無線局域網(wǎng)中的功率放大器測試方案

【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】無線局域網(wǎng)中的功率放大器測試方案初的無線局域網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，主要是用于對有線寬頻連接提供低數(shù)據(jù)傳輸率無線連接，以開展網(wǎng)頁瀏覽和電子郵件收發(fā)。隨著時間的演進，新的802.11無線協(xié)議可為新的應(yīng)用提供更高的數(shù)據(jù)傳輸率。目前的802.11acWLAN標(biāo)準(zhǔn)，可在單一射頻通道提供高達867Mbps的數(shù)據(jù)傳輸率，并在使用MIMO通道時高達6.93Gbps。由于采用了更即時的頻寬（提升至160MHz）、更多的MIMO通道（多8個），以及***度調(diào)變的星座圖（高達256QAM），將802.11n標(biāo)準(zhǔn)擴展成了如此高的802.11ac數(shù)據(jù)傳輸率。

功率放大器測試

功率放大器（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范圍、數(shù)據(jù)傳輸率容量和電池壽命。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。移動設(shè)備與無線熱點通常傳輸基于100mW（+20dBm）與1W（+30dBm）之間的RF輸出功率，且PA必須能產(chǎn)生帶有少非線性失真的足夠功率。對PA測試而言，一套完整的IEEE802.11ac特定的發(fā)射器驗證測試包括：

●頻譜遮罩（SpectrumMask）

●頻譜平坦性

●峰值功率

●中心頻率誤差

●符號時鐘頻率誤差（SymbolClockFrequencyError）

●中心頻率泄露（CenterFrequencyLeakage）

●誤差向量幅度（ErrorVectorMagnitude,EVM）

本文將進一步擴展EVM測試，該測試是全面且廣泛使用于PA測試的技術(shù)。EVM是一項用來量化數(shù)字通信信道的性能的測試，并提供捕獲到的編碼數(shù)據(jù)字符與I/Q星座圖內(nèi)理想位置的誤差測量。均方根EVM是一項全面性的測量值，在RF信號或設(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在其輸出功率與信道頻率的完整操作范圍內(nèi)，需要可承受的EVM作用。由于802.11ac包括具有2.5%（-32dB）EVM規(guī)格限制的256QAM群集，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802.11n中的PAEVM作用限制在大約3%，而802.11ac中的PAEVM作用則大約限制在1.5%。此外，新的256QAM信號調(diào)變具有更高的峰值均值比率（PAR），也增加在802.11ac發(fā)射器設(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Z8201RF測試套件開展PA測試的典型測試設(shè)備架構(gòu)圖。典型的設(shè)備清單包括：

●z86516GHz向量信號分析儀（VectorSignalAnalyzer,VSA），可選擇80或160MHz分析頻寬

●z87516GHz向量信號發(fā)生器（VectorSignalGenerator,VSG），可選擇250或500MHz調(diào)變頻寬

●z5211200MS/s任意波形發(fā)生器

●可視需要選用Ladybug科技的LB480AUSB功率計

●PXI/PXIe機箱與主機電腦

●電纜、定向耦合器和衰減器

由于PA輸入與輸出功率由VSG與VSA設(shè)定和測量，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件（DUT）所測得的PA輸入與輸出功率更的校正測量值。VSA與VSG通?？蓽?zhǔn)確至<0.5dB,而功率計能準(zhǔn)確至<0.1dB.用于衰減器和使用功率計配置時用于定向耦合器的校正因數(shù)必須預(yù)先校正。

PAEVM

典型的PAEVM測試，會通過許多測試頻率測量EVM相對于PA的輸出功率。圖2顯示了使用z8201RF測試套件開展典型PAEVM測試所測得的實際測量數(shù)據(jù)曲線。這些曲線顯示在輸入功率30dB范圍內(nèi)，開展測試的全部五個80MHz802.11ac信道頻率都適用于PA。實際的PA輸出功率使用功率計測得，并將這個數(shù)據(jù)作為圖2中曲線的水平軸坐標(biāo)。在這項測試中，有5個信道頻率和30個功率的總計150個測試點。PXI/PIXe高度整合測試設(shè)備架構(gòu)的一項優(yōu)勢是快速數(shù)據(jù)傳輸量和處理速度。在150種測試情況下，總測量時間與帶有像LAN或PGIB接口的其他測試設(shè)備相比可大幅減少。z8201RF測試套件與zProtoclWLAN軟件為802.11ac測試提供的設(shè)置和操作優(yōu)化的例如編碼，可以保證每個EVM測試都在20ms內(nèi)完成。

探討圖2所顯示的實際PA測試數(shù)據(jù)時，可發(fā)現(xiàn)EVM在高速輸出功率時降低。隨著PA輸出功率增加到其增益壓縮區(qū)，非線性失真將會出現(xiàn)，并造成EVM增加。此項EVM功率掃描測試識別出PA的線性功率區(qū)，是WLAN發(fā)射器設(shè)計考量的關(guān)鍵因素。需要注意的是，為了實現(xiàn)對802.11ac低于1.5%EVM的臨界值，此特定PA可到達+10dBm線性輸出功率；雖然此PA是專為802.11n發(fā)射器所設(shè)計且工作良好，但對沒有諸如數(shù)字預(yù)失真的附加線性化技術(shù)的802.11ac發(fā)射器設(shè)計而言，其線性輸出功率會顯得不夠。

圖2:PAEVM與輸出功率比照。

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的考慮因素。因為總系統(tǒng)DC功率的很大一部分是PA發(fā)射所消耗的，因此采用多種技術(shù)以減少PA功率使用顯得很有必要。相對于DC功率消耗來說，許多PA提供可調(diào)整的DC供電電壓，以優(yōu)化的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，比方當(dāng)接收時，或者在傳輸期間介于封包之間時。為了化功率效益，PA必須具有快速的開啟與關(guān)閉切換時間。圖3顯示了示波器捕獲的在50%占空比的脈沖條件下，PA的PA使能（PAEN）相關(guān)時序與RF信號。注意在此測試設(shè)備內(nèi)將PAEN脈沖與RF信號之間的可調(diào)整延遲設(shè)定為2.0μs。在PAEN與RF信號之間的時間間隔時，DC功率效益，但短延遲會加重RF信號的瞬時效應(yīng)。

圖3:PA使能（黃色）與RF脈沖（藍色）的時域曲線。

由于PA的供電/斷電操作可造成暫態(tài)及熱效應(yīng)而降低發(fā)射器性能，因此常常需要測量被稱為動態(tài)EVM的另一項指標(biāo)。動態(tài)EVM通過方波脈沖施加于PAEN以模仿發(fā)射器的實際動態(tài)工作環(huán)境來開展測量。動態(tài)EVM的降低是由于PA的瞬態(tài)響應(yīng)影響了封包的起始報頭，并造成了缺陷信道估算。經(jīng)研究說明具有50%占空比方波的動態(tài)EVM比靜態(tài)EVM（具有100%占空比）更不適用于PAEN。

使用圖1所示的測試設(shè)備，通過使用PXI/PXIe系統(tǒng)，動態(tài)EVM測試是完全自動化的。使用PXI/PXIe底板觸發(fā)器和時鐘信號可實現(xiàn)動態(tài)EVM測量的全部時鐘同步化。圖1的塊圖顯示z5211任意波形發(fā)生器（AWG），其產(chǎn)生具有可調(diào)整電壓大小、脈沖寬度、脈沖延遲和重復(fù)率的PAEN脈沖。實際的PA測試數(shù)據(jù)如圖4所示，在+18dBm輸出功率以下，動態(tài)EVM都比靜態(tài)EVM差。對于此特定PA，在+18dBm輸出功率以上，動態(tài)EVM比靜態(tài)EVM更佳。如之前所述，因為動態(tài)EVM可測量PA在實際脈沖工作模式下的PA性能，所以這種典型的PA動態(tài)EVM測量對發(fā)射器設(shè)計考量至關(guān)重要。

圖4:PA動態(tài)EVM與占空比。

數(shù)字預(yù)失真

在高輸出功率時，改善PA內(nèi)的線性度是一項挑戰(zhàn)。數(shù)字預(yù)失真（DPD）是通過數(shù)字信號處理技術(shù)從本質(zhì)上消除失真的一種技術(shù)。對組合式VSA/VSG測試系統(tǒng)而言，軟件工具可簡化和自動化DPD，比方z8201RF測試套件。從本質(zhì)上來說，軟件模型通過VSA來測量PA的非線性，并形成一個相反的運行狀態(tài)施加在VSG上。當(dāng)完成DPD補償時，預(yù)失真的VSGRF信號施加于有效線性化PA輸出的PA。

一些802.11acWLAN收發(fā)器芯片組采用DPD技術(shù)以提高PA線性度。為量化在具有DPD的電路中將會實現(xiàn)的提高，測試設(shè)備必須能在PA特性分析期間執(zhí)行DPD。與z8201RF測試套件和zProtoclWLAN軟件一起，ZEC儀器的DPD軟件工具和對應(yīng)的例如代碼提供快速而簡易的方法，以評估PA或發(fā)射器設(shè)計的DPD。因為DPD算法要求VSG/VSA儀器捕獲多個相鄰信道，因此DPD應(yīng)用要求像z8201RF測試套件這樣的寬測量帶寬。

圖5顯示了PA在其非線性區(qū)內(nèi)工作時，DPD由于非線性失真造成的相鄰信道之上的泄漏的改善。同樣重要的是使用DPD能夠?qū)崿F(xiàn)EVM提升（如圖6所示）。這兩張圖都描繪出使用zProtocolWLAN與DPD軟件以z8201RF測試套件所得到的實際數(shù)據(jù)。

圖5:使用DPD降低PA相鄰信道泄漏。

圖6:使用DPD改善PAEVM

測試設(shè)備

對802.11ac測試而言，測試設(shè)備的本底噪聲、相位噪聲、交越失真和帶內(nèi)雜散信號都必須化，以防止降低所測得的PAEVM性能。圖7顯示了在所測得PADUTEVM上的測試設(shè)備殘余EVM的影響。

圖7:在所測得DUTEVM上的測試設(shè)備殘余EVM的影響。

如前文所討論的，圖8的z8201RF測試套件是由具有高達160MHz測量頻寬的6GHzVSG/VSA組合所組成。除了寬測量頻寬外，z8201RF測試套件還提供802.11ac設(shè)備特性分析和測試所必要的低噪聲和失真。

圖8:z8201PXI或PXIeRF測試套件。

zProtocolWLAN軟件工具包括圖9所顯示的直觀的圖形使用界面（GUI），以及便于自動化的綜合性C/C++/LabVIEW軟件驅(qū)動程序。Z8201RF測試套件結(jié)合zProtocolWLAN軟件，對802.11測試提供完整的解決方案，涵蓋WLAN協(xié)議的所有方面，包括：

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

●所有調(diào)變編碼方案（ModulationCodingSchemes,MCS）和比特率：BPSK到256QAM

●所有信道頻率：2.4GHz和5GHz頻帶

●MIMO數(shù)據(jù)流：×2到×8

圖9:zProtoclWL