實現802.11ac功率放大器測試 放大器, WLAN, 通道, 星座, 资料

Bazinga

最初的无线区域网路(WLAN)标准主要用于为有线宽频连线提供低资料传输率的无线连线，以便浏览网页与电子邮件。随着时间的演进，采用新的802.11无线协定为新应用提供了更高资料传输率。表1显示802.11 WLAN标准的进展。

仍在草案形式的最新802.11ac WLAN标准将在单一射频(RF)通道提供高达867Mbps的资料传输率，并在使用多重输入多重输出(MIMO)通道时达到6.93Gbps。藉着采用 更即时的频宽(提升至160MHz)、更多的MIMO通道(最多至8个)，以及高密度调变的星座图(达到256QAM)，可将802.11n标准扩展成更 高的 802.11ac 资料传输率。本文探讨对802.11ac 这些新的必要条件施加于功率放大器的设计验证、特性及测试的需求。


表1：802.11 WLAN协定进展

功率放大器测试
功率放大器(power amplifier，PA)是WLAN发射器电路中的关键元件，因为PA效能会影响无线覆盖、资料传输率容量及电池寿命。任何发射器PA的目标都是尽可能 使用很少的DC功率以产生足够的线性RF输出功率。当输出功率增加到放大器的增益压缩区时，PA效能由于PA非线性失真而可主导WLAN系统级的发射器效 能。行动装置与无线接取点通常传输介于100mW (+20dBm)与1W(+30dBm)之间的RF输出功率，且PA必须能产生具有最少非线性失真的足够功率。

针对PA测试，一套完整的IEEE 802.11ac特定发射器相容性测试适用于进行包括频谱遮罩、频谱平坦性、峰值功率、中心频率误差、符号时脉频率误差、中心频率泄漏，以及误差向量大小(EVM)等测试。本文将进一步探讨EVM测试——这是一项全面性且广泛使用于PA测试的技术。EVM是用于量化数位通讯通道效能的测量值，并从其于I/Q星座图内理想位 置中所撷取到的编码资料符号提供偏差测量。均方根EVM是全面性的测量值，在RF讯号或装置中的任何缺陷都会使其降低。因此对WLAN发射器设计而 言，PA在其输出功率与通道频率的完整作业范围内需要可接受的EVM作用。

由于802.11ac包括具有2.5%(-32dB) EVM规格限制的256QAM群集，故PA线性度和对应的EVM作用必要条件比早期的802.11标准更严格，而PA对802.11n的EVM作用限制在 大约3%、PA对802.11ac的EVM作用限制则大约在1.5%。此外，新的256QAM讯号调变具有更高的峰值均值比率(PAR)，也增加在 802.11ac传输器设计内的PA其所必要的线性输出功率。



图1：用于PA测试的测试设备架构图

图1显示使用ZEC仪器z8201 RF测试套件进行PA测试的一般测试设备架构图。一般的设备清单包括z8651 6GHz向量讯号分析仪(VSA)(可选择80或160MHz分析频宽)、z8751 6GHz向量讯号产生器(VSG)(可选择250或500MHz)调变频宽、z5211 200MS/s任意波形产生器、可视需要选用瓢虫科技(Ladybug Technologies) LB480A USB功率计、PXI/PXIe机箱与主电脑，以及电缆、定向耦合器与衰减器。

由于PA输入与输出功率由VSG与VSA设定及测量，因 此可视需要选用USB功率计与相关定向耦合器。功率计提供以定向耦合器在待测物(DUT)测得更精确的PA输入与输出功率校正测量值。VSA与VSG通常 可准确至< 0.5dB，而功率计能准确至<0.1 dB。必须预先校正用于衰减器以及使用功率计配置时用于定向耦合器的校正因子。

PA EVM
一般对于PA的EVM测试会藉由许多测试频率测量EVM相对于PA的输出功 率。图2显示使用z8201 RF测试套件进行一般PA EVM测试实际所测得的资料曲线。这些曲线显示在输入功率30dB范围内，进行测试的全部五个80MHz 802.11ac通道频率都适用于PA。实际的PA输出功率使用功率计测得，并提供资料给图2曲线的水平轴。

在这项测试中，在全部 150个测试点中有5个通道频率和30个功率。PXI/PXIe高度整合测试设备架构的一项优势是快速资料传输量与处理速度。在150种测试情况下，总测 试时间与具有诸如LAN或GPIB介面的其他测试设备相较可大幅减少。对z8201 RF测试套件与zProtocol WLAN软体而言，提供范例编码将802.11ac测试的设置及作业最佳化，以达到每个EVM测量值皆为快速的20ms。

探讨图2所显 示的实际PA测试资料时，可发现EVM在高输出功率时降低。随着PA输出功率增加到其增益压缩区，出现非线性失真并造成EVM增加。此项EVM功率扫描测 试辨识出PA的线性功率区，这对WLAN发射器的设计考量是关键因素。此外，为了达成对802.11ac低于1.5% EVM的临界值，此特定PA可达成最大+10dBm线性输出功率；虽然此PA是专为802.11n发射器所设计且运作良好，但对没有诸如数位预失真等附加 线性化技术的802.11ac 发射器设计而言，其线性输出功率为不足。


图2：PA EVM与输出功率比较
动态EVM
对系统级WLAN发射器设计而言，电池寿命和功率消耗都是重要考量。由于PA发射会消耗显着部份的总系统DC功率，因此必须透过一些技术来减少PA功率 使用。许多PA提供可调整的DC供应电压，相对于DC功率消耗最佳化最大RF输出功率，且大多数PA可在不使用时断电或停用以节省功率，诸如进行接收或在 传输期间介于封包之间。为了最大化功率效益，PA必须具有快速的开启与关闭切换时间。图3显示在具有50%工作周期的脉冲作业下，示波器所撷取的PA致能 (PA EN)与RF脉冲讯号相对时脉。请注意在此测试设置内将PA EN脉冲与RF讯号之间的可调整延迟设定为2.0us。在PA EN与RF讯号之间的时间差量最小时出现最高的DC功率效益，但短延迟可对RF讯号加重暂态效应。



图3：PA致能(黄色)与RF脉冲(蓝色)的时域曲线图

由于PA的供电/断电作业可能造成暂态及热效应而降低发射器效能，因此通常测试另一种称为动态EVM的度量。动态EVM以施加于PA EN模拟发射器的实际动态作业方波进行测量。动态EVM的降低起因于影响在封包起始的前序讯号，并造成缺陷通道估计的PA暂态向应。研究显示具有50%工 作周期方波的动态EVM比静态EVM (具有100%工作周期的PA EN)更不适用于PA EN。

使用图1所显示的测试设备，动态EVM测试是以PXI/PXIe系统而完全自动化。使用PXI/PXIe底板触发器与时脉讯号达成动态EVM测量 值的全部时间同步化。图1方块图显示z5211任意波形产生器(AWG)，其产生具有可调整电压大小、脉冲宽度、脉冲延迟以及重复率的PA EN脉冲。

图4实际的PA测试资料显示动态EVM直到+18dBm输出功率都比静态EVM还差。对于此特定PA，动态EVM在+18dBm输出功率以上比静态 EVM更佳。如之前所注意，由于动态EVM测量PA在实际脉冲作业模式下使用时的效能，因此这种型式的PA动态EVM测量值对发射器设计考量至关重要。


图4：PA动态EVM与工作周期比较

数位预失真
以高输出功率改善PA线性度是一项挑战。数位预失真(DPD)是用于藉着数位讯号处理技术基本上去除失真的一种技术。对诸如z8201 RF测试套件的组合式VSA/VSG测试系统而言，软体工具可简化及自动化DPD。基本上，软体模型用于以VSA测量PA的非线性度，并形成适用于VSG 的反向作业；在完成DPD补偿时，预失真的VSG RF讯号施加于有效线性化PA输出的PA。

一些802.11ac WLAN收发器晶片组采用DPD技术改善PA线性度。为了量化在具有DPD的电路中可实现的改善程度，测试设备必须能在PA特性分析期间进行DPD。除了 z8201 RF测试套件与zProtocol WLAN软体外，ZEC仪器的DPD软体工具与对应的范例编码还提供迅速又简易的方法，以评估PA或发射器设计DPD。由于DPD演算法要求 VSG/VSA仪器撷取多个相邻通道，因此DPD应用要求诸如z8201 RF测试套件的宽测量值频宽。

图5显示PA在其非线性区内作业时，DPD在源于非线性失真的相邻通道泄漏(ACL)所具有的改进；同样重要的是如图6所显示可以DPD达成的EVM改良。这两张图都描绘出使用zProtocol WLAN与DPD软体以z8201 RF测试套件所取得的实际资料。


图5：以DPD降低PA相邻通道泄漏

图6：以 DPD 改良PA EVM

测试设备
对 802.11ac测试而言，测试设备的杂讯层、相位杂讯、互调失真及频内突波讯号都必须最小化，以避免降低所测得的PA EVM效能。图7显示在所测得PA DUT EVM上的测试设备残余EVM效应。


图7：在所测得DUT EVM上的测试设备残余EVM效应

图8显示z8201 RF测试套件是由具有高达160MHz测量值频宽的6GHz VSG/VSA 整合所组成。除了宽测量值频宽外，z8201 RF测试套件还提供802.11ac装置特性分析与测试所必要的低杂讯与失真。z8201 RF测试套件对20MHz 802.11ac提供低至0.3%的例外回反残余EVM底，而对160MHz 802.11ac提供0.7%(相位追踪、前序讯号导引资料等化)；此外，添加z8801 LO模组的z8221 RF测试套件对20MHz 802.11ac 达成低至 0.2% 的残余 EVM 底，而对 160 MHz 802.11ac 达成为 0.4%。


图8：z8201 PXI或PXIe RF测试套件

zProtocol WLAN软体工具组包括图9所显示的直觉图形使用者介面(GUI)，以及便于自动化的全面性C/C++/LabVIEW软体驱动程式。z8201 RF测试套件结合zProtocol WLAN软体，对802.11测试提供完整的解决方案，涵盖WLAN协定的所有方面，包括：
所有调变频宽：160MHz、80MHz、40MHz及20MHz
所有调变编码方案(MCS)与位元率：BPSK到256QAM
所有通道频率：2.4GHz与5GHz频带
MIMO串流：X2至X8


图9：zProtocol WLAN测试软体GUI

范例自动化编码提供有价值的参考示范自动化使用案例，并允许使用者以少许的附加程式设计或整合开始进行特性分析或设计验证。本文中描述的所有特定PA测试都可取得，可从ZTEC仪器网站下载作为范例编码。

结语
本文探讨新的802.11ac WLAN标准施加于功率放大器(PA)的设计验证、特性分析及测试需求。具有对802.11ac限于大约1.5%的PA EVM作用，PA与RF测试设备需要更高的线性度及动态范围必要条件。本文针对802.11ac的PA测试定义出有助于测试设备最佳化的诸多技术，这些技 术与z8201 RF测试套件、zProtocol WLAN软体共同使用，为802.11ac WLAN发射器设计作业提供用于量化PA效能的完整解决方案。