運用RF PA/FEM分析參考方案　射頻測試飆出效率

效率/複雜度難兩全　RF PA測試面臨巨大挑戰

功率放大器是無線通訊系統中非常重要的元件，但他們本身是非線性的，因而會導致頻譜增生現象而干擾到鄰近通道，而且可能違反法令強制規定的頻外(Out-of-Band)放射標準。這個特性甚至會造成頻內失真，使得通訊系統的誤碼率(BER)增加、資料傳輸速率降低。

在高均峰功率比(PAPR)下，新的正交分頻多工(OFDM)傳輸格式會有更多偶發的峰值功率，使得PA不易被分割。這將降低頻譜遮罩相符性，並擴大整個波形的評估模組(EVM)及增加BER。為了解決這個問題，設計工程師通常會刻意降低PA的操作功率。很可惜的，這是非常沒有效率的方法，因為PA降低10%的操作功率，會損失掉90%的DC功率。

現今大部分的RF PA皆支援多種模式、頻率範圍及調變格式，使得測試項目變得更多。動輒數以千計的測試項目已不足為奇。峰值因數縮減(CFR)、數位預失真(DPD)及封包追蹤(ET)等新技術的運用，有助於將PA效能及功率效率最佳化，但這些技術只會使得測試更加複雜，而且大幅延長設計及測試時間。增加了RF PA的頻寬，將導致DPD量測所需的頻寬增加5倍(可能超過1GHz)，造成測試複雜性進一步升高。

依趨勢來看，為了增加效率，RF PA元件及前端模組(FEM)將更緊密整合，而單一FEM則將支援更廣泛的頻段及調變格式。將封包追蹤電源供應器或調變器整合入FEM，可有效地減少行動裝置內部的整體空間需求。為了支援更大的操作頻率範圍而大量增加濾波器/雙工器插槽，又會使得行動裝置的複雜度和測試項目的數量節節攀升。

新型量測加速器結合參考方案　加速測試流程開發執行

透過測試儀器廠商與客戶之間的通力合作，近期業界一個RF PA工程團隊共同解決了最棘手的測試問題，並促成了RF PA/FEM參考解決方案的誕生。目前已有廠商研發參考解決方案，如是德科技(Keysight)結合了該公司及外部供應來源的硬體與軟體，以及可支援最佳RF PA和FEM特性分析與測試的開放原始碼軟體。

該參考解決方案的重要硬體元件如圖1所示，其中包含PXI向量網路分析儀、向量訊號產生器及向量訊號分析儀，可加快測試速度並提高效能。工程師可選擇使用Signal Studio預裝的波形，或是在Signal Studio中加入使用者自訂的I/Q波形。該參考解決方案可以讓訊號源與任意波形產生器維持緊密的同步，以實現 RF與訊號封包追蹤訊號的同步。

圖1 參考解決方案架構圖

早期提升速度的方法是在訊號源與接收器元件上運用現場可編程閘陣列(FPGA)技術，以縮短伺服迴路從待測物(DUT)上獲致必要輸出功率所需的時間。功率伺服是一種非確定性的條列模式，通常最快的測試步驟執行方法，無法根據輸入RF位準來修正輸出功率。是德科技在PXIe向量訊號產生器中設計了一款快速基頻 調整機制，可透過程式反覆執行，直到獲致正確的輸出功率，整個過程通常僅需不到200μs的時間。

接著該公司也在M9391A PXIe向量訊號分析儀內部署了快速傅立葉轉換(FFT)資料擷取模式。運用FFT模式，VSA內部的FPGA可運用擷取到的資料產生FFT，以便量測伺服迴路所需的訊號功率，再利用相同的擷取資料進行鄰近通道功率比(ACPR)量測。

是德科技近期推出速度更快的M9451A PXIe量測加速器。M9451A是基於FPGA的PXIe模組，如果用於RF PA及FEM參考解決方案，可將開放和閉合迴路DPD及ET量測時間縮短到幾十毫秒，比使用軟體執行的量測快了100倍。加強版的參考解決方案可進一步提高量測速度，同時還可執行準確的S參數、諧波失真、功率及解調變量測。

利用快速的Altera Stratix V FPGA和專為DPD及ET設計的處理閘道器，再搭配參考解決方案配置的PXIe向量訊號分析儀及PXIe向量訊號產生器內的快速點對點資料往返傳輸功能，M9451A PXIe量測加速器就可以達到測試者想要的速度。硬體加速ET波形與DPD波形是一併產生的，PXI背板讓任意波形產生器(AWG)能夠支援類似的快速資料傳輸要求。

圖2的標示底色的方塊清楚呈現M9451A PXIe量測加速的DPD及ET功能。圓柱體代表M9451A記憶體中的IQ資料分布區塊，長方形則代表加速器使用的演算法。測試軟體可控制將每個資料圓柱體的處理資料，傳送到每個每個長方形演算法運用的應用程式介面(API)方法。點對點(P2P)PCI Express技術可進一步提高M9451A記憶體和M9381A PXIe向量訊號產生器(VSG)硬體之間的資料傳輸速度。

圖2 Keysight M9451A PXIe量測加速器方塊圖

首先，將一個沒有預失真的理想參考波形載入M9381A PXIe VSG ARB記憶體，然後以P2P方式傳送到M9451A。在模組萃取演算法計算出一個查找表(LUT)或相關係數後，預失真器會在PA In圓柱體內產生一個預失真波形。預失真波形資料將透過PCI直接傳送到VSG ARB記憶體。接著，同樣使用PCI Express的P2P技術，將量測資料從M9391A或M9393A PXIe向量訊號分析儀傳送到M9451A硬體。

為了簡化測試軟體的移植，量測加速器採用Keysight Signal Studio的API。舉例而言，在不論是在開放或閉合迴路模式下運作，量測加速器都支援相同的查找表及記憶體排序多項式DPD方法。

如此一來，在不犧牲測試準確度及可重測度的前提下，加速了測試的速度。這個參考解決方案同時提供有測試程式範例，讓工程團隊能以最短時間、最佳重測度來執行功率量測。

PXIe向量無線收發器　加快製造測試速度

Keysight M9420A VXT PXIe向量收發器可將PA製造測試速度提高一倍，無需使用額外的測試設備。PXI機箱可容納多達4個4插槽VXT，也可以使用一個DIO卡和單槽VNA模組來客製系統。為了縮短測試系統開發時間及第一次試機時間，可同時搭配使用VXT與PA參考解決方案。內建的伺服例行程序可以準確地決定PA的最終輸出功率以便控制PA失真，並且準確地決定裝置是否已經可以出廠。

傳統的功率測試方法會牽涉到透過軟體執行的掃描或I/Q擷取。雖然處理器功能可提升軟體處理速度，近來工程師更喜歡使用基於FPGA的量測來加快完成測試，速度比現今的處理器快很多。VXT結合高速PXI尺寸及FPGA的即時FFT運算，整體節省的測試時間如表1所示。

綜上所述，通訊系統架構師、RF PA設計工程師及測試工程師在不斷嘗試增加PA的效率時，不妨參考Keysight RF PA/FEM參考解決方案提供的測試及分析技巧。該解決方案結合了是德科技量測硬體與業界優質的軟體。除了提供可滿足ET及DPD技術特殊需求之測試方法外，經業界認證的參考解決方案將加速測試系統開發，並且增進從設計到製造的測試速度。如與新的Keysight M9451A PXIe量測加速器搭配使用，將可望在嚴格的封包追蹤、數位預失真量測上，取得超越以往的效能。

(本文作者為是德科技軟體產品經理)