最初的無線局域網絡標準，主要是用于對有線寬頻連接提供低數(shù)據(jù)傳輸率無線連接，以進行網頁瀏覽和電子郵件收發(fā)。隨著時間的演進，新的802.11無線協(xié)議可為新的應用提供更高的數(shù)據(jù)傳輸率。目前的802.11ac WLAN標準，可在單一射頻通道提供高達867Mbps的數(shù)據(jù)傳輸率，并在使用MIMO通道時高達6.93Gbps。由于采用了更即時的頻寬(提升至160MHz)、更多的MIMO通道(最多8個)，以及高密度調變的星座圖(高達256QAM)，將802.11n標準擴展成了如此高的802.11ac數(shù)據(jù)傳輸率。

功率放大器測試

功率放大器(PA)是WLAN發(fā)射器電路中的關鍵組件，因為PA性能會影響無線覆蓋范圍、數(shù)據(jù)傳輸率容量和電池壽命。任何發(fā)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(qū)時，PA性能由于PA非線性失真而可主導WLAN系統(tǒng)級的發(fā)射器性能。移動設備與無線熱點通常傳輸基于100mW(+20dBm)與1W(+30dBm)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特定的發(fā)射器驗證測試包括：

●頻譜遮罩(Spectrum Mask)

●頻譜平坦性

●峰值功率

●中心頻率誤差

●符號時鐘頻率誤差(Symbol Clock Frequency Error)

●中心頻率泄露(Center Frequency Leakage)

●誤差向量幅度(Error Vector Magnitude, EVM)

本文將進一步擴展EVM測試，該測試是全面且廣泛使用于PA測試的技術。EVM是一項用來量化數(shù)字通信信道的性能的測試，并提供捕獲到的編碼數(shù)據(jù)字符與I/Q星座圖內理想位置的誤差測量。均方根EVM是一項全面性的測量值，在RF信號或設備中的任何缺陷都會使其降低。因此，對WLAN發(fā)射器設計而言，PA在其輸出功率與信道頻率的完整操作范圍內，需要可接受的EVM作用。由于802.11ac包括具有2.5%(-32dB)EVM規(guī)格限制的256QAM群集，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802.11n中的PA EVM作用限制在大約3%，而802.11ac中的PA EVM作用則大約限制在1.5%。此外，新的256QAM信號調變具有更高的峰值均值比率(PAR)，也增加在802.11ac發(fā)射器設計內的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Z8201RF測試套件進行PA測試的典型測試設備架構圖。典型的設備清單包括：

●z8651 6GHz向量信號分析儀(Vector Signal Analyzer，VSA)，可選擇80或160MHz分析頻寬

●z8751 6GHz向量信號發(fā)生器(Vector Signal Generator，VSG)，可選擇250或500MHz調變頻寬

●z5211 200MS/s任意波形發(fā)生器

●可視需要選用Ladybug科技的LB480A USB功率計

●PXI/PXIe機箱與主機電腦

●電纜、定向耦合器和衰減器

由于PA輸入與輸出功率由VSG與VSA設定和測量，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件(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?？蓽蚀_至<0.5dB，而功率計能準確至<0.1dB。用于衰減器和使用功率計配置時用于定向耦合器的校正因數(shù)必須預先校正。

PA EVM

典型的 PA EVM測試，會通過許多測試頻率測量EVM相對于PA的輸出功率。圖2顯示了使用z8201RF測試套件進行典型PA EVM測試所測得的實際測量數(shù)據(jù)曲線。這些曲線顯示在輸入功率30dB范圍內，進行測試的全部五個80MHz 802.11ac信道頻率都適用于PA。實際的PA輸出功率使用功率計測得，并將這個數(shù)據(jù)作為圖2中曲線的水平軸坐標。在這項測試中，有5個信道頻率和30個功率的總計150個測試點。PXI/PIXe高度整合測試設備架構的一項優(yōu)勢是快速數(shù)據(jù)傳輸量和處理速度。在150種測試情況下，總測量時間與帶有像LAN或PGIB接口的其他測試設備相比可大幅減少。z8201RF測試套件與zProtocl WLAN軟件為802.11ac測試提供的設置和操作優(yōu)化的示例編碼，可以保證每個EVM測試都在20ms內完成。

探討圖2所顯示的實際PA測試數(shù)據(jù)時，可發(fā)現(xiàn)EVM在高速輸出功率時降低。隨著PA輸出功率增加到其增益壓縮區(qū)，非線性失真將會出現(xiàn)，并造成EVM增加。此項EVM功率掃描測試識別出PA的線性功率區(qū)，是WLAN發(fā)射器設計考量的關鍵因素。需要注意的是，為了實現(xiàn)對802.11ac低于1.5% EVM的臨界值，此特定PA可達到最大+10dBm線性輸出功率;雖然此PA是專為802.11n發(fā)射器所設計且工作良好，但對沒有諸如數(shù)字預失真的附加線性化技術的802.11ac發(fā)射器設計而言，其線性輸出功率會顯得不夠。

圖2：PA EVM與輸出功率對比。

動態(tài)EVM

對系統(tǒng)級WLAN發(fā)射器設計而言，電池壽命和功率消耗都是重要的考慮因素。因為總系統(tǒng)DC功率的很大一部分是PA發(fā)射所消耗的，因此采用多種技術以減少PA功率使用顯得很有必要。相對于DC功率消耗來說，許多PA提供可調整的DC供電電壓，以優(yōu)化最大的RF輸出功率，且大多數(shù)PA可在不使用時，斷電或停用，以節(jié)省功率，比如當接收時，或者在傳輸期間介于封包之間時。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顯示了示波器捕獲的在50%占空比的脈沖條件下，PA的PA使能(PA EN)相關時序與RF信號。注意在此測試設備內將PA EN脈沖與RF信號之間的可調整延遲設定為2.0?s。在PA EN與RF信號之間的時間間隔最小時，DC功率效益最高，但短延遲會加重RF信號的瞬時效應。

圖3：PA使能(黃色)與RF脈沖(藍色)的時域曲線。

由于PA的供電/斷電操作可造成暫態(tài)及熱效應而降低發(fā)射器性能，因此常常需要測量被稱為動態(tài)EVM的另一項指標。動態(tài)EVM通過方波脈沖施加于PA EN以模仿發(fā)射器的實際動態(tài)工作環(huán)境來進行測量。動態(tài)EVM的降低是由于PA的瞬態(tài)響應影響了封包的起始報頭，并造成了缺陷信道估算。經研究表明具有50%占空比方波的動態(tài)EVM比靜態(tài)EVM(具有100%占空比)更不適用于PA EN。

使用圖1所示的測試設備，通過使用PXI/PXIe系統(tǒng)，動態(tài)EVM測試是完全自動化的。使用PXI/PXIe底板觸發(fā)器和時鐘信號可實現(xiàn)動態(tài)EVM測量的全部時鐘同步化。圖1的塊圖顯示z5211任意波形發(fā)生器(AWG)，其產生具有可調整電壓大小、脈沖寬度、脈沖延遲和重復率的PA EN脈沖。實際的PA測試數(shù)據(jù)如圖4所示，在+18dBm輸出功率以下，動態(tài)EVM都比靜態(tài)EVM差。對于此特定PA，在+18dBm輸出功率以上，動態(tài)EVM比靜態(tài)EVM更佳。如之前所述，因為動態(tài)EVM可測量PA在實際脈沖工作模式下的PA性能，所以這種典型的PA動態(tài)EVM測量對發(fā)射器設計考量至關重要。

圖4：PA動態(tài)EVM與占空比。

數(shù)字預失真

在高輸出功率時，改善PA內的線性度是一項挑戰(zhàn)。數(shù)字預失真(DPD)是通過數(shù)字信號處理技術從本質上消除失真的一種技術。對組合式VSA/VSG測試系統(tǒng)而言，軟件工具可簡化和自動化DPD，比如z8201 RF測試套件。從本質上來說，軟件模型通過VSA來測量PA的非線性，并形成一個相反的運行狀態(tài)施加在VSG上。當完成DPD補償時，預失真的VSG RF信號施加于有效線性化PA輸出的PA。

一些802.11ac WLAN收發(fā)器芯片組采用DPD技術以提高PA線性度。為量化在具有DPD的電路中將會實現(xiàn)的提高，測試設備必須能在PA特性分析期間執(zhí)行DPD。與z8201RF測試套件和zProtocl WLAN軟件一起，ZEC儀器的DPD軟件工具和對應的示例代碼提供快速而簡易的方法，以評估PA或發(fā)射器設計的DPD。因為DPD算法要求VSG/VSA儀器捕獲多個相鄰信道，因此DPD應用要求像z8201RF測試套件這樣的寬測量帶寬。

圖5顯示了PA在其非線性區(qū)內工作時，DPD由于非線性失真造成的相鄰信道之上的泄漏的改善。同樣重要的是使用DPD能夠實現(xiàn)EVM提升(如圖6.所示)。這兩張圖都描繪出使用zProtocol WLAN與DPD軟件以z8201RF測試套件所得到的實際數(shù)據(jù)。

圖5：使用DPD降低PA相鄰信道泄漏。

圖6：使用DPD改善PA EVM。

測試設備

對802.11ac測試而言，測試設備的本底噪聲、相位噪聲、交越失真和帶內雜散信號都必須最小化，以避免降低所測得的PA EVM性能。圖7顯示了在所測得PA DUT EVM上的測試設備殘余EVM的影響。

圖7：在所測得DUT EVM上的測試設備殘余EVM的影響。

如前文所討論的，圖8的z8201RF測試套件是由具有高達160MHz測量頻寬的6GHz VSG/VSA組合所組成。除了寬測量頻寬外，z8201RF測試套件還提供802.11ac設備特性分析和測試所必要的低噪聲和失真。

圖8：z8201 PXI或PXIe RF測試套件。

zProtocol WLAN軟件工具包括圖9所顯示的直觀的圖形使用界面(GUI)，以及便于自動化的綜合性C/C++/LabVIEW軟件驅動程序。Z8201RF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(xié)議的所有方面，包括：

●所有調變頻寬：160 MHz、80 MHz、40 MHz和20 MHz

●所有調變編碼方案(Modulation Coding Schemes，MCS)和比特率：BPSK到256QAM

●所有信道頻率：2.4GHz和5GHz頻帶

●MIMO數(shù)據(jù)流：×2到×8

圖9：zProtocl WLAN測試軟件GUI。

結論

本文探討了新的802.11ac WLAN標準對于PA的設計驗證、特性分析和測試需求。由于802.11ac的PA EVM作用限制大約在1.5%左右，因此PA和RF測試設備需要更好的線性度和動態(tài)范圍。本文詳述了一些有助于優(yōu)化802.11ac中PA測試的技術，這些技術與z8201RF測試套件跟zProtocol WLAN軟件一起共同為802.11ac WLAN發(fā)射器設計內的量化PA性能提供了一個完整的解決方案。