无线局域网中的功率放大器测试方案

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最初的无线局域网络标准，主要是用于对有线宽频连接提供低数据传输率无线连接，以进行网页浏览和电子邮件收发。随着时间的演进，新的802.11无线协议可为新的应用提供更高的数据传输率。目前的802.11ac WLAN标准，可在单一射频通道提供高达867Mbps的数据传输率，并在使用MIMO通道时高达6.93Gbps.由于采用了更即时的频宽（提升至160MHz）、更多的MIMO通道（最多8个），以及高密度调变的星座图（高达256QAM），将802.11n标准扩展成了如此高的802.11ac数据传输率。
         
        功率放大器测试功率放大器（PA）是WLAN发射器电路中的关键组件，因为PA性能会影响无线覆盖范围、数据传输率容量和电池寿命。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性能由于PA非线性失真而可主导WLAN系统级的发射器性能。移动设备与无线热点通常传输基于100mW（+20dBm）与1W（+30dBm）之间的RF输出功率，且PA必须能产生带有最少非线性失真的足够功率。对PA测试而言，一套完整的IEEE 802.11ac特定的发射器验证测试包括：
       
        ●频谱遮罩（Spectrum Mask）
       
        ●频谱平坦性
       
        ●峰值功率
       
        ●中心频率误差
       
        ●符号时钟频率误差（Symbol Clock Frequency Error）
       
        ●中心频率泄露（Center Frequency Leakage）
       
        ●误差向量幅度（Error Vector Magnitude， EVM）
       
        本文将进一步扩展EVM测试，该测试是全面且广泛使用于PA测试的技术。EVM是一项用来量化数字通信信道的性能的测试，并提供捕获到的编码数据字符与I/Q星座图内理想位置的误差测量。均方根EVM是一项全面性的测量值，在RF信号或设备中的任何缺陷都会使其降低。因此，对WLAN发射器设计而言，PA在其输出功率与信道频率的完整操作范围内，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，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802.11n中的PA EVM作用限制在大约3%，而802.11ac中的PA EVM作用则大约限制在1.5%.此外，新的256QAM信号调变具有更高的峰值均值比率（PAR），也增加在802.11ac发射器设计内的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Z8201RF测试套件进行PA测试的典型测试设备架构图。典型的设备清单包括：
       
        ●z8651 6GHz向量信号分析仪（Vector Signal Analyzer，VSA），可选择80或160MHz分析频宽
       
        ●z8751 6GHz向量信号发生器（Vector Signal Generator，VSG），可选择250或500MHz调变频宽
       
        ●z5211 200MS/s任意波形发生器
       
        ●可视需要选用Ladybug科技的LB480A USB功率计
       
        ●PXI/PXIe机箱与主机电脑
       
        ●电缆、定向耦合器和衰减器
       
        由于PA输入与输出功率由VSG与VSA设定和测量，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件（DUT）所测得的PA输入与输出功率更精确的校正测量值。VSA与VSG通常可准确至<0.5dB,而功率计能准确至<0.1dB.用于衰减器和使用功率计配置时用于定向耦合器的校正因数必须预先校正。
       
        PA EVM
       
        典型的 PA EVM测试，会通过许多测试频率测量EVM相对于PA的输出功率。图2显示了使用z8201RF测试套件进行典型PA EVM测试所测得的实际测量数据曲线。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信道频率都适用于PA。实际的PA输出功率使用功率计测得，并将这个数据作为图2中曲线的水平轴坐标。在这项测试中，有5个信道频率和30个功率的总计150个测试点。PXI/PIXe高度整合测试设备架构的一项优势是快速数据传输量和处理速度。在150种测试情况下，总测量时间与带有像LAN或PGIB接口的其他测试设备相比可大幅减少。z8201RF测试套件与zProtocl WLAN软件为802.11ac测试提供的设置和操作优化的示例编码，可以保证每个EVM测试都在20ms内完成。
       
        探讨图2所显示的实际PA测试数据时，可发现EVM在高速输出功率时降低。随着PA输出功率增加到其增益压缩区，非线性失真将会出现，并造成EVM增加。此项EVM功率扫描测试识别出PA的线性功率区，是WLAN发射器设计考量的关键因素。需要注意的是，为了实现对802.11ac低于1.5% EVM的临界值，此特定PA可达到最大+10dBm线性输出功率；虽然此PA是专为802.11n发射器所设计且工作良好，但对没有诸如数字预失真的附加线性化技术的802.11ac发射器设计而言，其线性输出功率会显得不够。

       
       
            图2:PA EVM与输出功率对比。

         
        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的考虑因素。因为总系统DC功率的很大一部分是PA发射所消耗的，因此采用多种技术以减少PA功率使用显得很有必要。相对于DC功率消耗来说，许多PA提供可调整的DC供电电压，以优化最大的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，比如当接收时，或者在传输期间介于封包之间时。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显示了示波器捕获的在50%占空比的脉冲条件下，PA的PA使能（PA EN）相关时序与RF信号。注意在此测试设备内将PA EN脉冲与RF信号之间的可调整延迟设定为2.0&mu;s。在PA EN与RF信号之间的时间间隔最小时，DC功率效益最高，但短延迟会加重RF信号的瞬时效应。

       
       
        图3:PA使能（黄色）与RF脉冲（蓝色）的时域曲线。

        由于PA的供电/断电操作可造成暂态及热效应而降低发射器性能，因此常常需要测量被称为动态EVM的另一项指标。动态EVM通过方波脉冲施加于PA EN以模仿发射器的实际动态工作环境来进行测量。动态EVM的降低是由于PA的瞬态响应影响了封包的起始报头，并造成了缺陷信道估算。经研究表明具有50%占空比方波的动态EVM比静态EVM（具有100%占空比）更不适用于PA EN。
         
        使用图1所示的测试设备，通过使用PXI/PXIe系统，动态EVM测试是完全自动化的。使用PXI/PXIe底板触发器和时钟信号可实现动态EVM测量的全部时钟同步化。图1的块图显示z5211任意波形发生器（AWG），其产生具有可调整电压大小、脉冲宽度、脉冲延迟和重复率的PA EN脉冲。实际的PA测试数据如图4所示，在+18dBm输出功率以下，动态EVM都比静态EVM差。对于此特定PA，在+18dBm输出功率以上，动态EVM比静态EVM更佳。如之前所述，因为动态EVM可测量PA在实际脉冲工作模式下的PA性能，所以这种典型的PA动态EVM测量对发射器设计考量至关重要。

       
       
            图4:PA动态EVM与占空比。

         

          数字预失真
       
        在高输出功率时，改善PA内的线性度是一项挑战。数字预失真（DPD）是通过数字信号处理技术从本质上消除失真的一种技术。对组合式VSA/VSG测试系统而言，软件工具可简化和自动化DPD，比如z8201 RF测试套件。从本质上来说，软件模型通过VSA来测量PA的非线性，并形成一个相反的运行状态施加在VSG上。当完成DPD补偿时，预失真的VSG RF信号施加于有效线性化PA输出的PA。
       
        一些802.11ac WLAN收发器芯片组采用DPD技术以提高PA线性度。为量化在具有DPD的电路中将会实现的提高，测试设备必须能在PA特性分析期间执行DPD。与z8201RF测试套件和zProtocl WLAN软件一起，ZEC仪器的DPD软件工具和对应的示例代码提供快速而简易的方法，以评估PA或发射器设计的DPD。因为DPD算法要求VSG/VSA仪器捕获多个相邻信道，因此DPD应用要求像z8201RF测试套件这样的宽测量带宽。
       
        图5显示了PA在其非线性区内工作时，DPD由于非线性失真造成的相邻信道之上的泄漏的改善。同样重要的是使用DPD能够实现EVM提升（如图6所示）。这两张图都描绘出使用zProtocol WLAN与DPD软件以z8201RF测试套件所得到的实际数据。

       
       
        图5:使用DPD降低PA相邻信道泄漏。
       
        图6:使用DPD改善PA EVM

         
        测试设备
       
        对802.11ac测试而言，测试设备的本底噪声、相位噪声、交越失真和带内杂散信号都必须最小化，以避免降低所测得的PA EVM性能。图7显示了在所测得PA DUT EVM上的测试设备残余EVM的影响。

       
       
        图7:在所测得DUT EVM上的测试设备残余EVM的影响。

         
        如前文所讨论的，图8的z8201RF测试套件是由具有高达160MHz测量频宽的6GHz VSG/VSA组合所组成。除了宽测量频宽外，z8201RF测试套件还提供802.11ac设备特性分析和测试所必要的低噪声和失真。

       
       
        图8:z8201 PXI或PXIe RF测试套件。

         
        zProtocol WLAN软件工具包括图9所显示的直观的图形使用界面（GUI），以及便于自动化的综合性C/C++/LabVIEW软件驱动程序。Z8201RF测试套件结合zProtocol WLAN软件，对802.11测试提供完整的解决方案，涵盖WLAN协议的所有方面，包括：
        ●所有调变频宽：160 MHz、80 MHz、40 MHz和20 MHz
        ●所有调变编码方案（Modulation Coding Schemes,MCS）和比特率：BPSK到256QAM
        ●所有信道频率：2.4GHz和5GHz频带
        ●MIMO数据流：×2到×8

       
       
        图9:zProtocl WLAN测试软件GUI

         
        结论
       
        本文探讨了新的802.11ac WLAN标准对于PA的设计验证、特性分析和测试需求。由于802.11ac的PA EVM作用限制大约在1.5%左右，因此PA和RF测试设备需要更好的线性度和动态范围。本文详述了一些有助于优化802.11ac中PA测试的技术，这些技术与z8201RF测试套件跟zProtocol WLAN软件一起共同为802.11ac WLAN发射器设计内的量化PA性能提供了一个完整的解决方案。