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5G時代功放的性能表征方法
閱讀：274 發布時間：2024-7-13功率放大器（PA）是通信系統中射頻鏈路質量的重要貢獻者。線性度對于具有高峰均比(PAPR)信號的系統至關重要。射頻鏈路的非線性響應直接影響解調誤差，導致誤碼率變差。此外，非線性會產生頻譜再生，從而導致對其他頻段的干擾，因此保持射頻鏈的線性度對于無線通信的質量至關重要。
PA還會影響無線通信系統的功耗，其功耗或功率效率直接影響無線通信的服務質量。效率低下的PA會很快消耗有限的電池壽命，從而影響服務質量。
為了量化調制信號激勵條件下的 PA 非線性性能，通常使用誤差矢量幅度 (EVM) 作為帶內失真的考量，而鄰道功率比（ACPR）則用來衡量帶外特性。本文介紹調制激勵條件下表征 PA 非線性的挑戰及創新方法。
一、功率放大器表征的挑戰
5G的應用帶來通信技術的革命性變革。無線通信行業對系統完整性、電源效率和設備可靠性的重視持續增長。5G系統需要更快地開發高度集成、可靠的射頻設備，以實現更快的數據傳輸速率。
在無線通信系統中，功率放大器(PA)占據傳輸鏈的后一級，為天線提供所需的射頻功率，如圖1 所示。PA 是5G發射機的傳輸質量和電池壽命的關鍵決定因素。
圖1 典型通信射頻傳輸鏈路
為了滿足 5G 系統要求，開發人員需要準確且可重復的測試來驗證發射機部件的性能。5G系統所需的大帶寬和復雜的調制方式，對元器件的EVM性能提出了更高的要求。開發人員面臨縮短系統開發周期和提高測試效率的雙重挑戰。
圖2 傳統功放測試：VNA用于網絡分析，VSA用于ACPR、NPR、EVM等測試
通常，研發人員使用矢量信號分析儀（VSA）和矢量信號發生器(VSG)在時域進行非線性PA測量。然后，再利用VNA進行網絡分析，我們將此過程稱為 VSA 方法。
采用頻域表征方法，即矢量網絡 (VNA) 方法，只需要VSG和ENA-X VNA以及調制失真（MOD）軟件，而不需要信號分析儀。VNA 方法改進了性能指標的評估方法和準確性，并通過簡化測試設置將測試周期時間縮短了 50%。
二、非線性功率放大器性能表征的重要性
（1）PA 性能表征有助于：
1、研發人員驗證 PA 是否滿足系統性能規范
2、客戶確定 PA 是否滿足其5G通信系統要求
3、評估PA性能及其市場價值
（2）為什么要表征功率放大器的非線性
有很多參數用于放大器指標表征，EVM和ACPR（鄰道功率比）對于PA性能驗證來說是為關鍵的。非線性響應直接影響信號解調和誤碼率 (BER)，而且非線性導致頻譜再生，在特定的信道之外的頻段中產生干擾。EVM和ACPR指標可以量化 PA 非線性性能。
對于用寬帶輸入信號激勵的PA，非線性會導致帶內和帶外失真產物。雖然工程師通過濾波消除線性失真，而非線性效應則難以解決。開發人員必須量化 PA 的非線性，以確保設備滿足效率規范并遵循嚴格的5G EVM和ACPR標準。本質上，強線性度表明 PA 將放大輸入信號而不會增加失真。
圖3 MOD失真應用中測量的輸入/輸出頻譜
（3）什么是 EVM，為什么它很重要？
EVM 是用于評估通信系統帶內失真的行業標準指標。誤差矢量是特定時間理想參考信號與測量信號之間的矢量差。非理想條件下會使接收和發送的信號失真，因此量化調制信號質量需要 EVM 測量。802.11ac和5G NR等標準都設置了可接受的低 EVM指標。
（4）什么是 ACPR，為什么它很重要？
ACPR、相鄰信道功率水平和鄰道泄漏比 (ACLR)指的是同一概念，即信道上的發射功率與相鄰信道接收濾波后接收到的功率之比。該指標衡量一個信道對另一信道的可能干擾程度。ACPR 是用于量化帶外失真特性的行業標準指標。ACPR 測量對于UMTS和LTE標準尤為重要。
隨著系統復雜性迅速增加，5G傳輸系統需要精準的測量來確保其性能符合更嚴格的要求。例如，256QAM要求EVM達到3.5%，而1024QAM 的EVM則需達到 1%。
三、時域與頻域表征測量
時域和頻域是兩種表征方法。雖然傳統時域表征方法可以滿足之前的需求，但 5G NR 技術則需要更為精簡且準確的表征方法。
（1）時域表征
時域測量是指針對時間進行的測量。示波器是時域測試設備的一個典型示例，它測量元器件的電壓和電流（y軸）作為時間（x 軸）的函數。傳統上，PA 非線性特性需要使用 VSA 和 VSG 在時域中進行測量。VSG 向被測設備 (DUT) 提供輸入信號，而 VSA 捕獲輸出信號并計算EVM 和 ACPR等指標。
這種時域表征方法滿足了過去的通信要求，而5G FR2系統則要求開發人員使用毫米波(mmWave)頻譜中極寬的信號帶寬來測量其性能指標。由于多種因素，新一代技術使得VSA法進行PA性能表征（尤其是 EVM）變得越來越具有挑戰性。
圖4 5G NR 帶來的新技術挑戰
1、系統EVM與DUT EVM的差異
信號源完整性直接影響 EVM 結果。在 VSA 方法中，測試系統的 EVM（或殘余 EVM）與 DUT EVM 無法區分。VSA 假定測量到的任何誤差均歸因于待測 PA。這不僅不準確，而且隨著 EVM 要求變得越來越嚴格，它很難準確評估PA是否符合 5G 標準。
此外，隨著信號帶寬越來越寬，系統的信噪比 (SNR) 會下降。噪聲限制了測量中可分辨的小 EVM。低功率水平下的隨機噪聲也會導致 EVM 測量的準確性和可靠性降低。輸入信號的非理想性和接收機處的寬帶噪聲限制了 VSA 可測得的小 EVM。
2、校準挑戰
VSA 方法的校準所面臨的問題包括復雜性、魯棒性、信號保真度和可重復性。盡管存在多種校準測試系統的方法，但即使是先進的技術也可能會出現誤差，尤其是當測試信號具有較寬的帶寬且 DUT 失配較大時。
使用不會產生任何非線性失真的信號分析儀對輸入信號進行數字化，可以減小EVM 測量誤差。然而，該解決方案在大帶寬上面臨巨大的實施挑戰。該解決方案還需要對 VSA 有深入的了解，并且會大大影響整個測量速度。這些校準方法過程復雜且受到隨機誤差的影響。信號保真度給 VSA 方法帶來了另一個問題，因為較高頻率下的電纜損耗和不匹配，導致施加到 DUT 的實際信號與理想信號存在偏差。
3、所需設備
如前所述，傳統的時域表征測量系統需要三個主要設備：VSG、VSA 和 VNA。此外，時域表征需要每個儀器都有布線和校準設備。在 VSA 和 VNA 之間交替進行 DUT 參數測試在硬件、軟件和外圍設備方面的成本更高。由于重新校準和連續切換系統設置，還增加了設備測試時間。通過在 E5081A ENA-X VNA 解決方案上使用高達 44 GHz 的頻域表征，避免了浪費寶貴的時間進行手動重新配置系統或切換復雜的基于開關的系統。
（2）頻域表征
頻域測量是指針對頻率進行的測量。VNA 是頻域測試設備的范例，用于測量作為特定頻率（x 軸）函數的信號功率（y 軸）。VNA 是元器件測試和電氣網絡分析的儀器。典型的 VNA元器件測試包括 S 參數、增益壓縮和互調等。
然而，借助調制失真 (MOD) 軟件，ENA-X 超越了傳統標準網絡分析儀，可以直接表征 PA 失真參數。ENA-X 內置一個集成上變頻器以提高靈活性，僅需一臺低頻矢量信號發生器 (VSG)即可進行復雜的寬帶調制測量。例如，生成 44 GHz 調制激勵僅需要使用Keysight N5186A MXG 射頻矢量信號發生器，如圖5所示。
圖5 VNA法：利用MXG和ENA-X的上變頻器路徑
ENA-X 通過全集成、單次連接/多種測量的方式來表征EVM和ACPR指標，從而降低頻域測試的復雜性。ENA-X 提供了硬件路徑中的切換，以實現調制信號在VNA測試端口和參考接收機之間連接。通過將網絡分析和失真表征功能整合到一套測試系統中，ENA-X 使開發人員能夠完成 S 參數、EVM 和 ACPR 測試，而無需重新連接DUT，從而大限度地縮短測試時間。此外，使用 MOD 軟件進行頻域表征可實現更低的殘余 EVM，并實現全矢量校正以提高精度。
1、什么是調制失真分析，它改進了什么
隨著 5G 開發的不斷進展，PA 需要進行調制信號激勵的放大。與簡單的信號激勵一樣，PA 調制信號性能在接近放大器飽和點的功率水平下實現高效率。然而，無線標準限制了特定 RF 組件在一定頻率范圍內允許的大雜散發射。開發人員必須在這些復雜的調制方案下表征放大器，以驗證其在這些限制內的性能。
調制失真軟件利用矢量校準的ENA-X重新構建放大器失真測量，以獲得準確且可重復的 EVM 結果，如圖6所示。MXG 的寬帶輸入信號利用頻譜相關技術為DUT提供激勵，MOD應用軟件在頻域逐點進行輸入、輸出信號的測量。然后，ENA-X 將頻率拼接在一起以實現寬帶相干測量。測量的輸出信號分解為線性和非線性相關分量。此時，MOD 失真應用軟件在頻域進行 EVM 和 ACPR計算。
圖6 VNA 上的 EVM 和 ACPR 測量
ENA-X 使用先進的校準技術來消除測量中測試設置的各種影響（輸入端口不匹配、通道功率和源誤差影響）。更寬的動態范圍和源功率校準還可以提供更準確和可重復的 EVM 測量。
2、簡單的設置和單一連接
用于測量 S 參數、增益壓縮和噪聲系數的相同設置，也可以實現 EVM 和 ACPR測量。可以通過一次設置、一次連接和一次“cal-all"校準來獲取線性和非線性性能參數。
3、佳的測量精度和重復性
當使用 ENA-X 測量非線性 DUT性能時，夾具去嵌入等校準方法可以將校準端面移動到 DUT 端面。輸入端口失配和通道功率也是可校正的——就像 IQ 數據一樣——在參考平面上產生平坦的輸入信號，并抑制信號ACPR。鑒于這種測量的相干性，每條跡線都相同，從而使 ENA-X 校準技術能夠快速提供測量重復性和輸入信號保真度。
4、低的殘余EVM
更寬的系統動態范圍或更低的本底噪聲使MOD應用軟件可以將DUT造成的失真分離出來。這意味著頻域 PA 表征可將系統失真和噪聲與 DUT 的 EVM 區分開來，從而凈化 PA 表征并揭示 PA 的真實性能。
四、ENA-X VNA 增強高功率放大器測試的主要優勢
雖然低功率條件足以獲取線性 S 參數，而增益壓縮和失真測試則需要高功率輸入信號。此外，大多數 PA 設計將在接近飽和的情況下運行，以優化功率附加效率(PAE)，同時保持整體系統級性能目標。在低功率水平下，SNR或噪聲系數影響EVM大，在高功率水平下，非線性失真在EVM中占主導地位。
為了完成非線性 PA 表征，需要一個用于高功率測試裝置的升壓放大器。但在設置和校準中增加部件會增加測量的復雜性和潛在的誤差。ENA-X 的設計考慮了這些高功率因素的影響。
值得注意的是，E5081A 網絡分析儀為高功率PA 測試提供接收機直接接入和接收機衰減器。
（1）接收機直接接入
升壓放大器的超高反向隔離 S21，使得利用標準設置進行精準的PA S11 測量具有挑戰性。ENA-X 網絡分析儀通過可配置的測試系統架構提供內部接收機直接接入作為解決方法，如圖7所示。
可配置的架構使開發人員能夠將PA S11信號重新路由，通過升壓放大器直接到達 ENA-X 接收機。這種靈活性可以在高功率信號條件下進行精準的放大器S11測量。
圖7 使用2端口E5081A ENA-X進行高功率PA測量的典型配置
（2）接收衰減器
測試儀器的內部組件功率處理能力是高功率測量的關鍵考慮因素。高功率水平可能會損壞網絡分析儀，從而導致昂貴的維修費用。通常，高功率放大器測試需要外部衰減器以防止潛在的接收機壓縮所導致的測量不準確或測試裝置損壞。然而，添加外部裝置會增加測試系統潛在的誤差和校準復雜性。為了大限度地降低儀器損壞和測量誤差的風險，ENA-X 網絡分析儀提供了內置接收衰減器，從而無需外部衰減器。
五、結論
由于寬帶信號、復雜的調制方案以及日益嚴格的 EVM 和 ACPR 要求，設計5G 系統功率放大器面臨著巨大的挑戰。傳統的 VSA 表征方法不再滿足設計工程師的需求。E5081A ENA-X 調制失真解決方案提供了多項 PA 表征優勢，可克服寬帶測量挑戰：
1、寬動態范圍，由于本底噪聲較低，因此可實現低殘余 EVM
2、輕松校準矢量校正測量，增強PA 輸入端的信號保真度，從而顯著提高測量可重復性
3、先進的軟件允許在調制條件下進行失真分析
針對任何PA性能表征，VNA 對于表征線性和非線性性能至關重要。通過 MOD 應用軟件，測試系統可進行傳統的 VNA 測量、EVM 和 ACPR測量。ENA-X 網絡分析儀的架構使 RF 開發人員能夠在單個簡化設置上執行多種多端口測量，從而提高測量精度和可重復性、縮短測試周期時間并獲得低的殘留 EVM 結果。