關(guān)于寬帶功放數(shù)字預(yù)失真測(cè)試方案的分析和應(yīng)用

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

1. 引言

目前5G研究項(xiàng)目逐漸變?yōu)橥ㄐ艠I(yè)界的熱點(diǎn)，與4G LTE信號(hào)相比，5G信號(hào)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(hào)的單載波信號(hào)帶寬也由4G時(shí)代的20MHz擴(kuò)展到100MHz甚至400MHz。

針對(duì)5G信號(hào)帶來的變化，射頻器件廠商紛紛提出能夠與5G設(shè)備相對(duì)應(yīng)的各種射頻器件。在各種射頻器件中，功放器件的復(fù)雜度較高，而且作為有源器件，其射頻測(cè)試方案與其它器件相比也更為復(fù)雜，尤其功放的數(shù)字預(yù)失真測(cè)試是功放性能評(píng)估的一個(gè)重點(diǎn)項(xiàng)目。對(duì)此羅德與施瓦茨公司針對(duì)功放的寬帶數(shù)字預(yù)失真測(cè)試，提出了對(duì)應(yīng)的測(cè)試方案。

2. 寬帶功放數(shù)字預(yù)失真測(cè)試方案

2.1 功放預(yù)失真測(cè)試系統(tǒng)搭建及測(cè)試流程簡(jiǎn)介

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

圖1 功放測(cè)試儀表連接示意圖

針對(duì)數(shù)字預(yù)失真測(cè)試，信號(hào)源SMW200A通過射頻輸出口提供激勵(lì)信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過功放被放大之后產(chǎn)生失真并輸出，失真后的信號(hào)被頻譜儀FSW所接收，該信號(hào)被稱為“測(cè)量”信號(hào)；同時(shí)SMW200A也會(huì)通過網(wǎng)線將原始IQ數(shù)據(jù)直接發(fā)送給FSW，這個(gè)信號(hào)稱之為“參考”信號(hào)。頻譜儀的功放測(cè)量選件FSW-k18會(huì)把“測(cè)量”信號(hào)和“參考”信號(hào)做同步運(yùn)算，得到兩者之間的差異，從而得到信號(hào)EVM等指標(biāo)。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(yù)失真測(cè)試系統(tǒng)功能簡(jiǎn)介

利用SMW200A和FSW組成的數(shù)字預(yù)失真測(cè)試系統(tǒng)，可以支持目前主流的查找表模型以及多項(xiàng)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(yù)失真的信號(hào)，經(jīng)過被測(cè)件之后，再由FSW進(jìn)行測(cè)試。

圖3 SMW200A和FSW數(shù)字預(yù)失真測(cè)試配置界面

除了常規(guī)的查找表以及多項(xiàng)式模型之外，R&S頻譜儀FSW還提供一種獨(dú)特的“直接”數(shù)字預(yù)失真（Direct DPD）測(cè)試方法。該測(cè)試方法不同于常規(guī)的方法，它沒有采用任何數(shù)字預(yù)失真模型，而是在FSW內(nèi)部采用對(duì)信號(hào)時(shí)域采樣點(diǎn)進(jìn)行逐點(diǎn)直接補(bǔ)償?shù)姆绞絹韺?shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)數(shù)字預(yù)失真，執(zhí)行完數(shù)字預(yù)失真補(bǔ)償之后的數(shù)據(jù)會(huì)被通過網(wǎng)線傳回給SMW200A并再次發(fā)射出來，信號(hào)經(jīng)過被測(cè)功放產(chǎn)生失真之后，再次由FSW捕獲后進(jìn)行逐點(diǎn)直接補(bǔ)償，該流程可被重復(fù)多次。簡(jiǎn)而言之，這種“直接”數(shù)字預(yù)失真的測(cè)試方法就是不依賴于模型，而是對(duì)每個(gè)采樣點(diǎn)直接補(bǔ)償，且可以實(shí)現(xiàn)多次迭代進(jìn)而一步步實(shí)現(xiàn)數(shù)字預(yù)失真優(yōu)化。該方法由于不依賴于現(xiàn)有的預(yù)失真模型，所以也無法輸出數(shù)字預(yù)失真模型參數(shù)，但是可以讓用戶通過最簡(jiǎn)單快捷的方式了解被測(cè)功放的“理想”預(yù)失真效果，而且該方法支持記憶效應(yīng)和頻響修正功能。這種“直接”數(shù)字預(yù)失真的逐點(diǎn)補(bǔ)償及迭代示意圖見圖4。

圖4 “直接”數(shù)字預(yù)失真方法的逐點(diǎn)補(bǔ)償及迭代示意圖

不管是“直接”數(shù)字預(yù)失真，還是基于模型的數(shù)字預(yù)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(xiàng)指標(biāo)。圖5三張圖是采用“直接”數(shù)字預(yù)失真的方式得到的測(cè)試結(jié)果，其中圖5a是數(shù)字預(yù)失真之前的測(cè)量結(jié)果，圖5b是經(jīng)過一次數(shù)字預(yù)失真后得到的測(cè)量結(jié)果，圖5c是經(jīng)過第二次數(shù)字預(yù)失真迭代之后得到的測(cè)量結(jié)果。從圖5三張圖的變化趨勢(shì)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(cè)試曲線圖上來看，增益壓縮曲線（Gain Compression vs Input Power）隨著數(shù)字預(yù)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(shí)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(yù)失真之前的功放測(cè)量結(jié)果

圖5b 經(jīng)過一次數(shù)字預(yù)失真運(yùn)算后的功放測(cè)量結(jié)果

圖5c 經(jīng)過兩次迭代數(shù)字預(yù)失真運(yùn)算后的功放測(cè)量結(jié)果

2.3 R&S數(shù)字預(yù)失真測(cè)試儀表性能

該測(cè)試方案主要由信號(hào)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(yù)失真測(cè)試測(cè)試平臺(tái)，可以支持不同的數(shù)字預(yù)失真模型（查找表，多項(xiàng)式），還可以支持R&S獨(dú)有的“直接”數(shù)字預(yù)失真測(cè)試方法，幫助用戶快速確認(rèn)放大器的“理想”預(yù)失真效果。此外，針對(duì)放大器測(cè)試，F(xiàn)SW配合SMW200A還支持包絡(luò)跟蹤放大器測(cè)試，進(jìn)一步擴(kuò)展了這套方案的適用范圍。

該方案中采用的信號(hào)源SMW200A單臺(tái)儀表載頻可以支持到40GHz，信號(hào)帶寬支持2GHz，信號(hào)源內(nèi)置寬帶信號(hào)質(zhì)量?jī)?yōu)化模式，這樣就保證了信號(hào)源產(chǎn)生的寬帶信號(hào)平坦度，圖6中可以看到SMW200A輸出的2GHz寬帶多音信號(hào)，利用頻譜儀FSW測(cè)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(hào)的信號(hào)質(zhì)量。

圖6 SMW200A 2GHz寬帶多音信號(hào)幅度平坦度測(cè)試圖

該方案中采用的頻譜儀FSW單臺(tái)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(cè)量選件可以直接通過網(wǎng)線對(duì)信號(hào)源SMW200A實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了測(cè)試的復(fù)雜度。這樣的話，SMW200A+FSW這種測(cè)試方案就可以支持2GHz帶寬，保證了用戶可以對(duì)寬帶高頻放大器進(jìn)行測(cè)試，按照數(shù)字預(yù)失真采樣帶寬為信號(hào)帶寬5倍的慣例，該方案可以支持對(duì)帶寬為400MHz的信號(hào)進(jìn)行理想的數(shù)字預(yù)失真測(cè)試。

有了理想的測(cè)試設(shè)備之后，還要考慮在放大器測(cè)試系統(tǒng)中，還可能包含射頻線纜、預(yù)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(huì)影響放大器的測(cè)試。針對(duì)這種場(chǎng)景，R&S的信號(hào)源SMW200A和頻譜儀FSW都提供對(duì)應(yīng)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(dǎo)入到信號(hào)源和頻譜儀里面，儀表會(huì)在數(shù)字域?qū)ν獠扛郊念l響進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，從而大大減少外部附件自身頻響對(duì)放大器測(cè)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(luò)分析儀，功率計(jì)，頻譜儀等設(shè)備測(cè)量得到。

圖7 信號(hào)源和頻譜儀外部頻響實(shí)時(shí)修正方法示意圖

3. 小結(jié)

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