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最初的無線區域網路(WLAN)標準主要用于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，采用新的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。 表1：802.11 WLAN協定進展 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，并在使用多重輸入多重輸出(MIMO)通道時達到6.93Gbps。藉著采用更即時的頻寬(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于功率放大器的設計驗證、特性及測試的需求。 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組件，因為PA性能會影響無線覆蓋、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性能由于PA非線性失真而可主導WLAN系統級的發射器性能。行動設備與無線接取點通常傳輸介于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特定發射器兼容性測試適用于進行包括頻譜屏蔽、頻譜平坦性、峰值功率、中心頻率誤差、符號時脈頻率誤差、中心頻率泄漏，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于PA測試的技術。EVM是用于量化數位通訊通道性能的測量值，并從其于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訊號或設備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范圍內需要可接受的EVM作用。 由于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：用于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。 由于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 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慮。由于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，相對于DC功率消耗優化最大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于封包之間。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%工作周期的脈沖作業下，示波器所擷取的PA致能(PA EN)與RF脈沖訊號相對時脈。請注意在此測試設置內將PA EN脈沖與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脈沖(藍色)的時域曲線圖 由于PA的供電/斷電作業可能造成暫態及熱效應而降低發射器性能，因此通常測試另一種稱為動態EVM的度量。動態EVM以施加于PA EN模擬發射器的實際動態作業方波進行測量。動態EVM的降低起因于影響在封包起始的前序訊號，并造成缺陷通道估計的PA暫態向應。研究顯示具有50%工作周期方波的動態EVM比靜態EVM (具有100%工作周期的PA EN)更不適用于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、脈沖寬度、脈沖延遲以及重復率的PA EN脈沖。 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。對于此特定PA，動態EVM在+18dBm輸出功率以上比靜態EVM更佳。如之前所注意，由于動態EVM測量PA在實際脈沖作業模式下使用時的性能，因此這種型式的PA動態EVM測量值對發射器設計考慮至關重要。 圖4：PA動態EVM與工作周期比較 數位預失真 以高輸出功率改善PA線性度是一項挑戰。數位預失真(DPD)是用于藉著數位訊號處理技術基本上去除失真的一種技術。對諸如z8201 RF測試套件的組合式VSA/VSG測試系統而言，軟件工具可簡化及自動化DPD。基本上，軟件模型用于以VSA測量PA的非線性度，并形成適用于VSG 的反向作業;在完成DPD補償時，預失真的VSG RF訊號施加于有效線性化PA輸出的PA。 一些802.11ac WLAN收發器芯片組采用DPD技術改善PA線性度。為了量化在具有DPD的電路中可實現的改善程度，測試設備必須能在PA特性分析期間進行DPD。除了z8201 RF測試套件與zProtocol WLAN軟件外，ZEC儀器的DPD軟件工具與對應的范例編碼還提供迅速又簡易的方法，以評估PA或發射器設計DPD。由于DPD算法要求VSG/VSA儀器擷取多個相鄰通道，因此DPD應用要求諸如z8201 RF測試套件的寬測量值頻寬。 圖5顯示PA在其非線性區內作業時，DPD在源于非線性失真的相鄰通道泄漏(ACL)所具有的改進;同樣重要的是如圖6所顯示可以DPD達成的EVM改良。這兩張圖都描繪出使用zProtocol WLAN與DPD軟件以z8201 RF測試套件所取得的實際資料。 圖5：以DPD降低PA相鄰通道泄漏 圖6：以DPD 改良PA EVM 測試設備 對802.11ac測試而言，測試設備的雜訊層、相位雜訊、互調失真及頻內突波訊號都必須最小化，以避免降低所測得的PA EVM性能。圖7顯示在所測得PA DUT EVM上的測試設備殘余EVM效應。 圖7：在所測得DUT EVM上的測試設備殘余EVM效應 圖8顯示z8201 RF測試套件是由具有高達160MHz測量值頻寬的6GHz VSG/VSA 整合所組成。除了寬測量值頻寬外，z8201 RF測試套件還提供802.11ac設備特性分析與測試所必要的低雜訊與失真。z8201 RF測試套件對20MHz 802.11ac提供低至0.3%的例外回反殘余EVM底，而對160MHz 802.11ac提供0.7%(相位追蹤、前序訊號導引資料等化);此外，添加z8801 LO模組的z8221 RF測試套件對20MHz 802.11ac 達成低至0.2% 的殘余EVM 底，而對160 MHz 802.11ac 達成為0.4%。 圖8：z8201 PXI或PXIe RF測試套件 zProtocol WLAN軟件工具組包括圖9所顯示的直覺圖形用戶接口(GUI)，以及便于自動化的全面性C/C++/LabVIEW軟件驅動程序。z8201 RF測試套件結合zProtocol WLAN軟件，對802.11測試提供完整的解決方案，涵蓋WLAN協定的所有方面，包括： 所有調變頻寬：160MHz、80MHz、40MHz及20MHz 所有調變編碼方案(MCS)與比特率：BPSK到256QAM 所有通道頻率：2.4GHz與5GHz頻帶 MIMO串流：X2至X8 圖9：zProtocol WLAN測試軟件GUI 范例自動化編碼提供有價值的參考示范自動化使用案例，并允許使用者以少許的附加程序設計或整合開始進行特性分析或設計驗證。本文中描述的所有特定PA測試都可取得，可從ZTEC儀器網站下載作為范例編碼。 結語 本文探討新的802.11ac WLAN標準施加于功率放大器(PA)的設計驗證、特性分析及測試需求。具有對802.11ac限于大約1.5%的PA EVM作用，PA與RF測試設備需要更高的線性度及動態范圍必要條件。本文針對802.11ac的PA測試定義出有助于測試設備優化的諸多技術，這些技術與z8201 RF測試套件、zProtocol WLAN軟件共同使用，為802.11ac WLAN發射器設計作業提供用于量化PA性能的完整解決方案。 |
