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實現802.11ac功率放大器測試

上網時間: 2014年12月08日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:802.11ac  WLAN  功率放大器  PA  EVM 

最初的無線區域網路(WLAN)標準主要用於為有線寬頻連線提供低資料傳輸率的無線連線,以便瀏覽網頁與電子郵件。隨著時間的演進,採用新的802.11無線協定為新應用提供了更高資料傳輸率。表1顯示802.11 WLAN標準的進展。

仍在草案形式的最新802.11ac WLAN標準將在單一射頻(RF)通道提供高達867Mbps的資料傳輸率,並在使用多重輸入多重輸出(MIMO)通道時達到6.93Gbps。藉著採用更即時的頻寬(提升至160MHz)、更多的MIMO通道(最多至8個),以及高密度調變的星座圖(達到256QAM),可將802.11n標準擴展成更高的 802.11ac 資料傳輸率。本文探討對802.11ac 這些新的必要條件施加於功率放大器的設計驗證、特性及測試的需求。

表1:802.11 WLAN協定進展
表1:802.11 WLAN協定進展

功率放大器測試

功率放大器(power amplifier,PA)是WLAN發射器電路中的關鍵元件,因為PA效能會影響無線覆蓋、資料傳輸率容量及電池壽命。任何發射器PA的目標都是盡可能使用很少的DC功率以產生足夠的線性RF輸出功率。當輸出功率增加到放大器的增益壓縮區時,PA效能由於PA非線性失真而可主導WLAN系統級的發射器效能。行動裝置與無線接取點通常傳輸介於100mW (+20dBm)與1W(+30dBm)之間的RF輸出功率,且PA必須能產生具有最少非線性失真的足夠功率。

針對PA測試,一套完整的IEEE 802.11ac特定發射器相容性測試適用於進行包括頻譜遮罩、頻譜平坦性、峰值功率、中心頻率誤差、符號時脈頻率誤差、中心頻率洩漏,以及誤差向量大小(EVM)等測試。

本文將進一步探討EVM測試——這是一項全面性且廣泛使用於PA測試的技術。EVM是用於量化數位通訊通道效能的測量值,並從其於I/Q星座圖內理想位置中所擷取到的編碼資料符號提供偏差測量。均方根EVM是全面性的測量值,在RF訊號或裝置中的任何缺陷都會使其降低。因此對WLAN發射器設計而言,PA在其輸出功率與通道頻率的完整作業範圍內需要可接受的EVM作用。

由於802.11ac包括具有2.5%(-32dB) EVM規格限制的256QAM群集,故PA線性度和對應的EVM作用必要條件比早期的802.11標準更嚴格,而PA對802.11n的EVM作用限制在大約3%、PA對802.11ac的EVM作用限制則大約在1.5%。此外,新的256QAM訊號調變具有更高的峰值均值比率(PAR),也增加在802.11ac傳輸器設計內的PA其所必要的線性輸出功率。

圖1:用於PA測試的測試設備架構圖
圖1:用於PA測試的測試設備架構圖

圖1顯示使用ZEC儀器z8201 RF測試套件進行PA測試的一般測試設備架構圖。一般的設備清單包括z8651 6GHz向量訊號分析儀(VSA)(可選擇80或160MHz分析頻寬)、z8751 6GHz向量訊號產生器(VSG)(可選擇250或500MHz)調變頻寬、z5211 200MS/s任意波形產生器、可視需要選用瓢蟲科技(Ladybug Technologies) LB480A USB功率計、PXI/PXIe機箱與主電腦,以及電纜、定向耦合器與衰減器。

由於PA輸入與輸出功率由VSG與VSA設定及測量,因此可視需要選用USB功率計與相關定向耦合器。功率計提供以定向耦合器在待測物(DUT)測得更精確的PA輸入與輸出功率校正測量值。VSA與VSG通常可準確至< 0.5dB,而功率計能準確至<0.1 dB。必須預先校正用於衰減器以及使用功率計配置時用於定向耦合器的校正因子。

PA EVM

一般對於PA的EVM測試會藉由許多測試頻率測量EVM相對於PA的輸出功率。圖2顯示使用z8201 RF測試套件進行一般PA EVM測試實際所測得的資料曲線。這些曲線顯示在輸入功率30dB範圍內,進行測試的全部五個80MHz 802.11ac通道頻率都適用於PA。實際的PA輸出功率使用功率計測得,並提供資料給圖2曲線的水平軸。

在這項測試中,在全部150個測試點中有5個通道頻率和30個功率。PXI/PXIe高度整合測試設備架構的一項優勢是快速資料傳輸量與處理速度。在150種測試情況下,總測試時間與具有諸如LAN或GPIB介面的其他測試設備相較可大幅減少。對z8201 RF測試套件與zProtocol WLAN軟體而言,提供範例編碼將802.11ac測試的設置及作業最佳化,以達到每個EVM測量值皆為快速的20ms。

探討圖2所顯示的實際PA測試資料時,可發現EVM在高輸出功率時降低。隨著PA輸出功率增加到其增益壓縮區,出現非線性失真並造成EVM增加。此項EVM功率掃描測試辨識出PA的線性功率區,這對WLAN發射器的設計考量是關鍵因素。此外,為了達成對802.11ac低於1.5% EVM的臨界值,此特定PA可達成最大+10dBm線性輸出功率;雖然此PA是專為802.11n發射器所設計且運作良好,但對沒有諸如數位預失真等附加線性化技術的802.11ac 發射器設計而言,其線性輸出功率為不足。

圖2:PA EVM與輸出功率比較
圖2:PA EVM與輸出功率比較

動態EVM

對系統級WLAN發射器設計而言,電池壽命和功率消耗都是重要考量。由於PA發射會消耗顯著部份的總系統DC功率,因此必須透過一些技術來減少PA功率使用。許多PA提供可調整的DC供應電壓,相對於DC功率消耗最佳化最大RF輸出功率,且大多數PA可在不使用時斷電或停用以節省功率,諸如進行接收或在傳輸期間介於封包之間。為了最大化功率效益,PA必須具有快速的開啟與關閉切換時間。圖3顯示在具有50%工作週期的脈衝作業下,示波器所擷取的PA致能(PA EN)與RF脈衝訊號相對時脈。請注意在此測試設置內將PA EN脈衝與RF訊號之間的可調整延遲設定為2.0us。在PA EN與RF訊號之間的時間差量最小時出現最高的DC功率效益,但短延遲可對RF訊號加重暫態效應。


圖3:PA致能(黃色)與RF脈衝(藍色)的時域曲線圖
圖3:PA致能(黃色)與RF脈衝(藍色)的時域曲線圖

由於PA的供電/斷電作業可能造成暫態及熱效應而降低發射器效能,因此通常測試另一種稱為動態EVM的度量。動態EVM以施加於PA EN模擬發射器的實際動態作業方波進行測量。動態EVM的降低起因於影響在封包起始的前序訊號,並造成缺陷通道估計的PA暫態嚮應。研究顯示具有50%工作週期方波的動態EVM比靜態EVM (具有100%工作週期的PA EN)更不適用於PA EN。

使用圖1所顯示的測試設備,動態EVM測試是以PXI/PXIe系統而完全自動化。使用PXI/PXIe底板觸發器與時脈訊號達成動態EVM測量值的全部時間同步化。圖1方塊圖顯示z5211任意波形產生器(AWG),其產生具有可調整電壓大小、脈衝寬度、脈衝延遲以及重複率的PA EN脈衝。

圖4實際的PA測試資料顯示動態EVM直到+18dBm輸出功率都比靜態EVM還差。對於此特定PA,動態EVM在+18dBm輸出功率以上比靜態EVM更佳。如之前所注意,由於動態EVM測量PA在實際脈衝作業模式下使用時的效能,因此這種型式的PA動態EVM測量值對發射器設計考量至關重要。

圖4:PA動態EVM與工作週期比較
圖4:PA動態EVM與工作週期比較

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