最初的無線區(qū)域網(wǎng)路（WLAN）標(biāo)準(zhǔn)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(wǎng)頁與電子郵件。隨著時間的演進(jìn)，采用新的802.11無線協(xié)定為新應(yīng)用提供了更高資料傳輸率。表1顯示802.11 WLAN標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)展。

　　表1：802.11 WLAN協(xié)定進(jìn)展

　　仍 在草案形式的最新802.11ac WLAN標(biāo)準(zhǔn)將在單一射頻（RF）通道提供高達(dá)867Mbps的資料傳輸率，并在使用多重輸入多重輸出（MIMO）通道時達(dá)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(diào)變的星座圖（達(dá)到256QAM），可將802.11n標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)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(shè)計(jì)驗(yàn)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(fā)射器電路中的關(guān)鍵組件，因?yàn)镻A性能會影響無線覆蓋、資料傳輸率容量及電池壽命。任何發(fā)射器PA的目標(biāo)都是盡可能 使用很少的DC功率以產(chǎn)生足夠的線性RF輸出功率。當(dāng)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(dǎo)WLAN系統(tǒng)級的發(fā)射器性 能。行動設(shè)備與無線接取點(diǎn)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(chǎn)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(fā)射器兼容性測試適用于進(jìn)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(jìn)一步探討EVM測試——這是一項(xiàng)全面性且廣泛使用于PA測試的技術(shù)。EVM是用于量化數(shù)位通訊通道性能的測量值，并從其于 I/Q星座圖內(nèi)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(shè)備中的任何缺陷都會使其降低。因此對 WLAN發(fā)射器設(shè)計(jì)而言，PA在其輸出功率與通道頻率的完整作業(yè)范圍內(nèi)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，故PA線性度和對應(yīng)的EVM作用必要條件比早期的802.11標(biāo)準(zhǔn)更嚴(yán)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(diào)變具有更高的峰值均值比率（PAR），也增加在 802.11ac傳輸器設(shè)計(jì)內(nèi)的PA其所必要的線性輸出功率。

　　圖1：用于PA測試的測試設(shè)備架構(gòu)圖

　　圖 1顯示使用ZEC儀器z8201 RF測試套件進(jìn)行PA測試的一般測試設(shè)備架構(gòu)圖。一般的設(shè)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(chǎn)生器（VSG）（可選擇250或500MHz）調(diào)變頻寬、z5211 200MS/s任意波形產(chǎn)生器、可視需要選用瓢蟲科技（Ladybug Technologies） LB480A USB功率計(jì)、PXI/PXIe機(jī)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(shè)定及測量，因此可 視需要選用USB功率計(jì)與相關(guān)定向耦合器。功率計(jì)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?？蓽?zhǔn) 確至《 0.5dB，而功率計(jì)能準(zhǔn)確至《0.1 dB。必須預(yù)先校正用于衰減器以及使用功率計(jì)配置時用于定向耦合器的校正因子。

　　PA EVM

　　一 般對于PA的EVM測試會藉由許多測試頻率測量EVM相對于PA的輸出功率。圖2顯示使用z8201 RF測試套件進(jìn)行一般PA EVM測試實(shí)際所測得的資料曲線。這些曲線顯示在輸入功率30dB范圍內(nèi)，進(jìn)行測試的全部五個80MHz 802.11ac通道頻率都適用于PA。實(shí)際的PA輸出功率使用功率計(jì)測得，并提供資料給圖2曲線的水平軸。

　　在這項(xiàng)測試中，在全部150個 測試點(diǎn)中有5個通道頻率和30個功率。PXI/PXIe高度整合測試設(shè)備架構(gòu)的一項(xiàng)優(yōu)勢是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接口的其他測試設(shè)備相較可大幅減少。對z8201 RF測試套件與zProtocol WLAN軟件而言，提供范例編碼將802.11ac測試的設(shè)置及作業(yè)優(yōu)化，以達(dá)到每個EVM測量值皆為快速的20ms。

　　探討圖2所顯示的實(shí) 際PA測試資料時，可發(fā)現(xiàn)EVM在高輸出功率時降低。隨著PA輸出功率增加到其增益壓縮區(qū)，出現(xiàn)非線性失真并造成EVM增加。此項(xiàng)EVM功率掃描測試辨識 出PA的線性功率區(qū)，這對WLAN發(fā)射器的設(shè)計(jì)考慮是關(guān)鍵因素。此外，為了達(dá)成對802.11ac低于1.5% EVM的臨界值，此特定PA可達(dá)成最大+10dBm線性輸出功率；雖然此PA是專為802.11n發(fā)射器所設(shè)計(jì)且運(yùn)作良好，但對沒有諸如數(shù)位預(yù)失真等附加 線性化技術(shù)的802.11ac 發(fā)射器設(shè)計(jì)而言，其線性輸出功率為不足。

　　圖2：PA EVM與輸出功率比較

　　動態(tài)EVM

　　對 系統(tǒng)級WLAN發(fā)射器設(shè)計(jì)而言，電池壽命和功率消耗都是重要考慮。由于PA發(fā)射會消耗顯著部份的總系統(tǒng)DC功率，因此必須透過一些技術(shù)來減少PA功率使 用。許多PA提供可調(diào)整的DC供應(yīng)電壓，相對于DC功率消耗優(yōu)化最大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，諸如進(jìn)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(guān)閉切換時間。圖3顯示在具有50%工作周期的脈沖作業(yè)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(shè)置內(nèi)將PA EN脈沖與RF訊號之間的可調(diào)整延遲設(shè)定為2.0us。在PA EN與RF訊號之間的時間差量最小時出現(xiàn)最高的DC功率效益，但短延遲可對RF訊號加重暫態(tài)效應(yīng)。

　　圖3：PA致能（黃色）與RF脈沖（藍(lán)色）的時域曲線圖

　　由 于PA的供電/斷電作業(yè)可能造成暫態(tài)及熱效應(yīng)而降低發(fā)射器性能，因此通常測試另一種稱為動態(tài)EVM的度量。動態(tài)EVM以施加于PA EN模擬發(fā)射器的實(shí)際動態(tài)作業(yè)方波進(jìn)行測量。動態(tài)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(jì)的PA暫態(tài)向應(yīng)。研究顯示具有50%工 作周期方波的動態(tài)EVM比靜態(tài)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(shè)備，動態(tài)EVM 測試是以PXI/PXIe系統(tǒng)而完全自動化。使用PXI/PXIe底板觸發(fā)器與時脈訊號達(dá)成動態(tài)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(chǎn)生器（AWG），其產(chǎn)生具有可調(diào)整電壓大小、脈沖寬度、脈沖延遲以及重復(fù)率的PA EN脈沖。

　　圖4實(shí)際的PA測試資料顯示動態(tài) EVM直到+18dBm輸出功率都比靜態(tài)EVM還差。對于此特定PA，動態(tài)EVM在+18dBm輸出功率以上比靜態(tài)EVM更佳。如之前所注意，由于動態(tài) EVM測量PA在實(shí)際脈沖作業(yè)模式下使用時的性能，因此這種型式的PA動態(tài)EVM測量值對發(fā)射器設(shè)計(jì)考慮至關(guān)重要。

　　圖4：PA動態(tài)EVM與工作周期比較

　　數(shù)位預(yù)失真

　　以 高輸出功率改善PA線性度是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。數(shù)位預(yù)失真（DPD）是用于藉著數(shù)位訊號處理技術(shù)基本上去除失真的一種技術(shù)。對諸如z8201 RF測試套件的組合式VSA/VSG測試系統(tǒng)而言，軟件工具可簡化及自動化DPD?；旧希浖Ｐ陀糜谝訴SA測量PA的非線性度，并形成適用于VSG 的反向作業(yè)；在完成DPD補(bǔ)償時，預(yù)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(fā)器芯片組采用DPD技術(shù)改善PA線性度。為了量化在具有DPD的電路中可實(shí)現(xiàn)的改善程度，測試設(shè)備必須能在PA特性分析期間進(jìn)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(yīng)的范例編碼還提供迅速又簡易的方法，以評估PA或發(fā)射器設(shè)計(jì)DPD。由于DPD算法要求VSG/VSA 儀器擷取多個相鄰?fù)ǖ?，因此DPD應(yīng)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(qū)內(nèi)作業(yè)時，DPD在源于非線性失真的相鄰?fù)ǖ佬孤ˋCL）所具有的改進(jìn)；同樣重要的是如圖6所顯示可以DPD達(dá)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(shí)際資料。

　　圖5：以DPD降低PA相鄰?fù)ǖ佬孤?/p>

　　圖6：以DPD 改良PA EVM

　　測試設(shè)備

　　對802.11ac測試而言，測試設(shè)備的雜訊層、相位雜訊、互調(diào)失真及頻內(nèi)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(shè)備殘余EVM效應(yīng)。

　　圖7：在所測得DUT EVM上的測試設(shè)備殘余EVM效應(yīng)

　　圖 8顯示z8201 RF測試套件是由具有高達(dá)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(shè)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(dǎo)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(dá)成低至0.2% 的殘余EVM 底，而對160 MHz 802.11ac 達(dá)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(qū)動程序。z8201 RF測試套件結(jié)合zProtocol WLAN軟件，對802.11測試提供完整的解決方案，涵蓋WLAN協(xié)定的所有方面，包括：

　　所有調(diào)變頻寬：160MHz、80MHz、40MHz及20MHz

　　所有調(diào)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(shè)計(jì)或整合開始進(jìn)行特性分析或設(shè)計(jì)驗(yàn)證。本文中描述的所有特定PA測試都可取得，可從ZTEC儀器網(wǎng)站下載作為范例編碼。

　　結(jié)語

　　本文探討新的802.11ac WLAN標(biāo)準(zhǔn)施加于功率放大器（PA）的設(shè)計(jì)驗(yàn)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(shè)備需要更高的線性度及動態(tài)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(shè)備優(yōu)化的諸多技術(shù)，這些技術(shù) 與z8201 RF測試套件、zProtocol WLAN軟件共同使用，為802.11ac WLAN發(fā)射器設(shè)計(jì)作業(yè)提供用于量化PA性能的完整解決方案。