Power_Amplifier_Testing_802.11ac_Whitepaper_010814c_tch_20141107

應用說明

對 802.11ac 之

功率放大器測試

使用 z8201 射頻測試套組與 zProtocol?

無線區域網路軟體

前言

最初的無線區域網路（Wireless LAN，WLAN）標準，主要是用於對有線寬頻連線提供低資料傳輸率無線連線，以進行網頁瀏覽及

電子郵件。隨著時間的演進，而採用新的 802.11 無線協定提供用於新應用的更高資料傳輸率；表 1 顯示 802.11 WLAN 標準的進展。

仍在草案形式的最新 802.11ac WLAN 標準，將會在單一射頻（RF）通道提供高達 867 Mbps 的資料傳輸率，並在使用多重輸入多

重輸出（MIMO）通道時高達 6.93 Gbps。藉著採用更瞬時的頻寬（提升至 160 MHz）、更多的 MIMO 通道（最多至 8 個），以

及高密度的調變群集（達到 256QAM）將 802.11n 標準擴展成如此高的 802.11ac 資料傳輸率。在本文件中，我們探討對 802.11ac 這些新的必要條件施加於功率放大器的設計驗證、特性及測試的需求。

表 1） 802.11 WLAN 協定

功率放大器測試

功率放大器（power amplifier，PA）是 WLAN 傳輸器電路中的關鍵組件，因 PA 效能會影響無線涵蓋區、資料傳輸率容量及電池

壽命。任何傳輸器 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。當輸出功率級別增加到放大器的增益壓縮區時，PA 效能由於 PA 非線性失真而可主導系統級別 WLAN 傳輸器效能。行動裝置與無線存取點通常傳輸介於 100 mW （+20 dBm）與 1 W （+30 dBm）之間的 RF 輸出功率，且 PA 必須能產生帶有最少非線性失真的足夠功率。對 PA 測試而言，一套完整的 IEEE 802.11ac 特定傳輸器符合測試適用於包括 [1]：

?頻譜遮罩

?頻譜平坦性

?峰值功率

?中心頻率誤差

?符號時脈頻率誤差

?中心頻率洩漏

?誤差向量大小（Error Vector Magnitude，EVM）

本文件進一步擴展 EVM 測試，此為全面性且廣泛使用於 PA 測試的技術 [2-3]。EVM 是用於量化數位通訊通道效能的測量值，並對所擷取到的編碼資料符號提供其與 I/Q 群集內理想位置的偏差測量。均方根 EVM 是全面性測量值，在 RF 訊號或裝置中的任何缺陷都會使其降低。因此對 WLAN 傳輸器設計而言，PA 在其輸出功率級別與通道頻率的完整操作範圍內需要可接受的 EVM 作用。由於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% [4]。此外，新的256QAM 訊號調變具有更高的峰值均值比率（peak-to-average ratio，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）用於 PA 測試的測試設備區塊圖

圖 1 顯示使用 ZEC 儀器 z8201 RF 測試套組進行 PA 測試的一般測試設置區塊圖。一般的設備清單包括：?z8651 6 GHz 向量訊號分析器（Vector Signal Analyzer，VSA），可選擇 80 或 160 MHz 分析頻寬

?z8751 6 GHz 向量訊號產生器（Vector Signal Generator，VSG），可選擇 250 或 500 MHz 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 功率量測

?PXI/PXIe 機箱與主機電腦

?電纜、定向耦合器及衰減器

由於 PA 輸入與輸出功率級別由 VSG 與 VSA 設定及測量，因此可視需要選用 USB 功率量測與相關定向耦合器。功率量測提供以定向耦合器在待測件（device-under-test，DUT）所測得的 PA 輸入與輸出功率更精確的校正測量值。VSA 與 VSG 通常可準確至 < 0.5 dB，而功率量測能準確至 < 0.1 dB。必須預先校正用於衰減器及使用功率量測配置時用於定向耦合器的校正因數。

PA EVM

一般對 PA 的 EVM 測試，會藉由許多測試頻率測量 EVM 相對於 PA 的輸出功率。圖 2 顯示使用 z8201 RF 測試套組進行一般 PA EVM 測試實際所測得的資料曲線。這些曲線顯示在輸入功率 30 dB 範圍內，進行測試的全部五個 80 MHz 802.11ac 通道頻率都適用於 PA。實際的 PA 輸出功率使用功率量測測得，並提供資料給圖 2 曲線的水平軸。在這項測試中，對總計 150 個測試點有 5 個通道頻率和 30 個功率級別。PXI/PXIe 高度整合測試設備架構的一項優勢為快速資料傳輸量與處理速度。在 150 種測試情況下，總測試時間與具有諸如 LAN 或 GPIB 介面的其他測試設備相比可大幅減少。對 z8201 RF 測試套組與zProtocol? WLAN 軟體而言，提供範例編碼將 802.11ac 測試的設置及操作最佳化，以達到每個 EVM 測量值皆為快速的 20 ms。

探討圖 2 所顯示的實際 PA 測試資料時，注意到 EVM 降低在高輸出功率級別出現。隨著 PA 輸出功率級別增加到其增益壓縮區，出現非線性失真並造成 EVM 增加。此項 EVM 功率掃描測試識別出 PA 的線性功率區，這對 WLAN 傳輸器的設計考量是關鍵因素。注意到為了達成對 802.11ac 低於 1.5% EVM 的臨界值，此特定 PA 可達成最大 +10 dBm 線性輸出功率；雖然此 PA 是專為 802.11n 傳輸器所設計且運作良好，但對沒有諸如數位預失真的附加線性化技術的 802.11ac 傳輸器設計而言，其線性輸出功率為不足。

圖 2） PA EVM 相對於輸出功率

動態 EVM

對系統級 WLAN 傳輸器設計而言，電池壽命和功率消耗都是重要考量。由於傳輸 PA 會消耗顯著部分的總系統 DC 功率，因此採用許多技術以減少 PA 功率使用。許多 PA 提供可調整的 DC 供應電壓，相對於 DC 功率消耗最佳化最大 RF 輸出功率級別，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於封包之間時。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% 工作週期的脈衝操作下，PA 的 PA 致能（PA Enable，PA EN）與 RF 訊號相對時脈的示波器訊號獲取。注意到在此測試設置內將 PA EN 脈衝與 RF 訊號之間的可調整延遲設定為 2.0 μs。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 脈衝（藍色）的時域曲線

由於 PA 的供電／斷電操作可造成暫態及熱效應而降低傳輸器效能，因此通常會測試稱為動態 EVM 的另一種度量。動態 EVM 以施加於 PA EN 仿真傳輸器的實際動態操作情況的方波進行測量。動態 EVM 的降低起因於影響在封包起始的前序訊號，並造成缺陷通道估計的 PA 暫態回應。研究已顯示具有 50% 工作週期方波的動態 EVM 比靜態 EVM （具有 100% 工作週期的PA EN）更不適用於 PA EN [5]。

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 區塊圖顯示 z5211 任意波形產生器（arbitrary waveform generator，AWG），其產生具有可

調整電壓大小、脈衝寬度、脈衝延遲及重複率的 PA EN 脈衝。圖 4 實際的 PA 測試資料顯示動態 EVM 直到 +18 dBm 輸出功率都比靜態 EVM 還差。對於此特定 PA，動態 EVM 在 +18 dBm 輸出功率以上比靜態 EVM 更佳。如之前所注意，由於動態 EVM 測量 PA 在實際脈衝操作模式下使用時的效能，因此這種型式的 PA 動態 EVM 測量值對傳輸器設計考量至關重要。

圖 4） PA 動態 EVM 相對於工作週期

數位預失真

在高輸出功率改良 PA 內的線性度是一項挑戰。數位預失真（digital pre-distortion，DPD）是用於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 測試套組的組合式 VSA/VSG 測試系統而言，軟體工具可簡化及自動化 DPD。基本上，軟體模型用於以 VSA 測量 PA 的非線性度，並形成適用於 VSG 的反向操作；於完成 DPD 補償時，預失真的 VSG RF 訊號施加於有效線性化 PA 輸出的 PA。

一些 802.11ac WLAN 收發器晶片組採用 DPD 技術改良 PA 線性度。為量化在具有 DPD 的電路中將會達成的改良，測試設備必須能在 PA 特性分析期間進行 DPD。除了 z8201 RF 測試套組與zProtocol? WLAN 軟體外，ZEC 儀器的 DPD 軟體工具與對應的範例編碼還提供迅速又簡易的方法，以評估 PA 或傳輸器設計的 DPD。由於 DPD 演算法要求 VSG/VSA 儀器擷取多個鄰接通道，因此DPD 應用要求諸如 z8201 RF 測試套組的寬測量值頻寬。

圖 5 顯示 PA 在其非線性區內操作時，DPD 在起因於非線性失真的鄰接通道洩漏上所具有的改良；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 軟體以 z8201 RF 測試套組所取得的實際資料。

圖 5）以 DPD 降低 PA 鄰接通道洩漏

圖 6）以 DPD 改良PA EVM

測試設備

對 802.11ac 測試而言，測試設備的雜訊底、相位雜訊、互調變失真及頻內假訊號都必須最小化，以避免降低所測得的 PA EVM 效能。圖 7 顯示在所測得 PA DUT EVM 上的測試設備殘餘 EVM 效應。

圖 7）在所測得 DUT EVM 上的測試設備殘餘 EVM 效應

如貫穿本文件所討論，圖 8 顯示的 z8201 RF 測試套組，是由具有高達 160 MHz 測量值頻寬的 6 GHz VSG/VSA 組合所組成 [6-7]。除了寬測量值頻寬外，z8201 RF 測試套組還提供 802.11ac 裝置特性分析及測試所必要的低雜訊與失真。z8201 RF 測試套組對 20 MHz 802.11ac 提供低至 0.3% 的例外迴反殘餘 EVM 底，而對 160 MHz 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 測試套組對 20 MHz 802.11ac 達成低至 0.2% 的殘餘 EVM 底，而對 160 MHz 802.11ac 達成為 0.4%。

圖 8） z8201 PXI 或 PXIe RF 測試套組

zProtocol? WLAN 軟體工具組包括圖 9 所顯示的直覺圖形使用者介面（graphical user interface，GUI），以及便於自動化的全面

性 C/C++/LabVIEW 軟體驅動程式。z8201 RF 測試套組結合zProtocol? WLAN 軟體，對 802.11 測試提供完整的解決方案，涵蓋WLAN 協定的所有面向，包括：

?所有調變頻寬：160 MHz、80 MHz、40 MHz 及 20 MHz

?所有調變編碼方案（Modulation Coding Schemes，MCS）與位元率：BPSK 到 256QAM

?所有通道頻率：2.4 GHz 與 5 GHz 頻帶

?MIMO 串流：X2 至 X8

圖 9）zProtocol? WLAN 測試軟體 GUI

範例自動化編碼提供有價值的參考示範自動化使用案例，並允許使用者以少許的附加程式設計或整合開始進行特性分析或設計驗證。本文件內所描述的所有特定 PA 測試都可取得，可從 ZTEC 儀器網站下載作為範例編碼。

結論

本文件探討新的 802.11ac WLAN 標準施加於功率放大器（power amplifiers，PA）的設計驗證、特性分析及測試需求。具有對802.11ac 限於大約 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範圍必要條件。本文件對 802.11ac 的 PA

測試界定出協助測試設備最佳化的許多技術，這些技術和 z8201 RF 測試套組與zProtocol? WLAN 軟體共同使用，對在 802.11ac WLAN 傳輸器設計內的操作，提供用於量化 PA 效能的完整解決方案。

參考文獻

[1] IEEE 802.11 標準，[線上] 可取得：https://www.360docs.net/doc/e712140764.html,/findstds/standard/802.11-2012.html

[2] E. Acar、S. Ozev 及 K. Redmond，「用於測試 WLAN 收發器的增強型誤差向量大小測量值（Enhanced Error Vector Magnitude （EVM） Measurements for Testing WLAN Transceivers）」，電腦輔助設計國際會議會議記錄（Proc. ICCAD），2006 年。

[3] C. D. Ziomek 與 M. T. Hunter，「擴展誤差向量大小測試的可使用範圍（Extending the Useable Range of Error Vector Magnitude Testing）」，[線上] 可取得：https://www.360docs.net/doc/e712140764.html,/zconnect/wp-content/uploads/2012/03/EVM_Optimization.pdf

[4] David Guo，「用於 IEEE 802.11n 應用的功率放大器與前端模組必要條件（Power Amplifier and Front End Module Requirements for IEEE 802.11n Applications）」，高頻電子（High Frequency Electronics），2011 年 9 月。

[5] Sang-Woong Yoon，「2.4 GHz 功率放大器的靜態與動態誤差向量大小表現（Static and Dynamic Error Vector Magnitude Behavior of 2.4 GHz Power Amplifier）」，微波理論與技術美國電機電子工程師學會會刊（IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques），2007 年 4 月。

[6] ZEC 儀器公司（ZEC Instruments），「Z8650 系列向量訊號分析器規格（Z8650 Series Vector Signal Analyzer Specifications）」，[線上] 可取得：https://www.360docs.net/doc/e712140764.html,/products/rf-test-equipment/series/Z8650/

[7] ZEC 儀器公司（ZEC Instruments），「Z8750 系列向量訊號產生器規格（Z8750 Series Vector Signal Generator Specifications）」，[線上] 可取得：https://www.360docs.net/doc/e712140764.html,/products/rf-test-equipment/series/Z8750/

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