借助功率分析儀準(zhǔn)確測(cè)量802.11ac射頻性能

工程師在測(cè)量最高可達(dá)160MHz的802.11ac寬帶信號(hào)時(shí)，須使用具有充足帶寬的功率測(cè)量?jī)x器，才能獲取、分析并準(zhǔn)確測(cè)量特定的802.11ac叢發(fā)信號(hào)區(qū)段，并確保在設(shè)計(jì)和驗(yàn)證階段即能符合法令規(guī)范，從而加速802.11ac射頻模塊的開發(fā)。設(shè)計(jì)和驗(yàn)證階段測(cè)試802.11ac無線局域網(wǎng)絡(luò)(WLAN)功率放大器(PA)模塊時(shí)，工程師必須在測(cè)量最高可達(dá)160MHz的802.11ac寬帶信號(hào)時(shí)，準(zhǔn)確獲取峰值叢發(fā)測(cè)量結(jié)果。測(cè)量這類寬帶信號(hào)或?qū)ζ溥M(jìn)行除錯(cuò)時(shí)，須選擇具有充足視頻帶寬的功率測(cè)量?jī)x器，確保能獲取、分析并準(zhǔn)確測(cè)量特定的802.11ac叢發(fā)信號(hào)區(qū)段。

有了合適的功率測(cè)量?jī)x器，可分析控制電路和射頻叢發(fā)信號(hào)之間的時(shí)序關(guān)系。因此，選擇并配置合適的測(cè)量?jī)x器，確保在設(shè)計(jì)與開發(fā)過程中，能迅速排除障礙、大幅減少所需資源，并有效降低成本。

本文將概述802.11ac標(biāo)準(zhǔn)，并解說如何使用峰值功率分析儀(PPA)來順應(yīng)802.11ac功率放大器和發(fā)射器獨(dú)特的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證測(cè)試要求。并通過測(cè)試配置圖和屏幕畫面，來加強(qiáng)說明叢發(fā)功率與時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系、電源開啟/關(guān)閉的上升與下降時(shí)間、互補(bǔ)累積分布函數(shù)(CCDF)、功率附加效率(PAE)，以及控制觸發(fā)延遲測(cè)量等各種測(cè)試應(yīng)用。

簡(jiǎn)述802.11ac標(biāo)準(zhǔn)

802.11ac是下一代WLAN標(biāo)準(zhǔn)，目標(biāo)是讓移動(dòng)設(shè)備能在低于6GHz的頻率下，用比現(xiàn)有的802.11n WLAN標(biāo)準(zhǔn)快三倍的速度運(yùn)作。目前802.11ac標(biāo)準(zhǔn)仍處于工作草案階段，預(yù)計(jì)將在今年底或明年成為正式標(biāo)準(zhǔn)。表1列出所有802.11 WLAN標(biāo)準(zhǔn)，包括802.11ac。

802.11ac WLAN物理層，基本上是現(xiàn)有802.11n標(biāo)準(zhǔn)的延伸，并與802.11n標(biāo)準(zhǔn)兼容，因此未來配備802.11ac芯片的電子設(shè)備便能在目前的802.11n WLAN系統(tǒng)上運(yùn)作。

根據(jù)8012.11ac工作草案，未來將有20、40、80和160MHz等通道帶寬可選擇，不過目前除160MHz通道帶寬是選擇性帶寬外，其他皆為強(qiáng)制性帶寬;也就是說，在部署真實(shí)系統(tǒng)的初期階段，所有的基礎(chǔ)設(shè)施、芯片和終端設(shè)備，可能使用20、40和80MHz帶寬通道;至于通道分配方面，前述的帶寬可是連續(xù)或非連續(xù)帶寬，特別是80MHz通道。例如，可用兩個(gè)橫跨兩個(gè)頻率的80MHz信道，來建構(gòu)一個(gè)160MHz帶寬的通信鏈路(圖1)。

圖1 802.11ac 160MHz帶寬的信道配置

峰值功率分析儀助力　802.11ac測(cè)試性能倍增

輸出功率是一項(xiàng)重要的802.11ac發(fā)射器性能測(cè)試指標(biāo)。

測(cè)量輸出功率是必要的

在設(shè)計(jì)和開發(fā)階段，工程師必須測(cè)量和驗(yàn)證發(fā)射器的輸出功率，以符合法令規(guī)范。圖2為功率測(cè)量配置，可測(cè)量平均值、峰值與峰均功率比。為獲得準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果，須保持獲取叢發(fā)信號(hào)的穩(wěn)定性?？山栌墒褂梅逯倒β史治鰞x來選擇適當(dāng)?shù)臅r(shí)間觸發(fā)設(shè)定，例如觸發(fā)位準(zhǔn)、遲滯和延遲時(shí)間，以達(dá)成目標(biāo)。

圖2 802.11ac發(fā)射器功率測(cè)量配置圖

功率與時(shí)間相互對(duì)應(yīng)

雖然IEEE802.11ac并未規(guī)范功率與時(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)系(PvT)PvT分析的測(cè)試要求，但是對(duì)所有無線標(biāo)準(zhǔn)而言，這是一項(xiàng)極重要的測(cè)量。舉例而言，分析802.11ac的前導(dǎo)碼區(qū)段(Preamble Segment)時(shí)，PvT叢發(fā)測(cè)量功能非常有用。對(duì)于封包檢測(cè)、自動(dòng)增益控制、符號(hào)定時(shí)、頻率估計(jì)，以及信道估計(jì)等作業(yè)而言，前導(dǎo)碼是必不可少的要素。

802.11ac在前導(dǎo)碼區(qū)段中有十個(gè)符號(hào)，相當(dāng)于40(μs)的叢發(fā)長(zhǎng)度。圖3為使用PPA所測(cè)量的80MHz 802.11ac叢發(fā)信號(hào)，可使用此PPA的縮放功能或是調(diào)整時(shí)間刻度來執(zhí)行前導(dǎo)碼叢發(fā)測(cè)量，例如平均值、峰值及峰均值等。

圖3 802.11ac 80MHz帶寬前導(dǎo)碼功率測(cè)量畫面

測(cè)試電源開、關(guān)與上升/下降

此測(cè)試可分析發(fā)射器從電源完全開啟到關(guān)閉所花費(fèi)的時(shí)間，這項(xiàng)測(cè)試通常是在設(shè)計(jì)和驗(yàn)證階段執(zhí)行。此瞬時(shí)時(shí)間響應(yīng)的規(guī)格不一，取決于PA設(shè)計(jì)(使用何種放大器)或其他控制電路等因素。802.11ac發(fā)射器的設(shè)計(jì)必須符合400奈秒(ns)的短暫保護(hù)間隔，換句話說，發(fā)射器的開啟/關(guān)閉時(shí)間必須遠(yuǎn)低于400ns。

如果開啟發(fā)射器的速度太慢，最開始的數(shù)據(jù)可能會(huì)遺失;但如關(guān)閉的速度太快，則會(huì)增加散布到相鄰?fù)ǖ赖碾娫?。此PPA可分析發(fā)射器和接收器的電源開啟/關(guān)閉或上升/下降時(shí)間，如圖4和圖5所示。

圖4 電源開啟(上升時(shí)間)

圖5 電源關(guān)閉(下降時(shí)間)

執(zhí)行CCDF測(cè)量

互補(bǔ)累積分布函數(shù)(CCDF)測(cè)量可定義PA的特性和行為。PA通常被設(shè)計(jì)成可在高波峰因子下運(yùn)作，利用CCDF，可測(cè)量時(shí)間百分比，其中叢發(fā)功率達(dá)到或超過特定功率位準(zhǔn)。如圖6所示，CCDF軌跡圖的Y軸表示概率(百分比)，該信號(hào)功率達(dá)到或超過X軸指定的功率，單位為dB。因前導(dǎo)碼區(qū)段上的調(diào)變機(jī)制與數(shù)據(jù)或酬載區(qū)段不同，所以通常在叢發(fā)的前導(dǎo)碼區(qū)段上，對(duì)802.11ac信號(hào)執(zhí)行CCDF分析。因此，前導(dǎo)碼上的CCDF軌跡線不同于資料區(qū)段的軌跡線。

圖6 使用峰值功率分析儀繪制802.11ac CCDF圖

圖6中后方拋物線是802.11ac前導(dǎo)碼區(qū)段的CCDF圖，前方拋物線是高斯線(Gaussian Line)，通常會(huì)開啟高斯線以作為參考。同時(shí)，可繪制和分析兩個(gè)射頻(RF)通道的CCDF軌跡，在比較PA模塊的802.11ac信號(hào)輸入和輸出時(shí)，這項(xiàng)功能非常有用。

監(jiān)測(cè)附加功率效率

發(fā)射器設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)之一是將功率放大器的效率優(yōu)化。PAE可測(cè)量PA的功率轉(zhuǎn)換效率，以確定有多少直流電源被轉(zhuǎn)換為射頻功率(即效率百分比)。下列公式1為PAE算式，PA操作類別和所使用的主動(dòng)組件類型會(huì)影響PAE性能，規(guī)格范圍可以從20~60秒。

利用圖7所示的測(cè)量配置，可測(cè)量直流電壓和電流，以測(cè)量輸入放大器的直流電源。首先，可將主動(dòng)式電流探棒連接到PPA的通道二，以測(cè)量直流電流;接著，此電流探棒在PPA上將測(cè)量到的電流轉(zhuǎn)換成等效電壓，此直流電壓直接連接到視頻信道三，信道二和三借由彼此相乘來產(chǎn)生直流電源測(cè)量結(jié)果，并可在此PPA的RF信道一和信道四上測(cè)量，并監(jiān)測(cè)RF輸入和輸出功率;利用此配置，能在同一個(gè)測(cè)量畫面上測(cè)量且監(jiān)測(cè)所有四個(gè)參數(shù)。

圖7 附加功率效率測(cè)試配置

確認(rèn)控制或觸發(fā)延遲測(cè)量

發(fā)展發(fā)射器模塊時(shí)，工程師必須確認(rèn)并測(cè)量觸發(fā)或控制信號(hào)與實(shí)際的RF叢發(fā)輸出之間的延遲時(shí)間，即分析實(shí)際的RF叢發(fā)和電壓偏壓電路之間的時(shí)序關(guān)系。電壓偏壓電路包含直流電源偏壓、切換、驅(qū)動(dòng)控制，以及電壓控制振蕩器(VCO)信號(hào)。

圖8為典型的發(fā)射器功能方塊，設(shè)計(jì)重心通常集中于盡快獲得最短的時(shí)間延遲結(jié)果。PPA可分析相關(guān)控制信號(hào)的時(shí)序信息和RF叢發(fā)，并具備一項(xiàng)特殊功能，可自動(dòng)測(cè)量?jī)蓚€(gè)通道之間的時(shí)間延遲，且在每個(gè)信號(hào)上加注標(biāo)記。

圖8 使用峰值功率分析儀

總之，為支持80MHz和可選的160MHz通道帶寬，需更強(qiáng)大的RF功率測(cè)量?jī)x器，PPA是能滿足802.11ac測(cè)試要求的最佳功率表。

PPA可用于典型的RF功率測(cè)量，如平均、峰值、峰均值和CCDF分析，還可用來分析功率放大器的功率附加效率，以及發(fā)射器模塊內(nèi)負(fù)責(zé)控制信號(hào)的延遲時(shí)序信息，這是因?yàn)镻PA在一個(gè)液晶顯示器(LCD)儀器中配備兩個(gè)RF信道和兩個(gè)模擬視頻信道。此外，PPA提供直覺式操作接口，能更輕松設(shè)計(jì)和驗(yàn)證802.11ac功率放大器模塊和發(fā)射器。