5G毫米波和超寬帶功率放大器EVM測試的挑戰和解決方案

作者/ 李峰 是德科技無(wú)線(xiàn)通信資深技術(shù)顧問(wèn)

摘要：本文介紹了5G通信對測試提出的需求，并就是德科技的Signal Optimizer寬帶測試平臺進(jìn)行了應用和實(shí)例分析。

引言

　　目前5G已經(jīng)成為整個(gè)無(wú)線(xiàn)通信行業(yè)的發(fā)展方向，5G將給無(wú)線(xiàn)通信帶來(lái)革命性的飛躍。5G的主要應用場(chǎng)景是eMBB，即增強的移動(dòng)寬帶，核心目標是要實(shí)現超高速的數據傳輸，傳輸速率遠遠超出現在4G的水平，要達到10Gbps~100Gbps，從而徹底解決現在移動(dòng)通信的速率瓶頸問(wèn)題。為了實(shí)現超高速數據傳輸的目標，5G需要采用全新的無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)，由于頻率資源和帶寬問(wèn)題，傳統無(wú)線(xiàn)通信所使用的6GHz以下的低頻段無(wú)法達到這個(gè)目標，需要使用更高的頻段，即毫米波頻段，調制帶寬會(huì )從現在的幾十M跨越到500M，再到3GHz，而且還會(huì )使用新的物理層技術(shù)包括調制編碼和多址接入，這也對無(wú)線(xiàn)通信設備的射頻測試提出了更高的要求。

5G測試的需求

　　為了更有力地推動(dòng)5G毫米波技術(shù)試驗和開(kāi)發(fā)，工信部已經(jīng)發(fā)布了關(guān)于5G頻段的官方文件，其中毫米波頻段包括24.75~27.5GHz和37~42.5GHz，而主流廠(chǎng)商所測試的信號調制帶寬要求達到800MHz，這將大大加快5G毫米波技術(shù)在中國的發(fā)展進(jìn)程。但是現在無(wú)線(xiàn)通信行業(yè)也面臨著(zhù)極大的挑戰，由于缺乏用于基站和終端的能夠支持毫米波和超寬帶的射頻器件，尤其是功率放大器PA，這使得國內5G毫米波技術(shù)大規模應用受到極大地限制。因此國內主要運營(yíng)商、系統廠(chǎng)商以及半導體行業(yè)已經(jīng)開(kāi)始全力開(kāi)發(fā)支持中國5G毫米波頻段和800MHz帶寬的PA產(chǎn)品。針對最先應用于基站的大功率PA需求，傳統的CMOS工藝功率放大器無(wú)法提供足夠高的輸出功率，而砷化鎵(GaAs)和氮化鎵(GaN)工藝的功率放大器能夠在毫米波頻段支持更高的發(fā)射功率和更大的調制帶寬，所以受到行業(yè)的青睞。

　　由于5G毫米波和超寬帶功率放大器還處于起步階段，為了驗證和確保新型的功率放大器能夠滿(mǎn)足5G無(wú)線(xiàn)傳輸的要求，無(wú)論是器件廠(chǎng)商還是基站系統廠(chǎng)商都需要在調試和最終系統測試階段對產(chǎn)品進(jìn)行大量射頻參數測試，主要包括兩類(lèi)，第一類(lèi)是傳統的針對PA自身的器件參數，包括輸出功率 、增益、噪聲系數和S參數/X參數等;第二類(lèi)是根據無(wú)線(xiàn)通信系統標準針對5G寬帶調制信號所要求的矢量誤差EVM和鄰道泄漏比ACLR等。而后者對測試平臺的功能和性能要求更高更復雜，不僅需要支持各種靈活定義的數字調制格式和5G候選波形，支持靈活的信號產(chǎn)生和復雜的矢量信號分析，而且對儀表在毫米波和超寬帶條件下的精度和動(dòng)態(tài)范圍提出了很大的挑戰，其中超寬帶條件下的EVM測試就是目前的一個(gè)難點(diǎn)。

Signal Optimizer寬帶測試平臺

　　我們通過(guò)大量試驗發(fā)現，針對5G毫米波和超寬帶PA的EVM測試與傳統的3G/4G有很大不同，主要原因是毫米波和超寬帶條件對儀表和附件所構成的測試平臺的要求大大提高，由測試平臺所引入的失真和誤差會(huì )嚴重影響最終的測試結果。圖1是一個(gè)通過(guò)是德科技M8190A+E8267D矢量信號源產(chǎn)生的超寬帶信號的例子。

　　是德科技于2015年開(kāi)始創(chuàng )建5G毫米波和超寬帶無(wú)線(xiàn)通信的原型試驗平臺，基于SystemVue仿真軟件進(jìn)行了當時(shí)業(yè)界最早的超高速數據吞吐率試驗，圖1是這個(gè)原型機試驗的實(shí)例，采用基于5G候選波形FBMC調制，通過(guò)是德科技M8190A+E8267D矢量信號源輸出調制信號，載波頻率為20GHz，調制帶寬達到了4GHz，其物理層調制的數據傳輸速率達到了10~20Gbps。但是從圖1的頻譜曲線(xiàn)可以看出，整個(gè)4GHz范圍不同頻率成分的幅度有很大波動(dòng)，遠離中心頻率的頻率分離衰減增大，呈現明顯的幅度不平坦，因為信號是由很多個(gè)子載波構成，這些幅度衰減的頻率成分將使其所在的子載波的信噪比降低，導致EVM下降，雖然原型機平臺可以依靠接收機信道均衡和糾錯等措施仍然可以實(shí)現較高的吞吐率，但是如果用于PA或基站的射頻測試，就會(huì )嚴重影響測試EVM的準確度圖2是通過(guò)是德科技Signal Optimizer寬帶測試平臺測量寬度系統幅相特性的例子。

　　我們采用是德科技最新推出的Signal Optimizer平臺可以非常方便地測量超寬帶系統的幅度和相位特性，在圖2的例子里面，載波頻率是26GHz，Signal Optimizer軟件產(chǎn)生接近1GHz帶寬的Multitone信號，然后通過(guò)分析儀測量1GHz帶寬內的幅度和相位變化，可以看到未經(jīng)過(guò)寬度校正的系統在1GHz帶寬內的幅度波動(dòng)超過(guò)4dB，相位群時(shí)延波動(dòng)超過(guò)2ns，信號EVM是比較差的。

　　所以針對5G毫米波和超寬帶PA射頻測試中非常關(guān)鍵的一點(diǎn)就是測試平臺本身必須具備寬帶校正以確保在測試PA之前儀表和所有附件所引入的失真和誤差達到最小。目前測試儀表采用的寬帶校正方法主要有兩種：

　　第一種方法是內置校正數據，即在出廠(chǎng)前已經(jīng)對儀表自身的寬帶失真進(jìn)行測量并且將校正數據存儲在儀表里面，在測試時(shí)儀表根據頻率和帶寬自動(dòng)應用校正數據，無(wú)需額外的校正操作即可進(jìn)行測試。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是校正數據只應用到儀表的測試端口，而不是被測件DUT的輸入或輸出端口，測試中使用的外部附件或射頻器件模塊都沒(méi)有覆蓋，其他現場(chǎng)環(huán)境條件或工作條件也可能影響儀表達到最佳的EVM特性。

　　第二種方法是外部校正，這種方法需要使用校準器在現場(chǎng)對儀表進(jìn)行寬度校正，實(shí)時(shí)產(chǎn)生校正數據補償到儀表中，使儀表的EVM達到最優(yōu)。這種方法其實(shí)是非常類(lèi)似射頻器件測試常用的矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀的系統校準操作，具有非常突出的優(yōu)點(diǎn)，可以對信號源和分析儀以及外部器件進(jìn)行獨立的校正，校正數據即可以應用到儀表測試端口，也可以包含測試中使用的外部附件或射頻器件模塊一起校正，校正數據可以應用到被測件的輸入或輸出端口，而且現場(chǎng)的各種環(huán)境和工作條件產(chǎn)生的影響也會(huì )被包括在校正操作中，所以目前應用這種方式總是能在現場(chǎng)實(shí)現儀表最佳的EVM特性;這種方法的缺點(diǎn)是需要現場(chǎng)操作寬帶校正。

測試案例分析

　　下面我們舉一個(gè)實(shí)際測試中遇到的案例。在測試大功率PA時(shí)經(jīng)常遇到的一個(gè)問(wèn)題就是驅動(dòng)放大，由于大功率PA往往需要較高的Pin，而毫米波矢量信號源的最佳線(xiàn)性輸出電平通常低于要求，所以往往需要在被測PA輸入端加一個(gè)驅動(dòng)放大器，圖3是一個(gè)實(shí)際測試連接框圖。

　　我們在測試中發(fā)現，實(shí)際上除了用于5G寬帶信號產(chǎn)生和分析的信號源和分析儀外，驅動(dòng)放大器自身也給測試帶來(lái)很大影響。雖然一般采用的驅動(dòng)放大器都是寬帶線(xiàn)性放大器，只要設置合適的輸入和輸出功率區間，放大器工作在線(xiàn)性區，非線(xiàn)性失真很小，但是我們不要忽視其仍然存在線(xiàn)性失真，驅動(dòng)放大器本身的幅頻響應和相頻響應波動(dòng)仍然對EVM產(chǎn)生較大的影響。實(shí)際測試中發(fā)現，在26GHz~29GHz頻率范圍，800MHz調制帶寬條件下，信號源本身輸出信號的EVM已經(jīng)校正到0.8%，但是經(jīng)過(guò)驅動(dòng)放大器之后，EVM會(huì )惡化到最大3%~4%，這不僅導致最終被測PA輸出信號的EVM很高，而且甚至超過(guò)了廠(chǎng)家對系統級EVM的要求。所以這次測試采用了圖4所示是德科技Signal Optimizer平臺的外部校正方法。

　　首先通過(guò)校準器對信號分析儀進(jìn)行寬帶校正，然后信號分析儀應用補償校正數據后，再使用信號分析儀進(jìn)行源的校正，但是這個(gè)源校正是將信號源與驅動(dòng)放大器連接起來(lái)一起校正，使信號源加驅動(dòng)放大器的整體EVM達到1%左右，這樣再連接被測PA進(jìn)行EVM測試，就獲得了比較理想的結果，因為這時(shí)驅動(dòng)放大器的線(xiàn)性失真不會(huì )對測試產(chǎn)生影響。

　　在毫米波超寬帶PA測試中，除了前面提到的驅動(dòng)放大器的例子，還發(fā)現測試附件等也都會(huì )產(chǎn)生影響，比如毫米波頻段使用的線(xiàn)纜和接頭，相對于6GHz以下的低頻段，一般存在更大的線(xiàn)性失真和不平坦性，如果是儀表內置校正方式，也很難應對，但是現場(chǎng)外部校正方式就可以把它們包含在校正數據里面，去除這些部分的影響。

　　是德科技5G測試平臺集合了高性能硬件平臺，M8190A和E8267D組成毫米波超寬帶矢量信號源，M8190A是新一代AXIe模塊化超寬帶任意波形發(fā)生器，每個(gè)通道5GHz帶寬，14bit DAC輸出，具備很好的動(dòng)態(tài)范圍;M8190A的2個(gè)通道輸出連接到E8267D，E8267D是經(jīng)典的微波矢量信號源，最高頻率到44GHz，通過(guò)毫米波混頻擴展也可以支持如110GHz的更高頻率范圍，E8267D的寬帶IQ調制可以支持2-4GHz調制帶寬。N9040B/N9041B UXA是是德科技最新的超寬帶X系列信號分析儀，支持最高到110GHz的連續掃描頻率范圍，內置1GHz分析帶寬，IF輸出支持最高5GHz分析帶寬，可以支持各種5G信號的解調和分析，以及各種針對5G信號的射頻參數測試，比如功率，ACP，SEM和雜散等。

　　Signal Optimizer軟件平臺是一個(gè)集合5G信號產(chǎn)生和分析，以及超寬帶系統校正于一體的綜合測試平臺，支持各種5G候選波形和自定義OFDM等靈活調制信號，并且采用U9391C/F/G系列校準器實(shí)現業(yè)界獨特的外部寬度校正，由于U9391是可溯源至NIST的計量級校準器，因此Signal Optimizer可以實(shí)現目前業(yè)界最佳的寬帶校正EVM特性。

　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第10期第31頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。