5G毫米波和超宽带功率放大器EVM测试的挑战和解决方案

李峰

摘要：本文介绍了5G通信对测试提出的需求，并就是德科技的Signal Optimizer觅带测试平台进行了应用和实例分析。

关键词：5G；测试；Signal Optimizer

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2017.9.007

引言

目前5G已经成为整个无线通信行业的发展方向，5G将给无线通信带来革命性的飞跃。5G的主要应用场景是eMBB，即增强的移动宽带，核心目标是要实现超高速的数据传输，传输速率远远超出现在4G的水平，要达到lOGbps-lOOGbps，从而彻底解决现在移动通信的速率瓶颈问题。为了实现超高速数据传输的目标，5G需要采用全新的无线传输技术，由于频率资源和带宽问题，傳统无线通信所使用的6GHz以下的低频段无法达到这个目标，需要使用更高的频段，即毫米波频段，调制带宽会从现在的几十M跨越到500M，再到3GHz，而且还会使用新的物理层技术包括调制编码和多址接入，这也对无线通信设备的射频测试提出了更高的要求。

5G测试需求

为了更有力地推动5G毫米波技术试验和开发，工信部已经发布了关于5G频段的官方文件，其中毫米波频段包括24.75-27.5GHz和37-42.5GHz，而主流厂商所测试的信号调制带宽要求达到800MHz，这将大大加快5G毫米波技术在中国的发展进程。但是现在无线通信行业也面临着极大的挑战，由于缺乏用于基站和终端的能够支持毫米波和超宽带的射频器件，尤其是功率放大器PA，这使得国内5G毫米波技术大规模应用受到极大地限制。因此国内主要运营商、系统厂商以及半导体行业已经开始全力开发支持中国5G毫米波频段和800MHz带宽的PA产品。针对最先应用于基站的大功率PA需求，传统的CMOS工艺功率放大器无法提供足够高的输出功率，而砷化镓（GaAs）和氮化镓（GaN）工艺的功率放大器能够在毫米波频段支持更高的发射功率和更大的调制带宽，所以受到行业的青睐。

由于5G毫米波和超宽带功率放大器还处于起步阶段，为了验证和确保新型的功率放大器能够满足5G无线传输的要求，无论是器件厂商还是基站系统厂商都需要在调试和最终系统测试阶段对产品进行大量射频参数测试，主要包括两类，第一类是传统的针对PA自身的器件参数，包括输出功率、增益、噪声系数和S参数/X参数等；第二类是根据无线通信系统标准针对5G宽带调制信号所要求的矢量误差EVM和邻道泄漏比ACLR等。而后者对测试平台的功能和性能要求更高更复杂，不仅需要支持各种灵活定义的数字调制格式和5G候选波形，支持灵活的信号产生和复杂的矢量信号分析，而且对仪表在毫米波和超宽带条件下的精度和动态范围提出了很大的挑战，其中超宽带条件下的EVM测试就是目前的一个难点。

Signal Optimizer宽带测试平台

我们通过大量试验发现，针对5G毫米波和超宽带PA的EVM测试与传统的3G/4G有很大不同，主要原因是毫米波和超宽带条件对仪表和附件所构成的测试平台的要求大大提高，由测试平台所引入的失真和误差会严重影响最终的测试结果。图1是一个通过是德科技M8190A+E8267D矢量信号源产生的超宽带信号的例子。

是德科技于201 5年开始创建5G毫米波和超宽带无线通信的原型试验平台，基于SystemVue仿真软件进行了当时业界最早的超高速数据吞吐率试验，图1是这个原型机试验的实例，采用基于5G候选波形FBMC调制，通过是德科技M8190A+E8267D矢量信号源输出调制信号，载波频率为20GHz，调制带宽达到了4GHz，其物理层调制的数据传输速率达到了10-20Gbps。但是从图1的频谱曲线可以看出，整个4GHz范围不同频率成分的幅度有很大波动，远离中心频率的频率分离衰减增大，呈现明显的幅度不平坦，因为信号是由很多个子载波构成，这些幅度衰减的频率成分将使其所在的子载波的信噪比降低，导致EVM下降，虽然原型机平台可以依靠接收机信道均衡和纠错等措施仍然可以实现较高的吞吐率，但是如果用于PA或基站的射频测试，就会严重影响测试EVM的准确度图2是通过是德科技Signal Optimizer宽带测试平台测量宽度系统幅相特性的例子。

我们采用是德科技最新推出的Sig nal Optimizer平台可以非常方便地测量超宽带系统的幅度和相位特性，在图2的例子里面，载波频率是26GHz，SignalOptimizer软件产生接近1GHz带宽的Multitone信号，然后通过分析仪测量1GHz带宽内的幅度和相位变化，可以看到未经过宽度校正的系统在1GHz带宽内的幅度波动超过4dB，相位群时延波动超过2ns，信号EVM是比较差的。

所以针对5G毫米波和超宽带PA射频测试中非常关键的一点就是测试平台本身必须具备宽带校正以确保在测试PA之前仪表和所有附件所引入的失真和误差达到最小。目前测试仪表采用的宽带校正方法主要有两种：

第一种方法是内置校正数据，即在出厂前已经对仪表自身的宽带失真进行测量并且将校正数据存储在仪表里面，在测试时仪表根据频率和带宽自动应用校正数据，无需额外的校正操作即可进行测试。这种方法的优点是操作简单，缺点是校正数据只应用到仪表的测试端口，而不是被测件DUT的输入或输出端口，测试中使用的外部附件或射频器件模块都没有覆盖，其他现场环境条件或工作条件也可能影响仪表达到最佳的EVM特性。

第二种方法是外部校正，这种方法需要使用校准器在现场对仪表进行宽度校正，实时产生校正数据补偿到仪表中，使仪表的EVM达到最优。这种方法其实是非常类似射频器件测试常用的矢量网络分析仪的系统校准操作，具有非常突出的优点，可以对信号源和分析仪以及外部器件进行独立的校正，校正数据即可以应用到仪表测试端口，也可以包含测试中使用的外部附件或射频器件模块一起校正，校正数据可以应用到被测件的输入或输出端口，而且现场的各种环境和工作条件产生的影响也会被包括在校正操作中，所以目前应用这种方式总是能在现场实现仪表最佳的EVM特性：这种方法的缺点是需要现场操作宽带校正。endprint

测试案例分析

下面我们举一个实际测试中遇到的案例。在测试大功率PA时经常遇到的一个问题就是驱动放大，由于大功率PA往往需要较高的Pin，而毫米波矢量信号源的最佳线性输出电平通常低于要求，所以往往需要在被测PA输入端加一个驱动放大器，图3是一个实际测试连接框图。

我们在测试中发现，实际上除了用于5G宽带信号产生和分析的信号源和分析仪外，驱动放大器自身也给测试带来很大影响。虽然一般采用的驱动放大器都是宽带线性放大器，只要设置合适的输入和输出功率区间，放大器工作在线性区，非线性失真很小，但是我们不要忽视其仍然存在线性失真，驱动放大器本身的幅频响应和相频响应波动仍然对EVM产生较大的影响。实际测试中发现，在26GHz-29GHz频率范围，800MHz调制带宽条件下，信号源本身输出信号的EVM已经校正到0.8%，但是经过驱动放大器之后，EVM会恶化到最大3%-4%，这不仅导致最终被测PA输出信号的EVM很高，而且甚至超过了厂家对系统级EVM的要求。所以这次测试采用了图4所示是德科技Signal Optimizer平台的外部校正方法。

首先通过校准器对信号分析仪进行宽带校正，然后信号分析仪应用补偿校正数据后，再使用信号分析仪进行源的校正，但是这个源校正是将信号源与驱动放大器连接起来一起校正，使信号源加驱动放大器的整体EVM达到1%左右，这样再连接被测PA进行EVM测试，就获得了比较理想的结果，因为这时驱动放大器的线性失真不会对测试产生影响。

在毫米波超宽带PA測试中，除了前面提到的驱动放大器的例子，还发现测试附件等也都会产生影响，比如毫米波频段使用的线缆和接头，相对于6GHz以下的低频段，一般存在更大的线性失真和不平坦性，如果是仪表内置校正方式，也很难应对，但是现场外部校正方式就可以把它们包含在校正数据里面，去除这些部分的影响。

是德科技5G测试平台集合了高性能硬件平台，M8190A不0E8267D组成毫米波超宽带矢量信号源，M8190A是新一代AXle模块化超宽带任意波形发生器，每个通道5GHz带宽，14bit DAC输出，具备很好的动态范围；M8190A的2个通道输出连接到E8267D，E8267D是经典的微波矢量信号源，最高频率到44GHz，通过毫米波混频扩展也可以支持如110GHz的更高频率范围，E8267D的宽带IQ调制可以支持2-4GHz调制带宽。N9040B/N9041 B UXA是是德科技最新的超宽带X系列信号分析仪，支持最高到110GHz的连续扫描频率范围，内置1GHz分析带宽，IF输出支持最高5GHz分析带宽，可以支持各种5G信号的解调和分析，以及各种针对5G信号的射频参数测试，比如功率，ACP，SEM和杂散等。

Signal Optimizer软件平台是一个集合5G信号产生和分析，以及超宽带系统校正于一体的综合测试平台，支持各种5G候选波形和自定义OFDM等灵活调制信号，并且采用U9391 C/F/G系列校准器实现业界独特的外部宽度校正，由于U9391是可溯源至NIST的计量级校准器，因此SignalOptimizer可以实现目前业界最佳的宽带校正EVM特性。endprint