功率放大器的線性度和功率效率對于5G設計的信號質量和電池壽命至關重要。但是,隨著系統移向毫米波頻率,用于功率放大器(PA)表征測試的傳統方法面臨越來越多的挑戰。用于執行特性測試的新調制失真方法保證了更簡單,更快和更準確的結果。
現代通信系統使用正交頻分復用(OFDM)波形進行數字信號解調。但是,OFDM波形缺乏線性,會在解調過程中產生錯誤,從而導致信號質量問題。組成設備(例如PA)的組件的低能效也會縮短電池壽命。但是,在保持設計高效率的同時,提高PA線性度是一項挑戰。由于轉向毫米波(mmWave)頻率和寬信號帶寬,因此在5G環境中,這一挑戰甚至更大,這兩者都使設計人員為優化設計而需要執行的特性測試變得復雜。
行業慣例
執行PA表征的常用方法包括兩個站。第一站使用矢量網絡分析儀(VNA)進行基本特性測量,例如S參數,增益壓縮,截點三階(IP3)以及有時的噪聲系數。第二站具有信號發生器和信號分析儀,用于生成誤差矢量幅度(EVM)和相鄰信道功率比(ACPR)測量,以及用于測量PA非線性的品質因數(FOM)(圖1)。首先使用VNA對設備進行測試,然后將其帶到另一個工作站。
圖1傳統上用于功率放大器表征的過程需要兩個步驟,首先是使用VNA,然后是信號發生器和分析儀。
由于5G使用毫米波頻譜的較高頻率(稱為頻率范圍2(FR2))和OFDM信號的較寬帶寬,因此5G使PA的EVM測量比過去更加困難。例如,使用傳統方法測量5G設備的EVM要求您首先使用信號發生器調制信號,該信號發生器具有針對5G新無線電(NR)的特定方案,其中包括前同步碼,導頻和數據。然后,您需要捕獲波形,使用特定方案對其進行解調,繪制星座圖,并測量理想星座圖和被測星座圖之間的誤差,以確定EVM。
但是殘留的EVM(即測試系統本身的EVM)在5G FR2情況下非常接近設備的EVM,這是因為其載波頻率很寬。捕獲的寬帶信號包括寬帶噪聲。信噪比(SNR)隨著帶寬的增加而降低。電纜損耗和高頻響應也有助于降低信號質量,并且高SNR使測試自動化變得困難。
調制失真設置
最近出現了一種新的執行PA表征的方法,該方法解決了傳統方法的缺點:調制失真。調制失真設置使用VNA和信號源在單個站點中提供了所有VNA測量以及ACPR和EVM(圖2)。
圖2用于PA表征的調制失真設置可在單個站中提供所有表征測量。
調制失真設置的第一步是生成稱為緊湊測試信號的激勵信號。VNA固件選擇原始波形的一部分以表示該波形的統計特性,然后使用磚墻式濾波器消除頻譜泄漏。盡管它僅使用波形的一部分,但壓縮測試信號的頻率簽名與父信號的頻率簽名相同。緊湊型測試信號的互補累積分布函數(CCDF)與父信號的互補累積分布函數可能略有不同,但是使用更長的測試信號會減小兩者之間的差異,從而對測量速度產生輕微影響。
用緊湊的測試信號激勵設備后,您可以使用頻域分析來測量設備的非線性。通過同時測量輸入和輸出,測量是一致的。此外,矢量校正有助于最大程度地減少測量系統中的不匹配引起的誤差。
在測量寬帶信號時,VNA數字轉換器的帶寬限制使您無法一次測量整個頻帶。為了應對這一挑戰,VNA每隔30 MHz測量一次帶寬,并移動其本地頻率以捕獲感興趣頻帶中的所有頻譜。
一種稱為頻譜相關的技術將輸出信號頻譜分解為線性和失真部分,這使得計算EOM和ACPR之類的FOM成為可能。根據帶內和相鄰帶的信道功率來計算ACPR。通過對測量結果中的帶內失真頻譜進行積分來計算EVM。從頻域計算EVM在數學上與從時域計算EVM在數學上是相同的,這可以通過Parseval定理進行解釋。
在傳統設置中,信號發生器和分析儀激勵設備,在時域中捕獲信號,并繪制星座圖以計算EVM。相比之下,調制失真設置會壓縮波形,重復壓縮后的測試信號,激勵設備,在頻域中捕獲輸入和輸出頻譜,然后將輸出頻譜分解為線性和失真部分,以計算EVM。
這種設置可以更簡單,并且更容易準確地表征功率放大器的失真貢獻,尤其是在寬帶應用中。寬的系統動態范圍可產生低殘留EVM,而VNA校準技術可在被測設備(DUT)輸入端實現高信號保真度。模塊化失真可在提高測量速度的同時提供一致的測量結果。
兩種方法的測量示例
讓我們看一些具體的測量示例(圖3)。
圖3比較了同一DUT的傳統(橙色)和調制失真(藍色)方法的功率掃描測量結果,表明后者的精度有所提高。
在此測量中,我們使用傳統方法(橙色)和調制失真方法(藍色)來表征相同的DUT。仔細表征功率輸出(Pout)[dBm]可以進行蘋果對蘋果的比較。
雖然兩種方法都針對100 MHz QPSK波形提供了相同的結果,但是當PA高度失真時,在高功率區域中100 MHz 64 QAM波形的結果略有不同。這種差異是由于符號跳過導致的常見錯誤的結果,而符號跳過僅在使用傳統方法執行解調時才會發生。
對于諸如64 QAM的密集星座圖,大于QAM星座圖差距的誤差會導致傳統設置的EVM被低估。400 MHz QPSK結果在高非線性區域也顯示出相同的問題。
在較低功率區域中,調制失真方法還可以提供更好的EVM結果,其原因是VNA的低本底噪聲。400 MHz 64QAM波形的測量結果相似。
圖4顯示了針對5G FR2 100 MHz 4CC信號的調制失真設置的其他測量示例。該設置將為每個載波計算EVM,并為整個頻段計算ACPR。
圖4使用調制失真方法進行的5G FR2 4CC信號測量顯示了每個載波的EVM和整個頻帶的ACPR。
圖5顯示了采用調制失真方法的脈沖測量示例。通過脈沖緊湊型測試信號作為激勵,您可以將測量結果與脈沖緊湊型測試信號同步,并觸發SMU同步偏置電壓。使用調制失真設置執行脈沖測量很容易。
圖5使用調制失真方法可以輕松地對5G NR 400 MHz信號進行脈沖測量。
5G是一項復雜的技術,但不必進行PA EVM測量。調制失真設置是執行PA EVM和ACPR測量的傳統方法的一種更簡單易用的替代方法,具有更高的準確性。
您可以通過查看Keysight點播網絡研討會調制失真:如何為5G進行高精度EVM測量來獲得有關該方法的更多信息并查看其他測量結果。
Jessy Cavazos是是德科技行業解決方案營銷團隊的成員。
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