5G测试:调制失真方法可加速功率放大器的表征

2020-11-13 17:39:00
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功率放大器的线性度和功率效率对于5G设计的信号质量和电池寿命至关重要。 但是,随着系统移向毫米波频率,用于功率放大器(PA)表征测试的传统方法面临越来越多的挑战。 用于执行特性测试的新调制失真方法保证了更简单,更快和更准确的结果。

现代通信系统使用正交频分复用(OFDM)波形进行数字信号解调。 但是,OFDM波形缺乏线性,会在解调过程中产生错误,从而导致信号质量问题。 组成设备(例如PA)的组件的电源效率低下,也会缩短电池寿命。 但是,在保持设计高效率的同时提高PA线性度是一项挑战。 由于转向毫米波(mmWave)频率和宽信号带宽,在5G环境中,这一挑战甚至更大,这两者都使设计人员为优化设计而需要执行的特性测试变得复杂。

行业惯例

执行PA表征的常用方法包括两个站。 第一站使用矢量网络分析仪(VNA)进行基本特性测量,例如S参数,增益压缩,截点三阶(IP3)以及有时的噪声系数。 第二站具有信号发生器和信号分析仪,用于生成误差矢量幅度(EVM)和相邻信道功率比(ACPR)测量,以及用于测量PA非线性的品质因数(FOM)( 图1 )。 首先使用VNA对设备进行测试,然后将其带到另一个工作站。


图1 传统上用于功率放大器表征的过程需要两个步骤,首先是使用VNA,然后是信号发生器和分析仪。

由于5G使用毫米波频谱的较高频率(称为频率范围2(FR2))和OFDM信号的较宽带宽,因此5G使PA的EVM测量比过去更加困难。 例如,使用传统方法测量5G设备的EVM,要求您首先使用信号发生器调制信号,该信号发生器具有针对5G新无线电(NR)的特定方案,其中包括前同步码,导频和数据。 然后,您需要捕获波形,使用特定方案对其进行解调,绘制星座图,并测量理想星座图和被测星座图之间的误差,以确定EVM。

但是残留的EVM(即测试系统本身的EVM)在5G FR2情况下非常接近设备的EVM,这是因为其载波频率很宽。 捕获的宽带信号包括宽带噪声。 信噪比(SNR)随着带宽的增加而降低。 电缆损耗和高频响应也有助于降低信号质量,并且高SNR使测试自动化变得困难。

调制失真设置

最近出现了一种新的执行PA表征的方法,该方法解决了传统方法的缺点:调制失真。 调制失真设置使用VNA和信号源( 图2 在单个站点中提供所有VNA测量以及ACPR和EVM 

图2 用于PA表征的调制失真设置可在单个站中提供所有表征测量。

调制失真设置的第一步是生成称为紧凑测试信号的激励信号。 VNA固件选择原始波形的一部分以显示该波形的统计特性,然后使用砖墙式滤波器消除频谱泄漏。 尽管它仅使用波形的一部分,但压缩测试信号的频率签名与父信号的频率签名相同。 紧凑型测试信号的互补累积分布函数(CCDF)与父信号可能略有不同,但是使用更长的测试信号会减小两者之间的差异,从而对测量速度产生轻微影响。

用紧凑的测试信号激励设备后,您可以使用频域分析来测量设备的非线性。 通过同时测量输入和输出,测量是一致的。 此外,矢量校正有助于最大程度地减少测量系统失配引起的误差。

在测量宽带信号时,VNA数字化仪的带宽限制使您无法一次测量整个频带。 为了应对这一挑战,VNA每隔30 MHz测量一次带宽,并移动其本地频率以捕获感兴趣频带中的所有频谱。

一种称为频谱相关的技术将输出信号频谱分解为线性和失真部分,这使得计算EOM和ACPR等FOM成为可能。 根据带内和相邻带的信道功率计算ACPR。 EVM是根据测量结果对带内失真频谱进行积分计算得出的。 从频域计算EVM与从时域计算EVM在数学上是相同的,这可以通过 Parseval定理 进行解释

在传统设置中,信号发生器和分析仪激励设备,在时域中捕获信号,并绘制星座图以计算EVM。 相比之下,调制失真设置会压缩波形,重复压缩后的测试信号,激励设备,在频域中捕获输入和输出频谱,然后将输出频谱分解为线性和失真部分以计算EVM。

这种设置可以更简单,并且更容易准确地表征功率放大器的失真贡献,尤其是在宽带应用中。 宽的系统动态范围可产生低残留EVM,而VNA校准技术可在被测设备(DUT)输入端实现高信号保真度。 模块化失真可提供一致的测量结果,同时提高测量速度。

两种方法的测量示例

让我们看一些具体的测量示例 图3 )。


图3 比较了同一DUT的传统(橙色)和调制失真(蓝色)方法的功率扫描测量结果,表明后者的精度有所提高。

在此测量中,我们使用传统方法(橙色)和调制失真方法(蓝色)来表征相同的DUT。 仔细表征功率输出(Pout)[dBm]可以进行苹果对苹果的比较。

虽然两种方法都为100 MHz QPSK波形提供了相同的结果,但是当PA高度失真时,在高功率区域中100 MHz 64 QAM波形的结果略有不同。 这种差异是由于符号跳过导致的常见错误的结果,而符号跳过仅在使用传统方法执行解调时才会发生。

对于诸如64 QAM的密集星座图,大于QAM星座图差距的误差会导致传统设置的EVM被低估。 400 MHz QPSK结果在高非线性区域显示相同的问题。

在较低功率区域中,调制失真方法还提供了更好的EVM结果,其原因是VNA的低本底噪声。 400 MHz 64QAM波形的测量结果相似。

图4 显示了针对5G FR2 100 MHz 4CC信号的调制失真设置的其他测量示例。 该设置为每个载波计算EVM,并为整个频段计算ACPR。


图4 使用调制失真方法进行的5G FR2 4CC信号测量显示了每个载波的EVM和整个频带的ACPR。

图5 显示了采用调制失真方法的脉冲测量示例。 通过脉冲紧凑型测试信号作为激励,您可以将测量结果与脉冲紧凑型测试信号同步,并触发SMU同步偏置电压。 使用调制失真设置执行脉冲测量非常容易。



图5 使用调制失真方法可以轻松地对5G NR 400 MHz信号进行脉冲测量。

5G是一项复杂的技术,但不必进行PA EVM测量。 调制失真设置是执行PA EVM和ACPR测量的传统方法的一种简单得多且易于使用的替代方法,具有更高的准确性。

您可以通过查看Keysight点播网络研讨会`` 调制失真:如何为5G进行高精度EVM测量'' 来获得有关该方法的更多信息并查看其他测量结果


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