的輸入和輸出功率區(qū)間，放大器工作在線性區(qū)，非線性失真很小，但是我們不要忽視其仍然存在線性失真，驅動放大器本身的幅頻響應和相頻響應波動仍然對EVM產生較大的影響。實際測試中發(fā)現，在26GHz~29GHz頻率范圍，800MHz調制帶寬條件下，信號源本身輸出信號的EVM已經校正到0.8%，但是經過驅動放大器之后，EVM會惡化到最大3%~4%，這不僅導致最終被測PA輸出信號的EVM很高，而且甚至超過了廠家對系統(tǒng)級EVM的要求。所以這次測試采用了圖4所示是德科技Signal Optimizer平臺的外部校正方法。

　　首先通過校準器對信號分析儀進行寬帶校正，然后信號分析儀應用補償校正數據后，再使用信號分析儀進行源的校正，但是這個源校正是將信號源與驅動放大器連接起來一起校正，使信號源加驅動放大器的整體EVM達到1%左右，這樣再連接被測PA進行EVM測試，就獲得了比較理想的結果，因為這時驅動放大器的線性失真不會對測試產生影響。

　　在毫米波超寬帶PA測試中，除了前面提到的驅動放大器的例子，還發(fā)現測試附件等也都會產生影響，比如毫米波頻段使用的線纜和接頭，相對于6GHz以下的低頻段，一般存在更大的線性失真和不平坦性，如果是儀表內置校正方式，也很難應對，但是現場外部校正方式就可以把它們包含在校正數據里面，去除這些部分的影響。

　　是德科技5G測試平臺集合了高性能硬件平臺，M8190A和E8267D組成毫米波超寬帶矢量信號源，M8190A是新一代AXIe模塊化超寬帶任意波形發(fā)生器，每個通道5GHz帶寬，14bit DAC輸出，具備很好的動態(tài)范圍;M8190A的2個通道輸出連接到E8267D，E8267D是經典的微波矢量信號源，最高頻率到44GHz，通過毫米波混頻擴展也可以支持如110GHz的更高頻率范圍，E8267D的寬帶IQ調制可以支持2-4GHz調制帶寬。N9040B/N9041B UXA是是德科技最新的超寬帶X系列信號分析儀，支持最高到110GHz的連續(xù)掃描頻率范圍，內置1GHz分析帶寬，IF輸出支持最高5GHz分析帶寬，可以支持各種5G信號的解調和分析，以及各種針對5G信號的射頻參數測試，比如功率，ACP，SEM和雜散等。

　　Signal Optimizer軟件平臺是一個集合5G信號產生和分析，以及超寬帶系統(tǒng)校正于一體的綜合測試平臺，支持各種5G候選波形和自定義OFDM等靈活調制信號，并且采用U9391C/F/G系列校準器實現業(yè)界獨特的外部寬度校正，由于U9391是可溯源至NIST的計量級校準器，因此Signal Optimizer可以實現目前業(yè)界最佳的寬帶校正EVM特性。

　　本文來源于《電子產品世界》2017年第10期第31頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。