關于寬帶功放數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的數字預失真測試方案，這套儀表可以直接產生和分析帶寬高達2GHz的信號，適用于寬帶數字預失真測試。

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字預失真測試，提出了對應的測試方案。

2. 寬帶功放數字預失真測試方案

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線進行通信，可以輕松實現對功放數字預失真的閉環(huán)測試，且可以實現多次迭代測試。這套方案可以對功放數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，信號經過功放被放大之后產生失真并輸出，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也會通過網線將原始IQ數據直接發(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利用網線直接將AM/AM查找表和AM/PM查找表更新至SMW200A內部，SMW200A利用得到的查找表產生帶有數字預失真的信號，經過被測件之后，再由FSW進行測試。

圖3 SMW200A和FSW數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，它沒有采用任何數字預失真模型，而是在FSW內部采用對信號時域采樣點進行逐點直接補償的方式來實現實現數字預失真，執(zhí)行完數字預失真補償之后的數據會被通過網線傳回給SMW200A并再次發(fā)射出來，信號經過被測功放產生失真之后，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，且可以實現多次迭代進而一步步實現數字預失真優(yōu)化。該方法由于不依賴于現有的預失真模型，所以也無法輸出數字預失真模型參數，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”數字預失真的逐點補償及迭代示意圖見圖4。

圖4 “直接”數字預失真方法的逐點補償及迭代示意圖

不管是“直接”數字預失真，還是基于模型的數字預失真，FSW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”數字預失真的方式得到的測試結果，其中圖5a是數字預失真之前的測量結果，圖5b是經過一次數字預失真后得到的測量結果，圖5c是經過第二次數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）隨著數字預失真迭代次數的增加線性區(qū)逐漸向高功率區(qū)域延伸，EVM曲線（EVM vs Input Power）也隨著迭代系數增加在高功率下實現了EVM優(yōu)化，AM/PM曲線（Phase Deviation vs Input Power）也隨著迭代系數增加變得線性度更好。

圖5a 數字預失真之前的功放測量結果

圖5b 經過一次數字預失真運算后的功放測量結果

圖5c 經過兩次迭代數字預失真運算后的功放測量結果

2.3 R&S數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字預失真測試測試平臺，可以支持不同的數字預失真模型（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，FSW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，信號源內置寬帶信號質量優(yōu)化模式，這樣就保證了信號源產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，內置2GHz分析帶寬，且FSW內置的放大器測量選件可以直接通過網線對信號源SMW200A實現遠程控制，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參數文件（SnP文件）導入到信號源和頻譜儀里面，儀表會在數字域對外部附件的頻響進行實時修正，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，則可以提前利用網絡分析儀，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頻率內支持產生2GHz帶寬的信號，FSW單臺儀表則可以在90GHz之內對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字預失真測試。