關于寬帶功放數(shù)字預失真測試方案的分析和應用

隨著通信業(yè)界對5G設備研究項目的開展，針對5G功放的寬帶數(shù)字預失真的測試需求逐漸增多，對此羅德與施瓦茨公司（下文簡稱R&S）提出了基于信號源SMW200A和頻譜儀FSW的數(shù)字預失真測試方案，這套儀表可以直接產(chǎn)生和分析帶寬高達2GHz的信號，適用于寬帶數(shù)字預失真測試。

1. 引言

目前5G研究項目逐漸變?yōu)橥ㄐ艠I(yè)界的熱點，與4G LTE信號相比，5G信號的載頻除了6GHz以下的頻段之外還增加了毫米波頻段，而5G信號的單載波信號帶寬也由4G時代的20MHz擴展到100MHz甚至400MHz。

針對5G信號帶來的變化，射頻器件廠商紛紛提出能夠與5G設備相對應的各種射頻器件。在各種射頻器件中，功放器件的復雜度較高，而且作為有源器件，其射頻測試方案與其它器件相比也更為復雜，尤其功放的數(shù)字預失真測試是功放性能評估的一個重點項目。對此羅德與施瓦茨公司針對功放的寬帶數(shù)字預失真測試，提出了對應的測試方案。

2. 寬帶功放數(shù)字預失真測試方案

2.1 功放預失真測試系統(tǒng)搭建及測試流程簡介

針對放大器測試，R&S除了可以提供傳統(tǒng)的測試工具網(wǎng)絡分析儀之外，還可以提供基于信號源SMW200A和頻譜儀FSW的測試方案。利用該方案，信號源和頻譜儀可以通過網(wǎng)線進行通信，可以輕松實現(xiàn)對功放數(shù)字預失真的閉環(huán)測試，且可以實現(xiàn)多次迭代測試。這套方案可以對功放數(shù)字預失真前后的各種重要指標如AM/AM、AM/PM、誤差矢量幅度（EVM）、鄰道泄漏比（ACLR）、1dB壓縮點、增益等進行同時測試。儀表連接示意圖見圖1。

圖1 功放測試儀表連接示意圖

針對數(shù)字預失真測試，信號源SMW200A通過射頻輸出口提供激勵信號，信號經(jīng)過功放被放大之后產(chǎn)生失真并輸出，失真后的信號被頻譜儀FSW所接收，該信號被稱為“測量”信號；同時SMW200A也會通過網(wǎng)線將原始IQ數(shù)據(jù)直接發(fā)送給FSW，這個信號稱之為“參考”信號。頻譜儀的功放測量選件FSW-k18會把“測量”信號和“參考”信號做同步運算，得到兩者之間的差異，從而得到信號EVM等指標。系統(tǒng)流程示意圖見圖2。

圖2 系統(tǒng)流程示意圖

2.2 功放預失真測試系統(tǒng)功能簡介

利用SMW200A和FSW組成的數(shù)字預失真測試系統(tǒng)，可以支持目前主流的查找表模型以及多項式模型等，如圖3所示，就是FSW利用網(wǎng)線直接將AM/AM查找表和AM/PM查找表更新至SMW200A內(nèi)部，SMW200A利用得到的查找表產(chǎn)生帶有數(shù)字預失真的信號，經(jīng)過被測件之后，再由FSW進行測試。

圖3 SMW200A和FSW數(shù)字預失真測試配置界面

除了常規(guī)的查找表以及多項式模型之外，R&S頻譜儀FSW還提供一種獨特的“直接”數(shù)字預失真（Direct DPD）測試方法。該測試方法不同于常規(guī)的方法，它沒有采用任何數(shù)字預失真模型，而是在FSW內(nèi)部采用對信號時域采樣點進行逐點直接補償?shù)姆绞絹韺崿F(xiàn)實現(xiàn)數(shù)字預失真，執(zhí)行完數(shù)字預失真補償之后的數(shù)據(jù)會被通過網(wǎng)線傳回給SMW200A并再次發(fā)射出來，信號經(jīng)過被測功放產(chǎn)生失真之后，再次由FSW捕獲后進行逐點直接補償，該流程可被重復多次。簡而言之，這種“直接”數(shù)字預失真的測試方法就是不依賴于模型，而是對每個采樣點直接補償，且可以實現(xiàn)多次迭代進而一步步實現(xiàn)數(shù)字預失真優(yōu)化。該方法由于不依賴于現(xiàn)有的預失真模型，所以也無法輸出數(shù)字預失真模型參數(shù)，但是可以讓用戶通過最簡單快捷的方式了解被測功放的“理想”預失真效果，而且該方法支持記憶效應和頻響修正功能。這種“直接”數(shù)字預失真的逐點補償及迭代示意圖見圖4。

圖4 “直接”數(shù)字預失真方法的逐點補償及迭代示意圖

不管是“直接”數(shù)字預失真，還是基于模型的數(shù)字預失真，F(xiàn)SW都可以給出AM/AM、AM/PM、誤差失量幅度（EVM）、鄰道泄漏比（ACLR）等多項指標。圖5三張圖是采用“直接”數(shù)字預失真的方式得到的測試結果，其中圖5a是數(shù)字預失真之前的測量結果，圖5b是經(jīng)過一次數(shù)字預失真后得到的測量結果，圖5c是經(jīng)過第二次數(shù)字預失真迭代之后得到的測量結果。從圖5三張圖的變化趨勢可以看到誤差矢量幅度（Raw EVM）從4%至0.9%再至0.7%持續(xù)優(yōu)化，鄰道泄漏比（ACLR）則從-35dBc優(yōu)化至-47dBc再至-50dBc，從測試曲線圖上來看，增益壓縮曲線（Gain Compression vs Input Power）隨著數(shù)字預失真迭代次數(shù)的增加線性區(qū)逐漸向高功率區(qū)域延伸，EVM曲線（EVM vs Input Power）也隨著迭代系數(shù)增加在高功率下實現(xiàn)了EVM優(yōu)化，AM/PM曲線（Phase Deviation vs Input Power）也隨著迭代系數(shù)增加變得線性度更好。

圖5a 數(shù)字預失真之前的功放測量結果

圖5b 經(jīng)過一次數(shù)字預失真運算后的功放測量結果

圖5c 經(jīng)過兩次迭代數(shù)字預失真運算后的功放測量結果

2.3 R&S數(shù)字預失真測試儀表性能

該測試方案主要由信號源SMW200A和頻譜儀FSW組成，可以幫助客戶快速的搭建一套放大器數(shù)字預失真測試測試平臺，可以支持不同的數(shù)字預失真模型（查找表，多項式），還可以支持R&S獨有的“直接”數(shù)字預失真測試方法，幫助用戶快速確認放大器的“理想”預失真效果。此外，針對放大器測試，F(xiàn)SW配合SMW200A還支持包絡跟蹤放大器測試，進一步擴展了這套方案的適用范圍。

該方案中采用的信號源SMW200A單臺儀表載頻可以支持到40GHz，信號帶寬支持2GHz，信號源內(nèi)置寬帶信號質(zhì)量優(yōu)化模式，這樣就保證了信號源產(chǎn)生的寬帶信號平坦度，圖6中可以看到SMW200A輸出的2GHz寬帶多音信號，利用頻譜儀FSW測到的2GHz之內(nèi)的幅度平坦度約為0.4dB，這就保證了功放的輸入信號的信號質(zhì)量。

圖6 SMW200A 2GHz寬帶多音信號幅度平坦度測試圖

該方案中采用的頻譜儀FSW單臺儀表載頻可以支持到90GHz，內(nèi)置2GHz分析帶寬，且FSW內(nèi)置的放大器測量選件可以直接通過網(wǎng)線對信號源SMW200A實現(xiàn)遠程控制，進一步簡化了測試的復雜度。這樣的話，SMW200A+FSW這種測試方案就可以支持2GHz帶寬，保證了用戶可以對寬帶高頻放大器進行測試，按照數(shù)字預失真采樣帶寬為信號帶寬5倍的慣例，該方案可以支持對帶寬為400MHz的信號進行理想的數(shù)字預失真測試。

有了理想的測試設備之后，還要考慮在放大器測試系統(tǒng)中，還可能包含射頻線纜、預放、衰減器、濾波器等各種附件，這些附件本身的幅度頻響和相位頻響也會影響放大器的測試。針對這種場景，R&S的信號源SMW200A和頻譜儀FSW都提供對應的k544選件，該選件允許用戶將外部附件的S參數(shù)文件（SnP文件）導入到信號源和頻譜儀里面，儀表會在數(shù)字域?qū)ν獠扛郊念l響進行實時修正，從而大大減少外部附件自身頻響對放大器測試的影響，示意圖見圖7。至于外部附件的S參數(shù)，則可以提前利用網(wǎng)絡分析儀，功率計，頻譜儀等設備測量得到。

圖7 信號源和頻譜儀外部頻響實時修正方法示意圖

3. 小結

本文針對數(shù)字預失真測試，介紹了基于R&S公司信號源SMW200A和頻譜儀FSW的測試方案，該測試方案可以支持查找表、多項式等模式，同時還支持特有的“直接”數(shù)字預失真測試方案，讓客戶能夠簡單方便的得到放大器的“理想的”預失真效果。最后對測試儀表進行了簡單的性能介紹，SMW200A單臺儀表即可在40GHz頻率內(nèi)支持產(chǎn)生2GHz帶寬的信號，F(xiàn)SW單臺儀表則可以在90GHz之內(nèi)對2GHz信號進行分析，這兩臺儀表的寬帶特性非常適合用于寬帶數(shù)字預失真測試。