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匹配修正量测和移除嵌入 有助突破信号产生极限
增进无线通讯品质

【作者: TJ Cartwright】2023年12月13日 星期三

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为满足产业不断变化的技术需求,无线通讯工具的发展脚步未曾停歇。藉由扩展信号频宽、实现高阶调变,以及采用空间多工技术,可大幅提高无线通讯的资料速率。增加的频宽亦有助於增进使用者的资料传输体验。使用者对无线网路服务品质有极高的期??,促使业者致力於强化通讯系统的可靠性和效能。而实现卓越产品开发的要素则在於降低不确定性,因此,藉助模拟来彻底执行无线测试的概念便应运而生。


目前市面上有各式各样、适用於不同量测配置的测试夹具可供选择,从简单的缆线,到配备分离器、耦合器和信号调节的复杂夹具,应有尽有,以协助设计工程师持续评估待测装置(DUT)的效能。藉由校验或移除嵌入测试夹具,设计工程师可消除测试夹具中固有的系统误差,避免其影响待测装置的效能。他们通常在量测配置中加入向量信号产生器(VSG)和信号分析仪,以便评估DUT的效能。而测试夹具导致量测结果不准确的主因则来自於路径损耗和频率响应。


路径损耗是一个需加以妥善管理的已知问题。在传输过程中不断损耗的信号能量,会导致传输到量测平面的功率,低於信号产生器的输出信号。而频率响应的误差,包括振幅和相位误差,则会影响瞬时频宽。频率响应可量测输出信号的振幅和相位,以作为输入频率的函数。如果特定频宽的频率响应不平坦,将损及输入信号的振幅和相位。即便在射频频率下,较宽的频宽也同样地特别容易受到频率响应的影响。


除了实体世界固有的杂讯之外,瞬时频宽上的任何频率响应,都会造成DUT输出信号的缺损。如未能有效隔离缺损和量测结果,DUT效能则会显着下滑。虽然工程师可透过等化来减少频率响应,但这个方法有时却不管用,因为通道响应的解析度问题,使得等化无法每一次都全面修正频率响应。


当测试夹具的频率响应和路径损耗增加,信噪比(SNR)和误差向量振幅(EVM)就会降低。VSG和信号分析仪的移除嵌入功能是常用的量测修正程序,可消除测试夹具产生的振幅和相位误差。这个程序又称为移动叁考平面;射频工程师可移动叁考平面,藉以精确地分析其DUT。


时下,工程师较常使用向量网路分析仪(VNA)来分析测试夹具特性(如图一)。透过这种方式,可将S2P档传送到信号产生器,进而对测试夹具的振幅和相位进行移除嵌入。此损耗补偿档可助您补偿测试夹具的路径损耗。



图一 : 工程师使用向量网路分析仪来分析测试夹具的特性
图一 : 工程师使用向量网路分析仪来分析测试夹具的特性

量测配置的阻抗不匹配是另一个挑战。DUT输入端的阻抗不匹配时有所闻,但工程师确实需尽可能地避免它对量测造成影响,因为任何阻抗不匹配,都会导致某个反射波返回信号源,并与其进行建设性地或破坏性的互动,造成入射信号出现额外的频率涟波。当缆线同时存在入射波和反射波,量测结果将因而失真。在采用高阶正交振幅调变(QAM)的密集正交分频多工(OFDM)传输中,反射波对量测结果的影响更加显着。


反射信号的能量会降低进入DUT的功率。可以使用反射仪来修正阻抗不匹配,而VNA使用者则可使用VNA架构中的反射仪来修正DUT的阻抗不匹配。有些市售的外部反射仪可纳入信号产生器和信号分析仪量测配置中,但使用它们来进行修正的程序相当复杂,因此并未受到青睐。


使用多个DUT和测试系统来修正阻抗不匹配时,复杂性会大幅上升。每个测试系统都有不同的阻抗匹配。因此,使用多个测试平台测试DUT会产生不一致的量测结果,同时带来更多挑战。当今的测试站种类繁多,业者必须解决阻抗不匹配问题,以便实现测试系统之间的可重复性。此外,这个步骤还可节省设计验证和制造测试时间。


使用信号产生器和分析仪进行量测时,路径损耗修正和移除嵌入成了确保量测准确度的必要程序。使用反射仪有助於产生匹配修正的信号。结合上述要素,使用者可在特定频率范围内,移除嵌入信号产生器、测试夹具和阻抗不匹配组合的振幅和相位(如图二)。然而,执行这类修正的难度相当高,因此大多数信号产生器和信号分析仪配置不会使用匹配修正信号产生法。



图二 : 反射仪基本原理
图二 : 反射仪基本原理

EVM量测可提供数位调变信号的品质因素值。本地振荡器(LO)相位杂讯、功率放大器(PA)产生的杂讯、IQ调变器问题,以及其他种种问题,都可能导致量测结果不准确。


由於EVM对任何可能改变数位调变格式信号振幅和相位轨迹的信号缺陷都很敏感,因此可透过EVM量测,深入洞察发射器和接收器效能。此外,藉由调整接收器的混频器位准、数位转换器的信噪比,以及相位杂讯误差,EVM量测准确度将显着提升。频率响应和信噪比对EVM有直接影响。欲提高EVM效能,则需最隹化输入DUT的功率,并尽可能消除过多的频率响应来源。


在无线系统中,等化有助於减少频率响应的影响。有时,通道响应的解析度不足以全面修正频率响应,而等化可解决部分问题。5G NR和Wi-Fi 6/7标准使用等化来平坦传输系统的增益响应,以减轻频率响应在量测中导致的衰减。然而,并非所有无线标准都采用等化技术。举例而言,无线回程和卫星通讯通常不使用等化。


较宽的频宽会增加频率响应的误差。修正测试夹具中所有元件在瞬时频宽下的频率响应,对EVM结果有直接影响,反而突显了校验和移除嵌入测试夹具的优势。


功率放大器对提升通讯系统的整体效能和传输速率至关重要。然而,功率放大器的固有非线性度导致了邻近通道干扰和频内失真。频内失真会降低通讯系统的EVM、误码率(BER)和资料速率。包括WLAN、LTE、5G NR和商业卫星标准在内的现代无线标准,开始更广泛地使用OFDM。OFDM调变格式实现了可满足使用者需求的宽频资料应用。今日,设计工程师必须在极高资料速率下实现频谱线性度,以提供使用者期??的服务品质。为因应频谱效率要求,许多无线标准开始采用更高阶的QAM和超密集的OFDM调变机制,而这加剧了峰均功率比(PAPR)或信号波封的波动。


数位预失真(DPD)是当今通讯系统常用的线性化方法。DPD 具有线性化特性及维持整体效率的能力,并充分利用持续演进的数位信号处理器和 A/D 转换器来达成目标。欲成功部署DPD,演算法须准确而有效地针对功率放大器的特性建模。


设计工程师必须能够在准确的量测设定下,以当今无线通讯信号的峰均功率比(PAPR)激发 DUT,以便预测性地了解 DUT 效能。在操作条件不断变化的今天,过去可呈现装置效能近似值的量测,如S叁数,已无法准确提供近似值。VSG和信号分析仪是典型的量测设备,可在实际调变设定下,评估元件、模组和整合式无线电的特性。量测配置需透过某种方式,来补偿将现实世界调变条件导入到DUT信号路径中,所产生的线性和非线性效应。


结语

等化可同时处理DUT和测试系统的振幅和相位响应。如此一来,在测试线性装置时,测试夹具和信号源的频率响应便不会对EVM造成影响。也就是说,测试系统在DUT输入端导入的任何线性误差,都受到放大器非线性响应的影响,进而导致复杂的误差,而等化则无法解决此问题。如果错误地套用此修正模式,会降低放大器的量测效能,也将使得DPD模型难以发挥优势。


(本文作者TJ Cartwright为是德科技产品行销经理)


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