关于宽带功放数字预失真测试方案的分析和应用
随着通信业界对5g设备研究项目的开展，针对5g功放的宽带数字预失真的测试需求逐渐增多，对此罗德与施瓦茨公司（下文简称r&s）提出了基于信号源smw200a和频谱仪fsw的数字预失真测试方案，这套仪表可以直接产生和分析带宽高达2ghz的信号，适用于宽带数字预失真测试。
1. 引言
目前5g研究项目逐渐变为通信业界的热点，与4g lte信号相比，5g信号的载频除了6ghz以下的频段之外还增加了毫米波频段，而5g信号的单载波信号带宽也由4g时代的20mhz扩展到100mhz甚至400mhz。
针对5g信号带来的变化，射频器件厂商纷纷提出能够与5g设备相对应的各种射频器件。在各种射频器件中，功放器件的复杂度较高，而且作为有源器件，其射频测试方案与其它器件相比也更为复杂，尤其功放的数字预失真测试是功放性能评估的一个重点项目。对此罗德与施瓦茨公司针对功放的宽带数字预失真测试，提出了对应的测试方案。
2. 宽带功放数字预失真测试方案
2.1 功放预失真测试系统搭建及测试流程简介
针对放大器测试，r&s除了可以提供传统的测试工具网络分析仪之外，还可以提供基于信号源smw200a和频谱仪fsw的测试方案。利用该方案，信号源和频谱仪可以通过网线进行通信，可以轻松实现对功放数字预失真的闭环测试，且可以实现多次迭代测试。这套方案可以对功放数字预失真前后的各种重要指标如am/am、am/pm、误差矢量幅度（evm）、邻道泄漏比（aclr）、1db压缩点、增益等进行同时测试。仪表连接示意图见图1。
图1 功放测试仪表连接示意图
针对数字预失真测试，信号源smw200a通过射频输出口提供激励信号，信号经过功放被放大之后产生失真并输出，失真后的信号被频谱仪fsw所接收，该信号被称为“测量”信号；同时smw200a也会通过网线将原始iq数据直接发送给fsw，这个信号称之为“参考”信号。频谱仪的功放测量选件fsw-k18会把“测量”信号和“参考”信号做同步运算，得到两者之间的差异，从而得到信号evm等指标。系统流程示意图见图2。
图2 系统流程示意图
2.2 功放预失真测试系统功能简介
利用smw200a和fsw组成的数字预失真测试系统，可以支持目前主流的查找表模型以及多项式模型等，如图3所示，就是fsw利用网线直接将am/am查找表和am/pm查找表更新至smw200a内部，smw200a利用得到的查找表产生带有数字预失真的信号，经过被测件之后，再由fsw进行测试。
图3 smw200a和fsw数字预失真测试配置界面
除了常规的查找表以及多项式模型之外，r&s频谱仪fsw还提供一种独特的“直接”数字预失真（direct dpd）测试方法。该测试方法不同于常规的方法，它没有采用任何数字预失真模型，而是在fsw内部采用对信号时域采样点进行逐点直接补偿的方式来实现实现数字预失真，执行完数字预失真补偿之后的数据会被通过网线传回给smw200a并再次发射出来，信号经过被测功放产生失真之后，再次由fsw捕获后进行逐点直接补偿，该流程可被重复多次。简而言之，这种“直接”数字预失真的测试方法就是不依赖于模型，而是对每个采样点直接补偿，且可以实现多次迭代进而一步步实现数字预失真优化。该方法由于不依赖于现有的预失真模型，所以也无法输出数字预失真模型参数，但是可以让用户通过最简单快捷的方式了解被测功放的“理想”预失真效果，而且该方法支持记忆效应和频响修正功能。这种“直接”数字预失真的逐点补偿及迭代示意图见图4。
图4 “直接”数字预失真方法的逐点补偿及迭代示意图
不管是“直接”数字预失真，还是基于模型的数字预失真，fsw都可以给出am/am、am/pm、误差失量幅度（evm）、邻道泄漏比（aclr）等多项指标。图5三张图是采用“直接”数字预失真的方式得到的测试结果，其中图5a是数字预失真之前的测量结果，图5b是经过一次数字预失真后得到的测量结果，图5c是经过第二次数字预失真迭代之后得到的测量结果。从图5三张图的变化趋势可以看到误差矢量幅度（raw evm）从4%至0.9%再至0.7%持续优化，邻道泄漏比（aclr）则从-35dbc优化至-47dbc再至-50dbc，从测试曲线图上来看，增益压缩曲线（gain compression vs input power）随着数字预失真迭代次数的增加线性区逐渐向高功率区域延伸，evm曲线（evm vs input power）也随着迭代系数增加在高功率下实现了evm优化，am/pm曲线（phase deviation vs input power）也随着迭代系数增加变得线性度更好。
图5a 数字预失真之前的功放测量结果
图5b 经过一次数字预失真运算后的功放测量结果
图5c 经过两次迭代数字预失真运算后的功放测量结果
2.3 r&s数字预失真测试仪表性能
该测试方案主要由信号源smw200a和频谱仪fsw组成，可以帮助客户快速的搭建一套放大器数字预失真测试测试平台，可以支持不同的数字预失真模型（查找表，多项式），还可以支持r&s独有的“直接”数字预失真测试方法，帮助用户快速确认放大器的“理想”预失真效果。此外，针对放大器测试，fsw配合smw200a还支持包络跟踪放大器测试，进一步扩展了这套方案的适用范围。
该方案中采用的信号源smw200a单台仪表载频可以支持到40ghz，信号带宽支持2ghz，信号源内置宽带信号质量优化模式，这样就保证了信号源产生的宽带信号平坦度，图6中可以看到smw200a输出的2ghz宽带多音信号，利用频谱仪fsw测到的2ghz之内的幅度平坦度约为0.4db，这就保证了功放的输入信号的信号质量。
图6 smw200a 2ghz宽带多音信号幅度平坦度测试图
该方案中采用的频谱仪fsw单台仪表载频可以支持到90ghz，内置2ghz分析带宽，且fsw内置的放大器测量选件可以直接通过网线对信号源smw200a实现远程控制，进一步简化了测试的复杂度。这样的话，smw200a+fsw这种测试方案就可以支持2ghz带宽，保证了用户可以对宽带高频放大器进行测试，按照数字预失真采样带宽为信号带宽5倍的惯例，该方案可以支持对带宽为400mhz的信号进行理想的数字预失真测试。
有了理想的测试设备之后，还要考虑在放大器测试系统中，还可能包含射频线缆、预放、衰减器、滤波器等各种附件，这些附件本身的幅度频响和相位频响也会影响放大器的测试。针对这种场景，r&s的信号源smw200a和频谱仪fsw都提供对应的k544选件，该选件允许用户将外部附件的s参数文件（snp文件）导入到信号源和频谱仪里面，仪表会在数字域对外部附件的频响进行实时修正，从而大大减少外部附件自身频响对放大器测试的影响，示意图见图7。至于外部附件的s参数，则可以提前利用网络分析仪，功率计，频谱仪等设备测量得到。
图7 信号源和频谱仪外部频响实时修正方法示意图
3. 小结
本文针对数字预失真测试，介绍了基于r&s公司信号源smw200a和频谱仪fsw的测试方案，该测试方案可以支持查找表、多项式等模式，同时还支持特有的“直接”数字预失真测试方案，让客户能够简单方便的得到放大器的“理想的”预失真效果。最后对测试仪表进行了简单的性能介绍，smw200a单台仪表即可在40ghz频率内支持产生2ghz带宽的信号，fsw单台仪表则可以在90ghz之内对2ghz信号进行分析，这两台仪表的宽带特性非常适合用于宽带数字预失真测试。
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1. 引言
目前5g研究项目逐渐变为通信业界的热点，与4g lte信号相比，5g信号的载频除了6ghz以下的频段之外还增加了毫米波频段，而5g信号的单载波信号带宽也由4g时代的20mhz扩展到100mhz甚至400mhz。
针对5g信号带来的变化，射频器件厂商纷纷提出能够与5g设备相对应的各种射频器件。在各种射频器件中，功放器件的复杂度较高，而且作为有源器件，其射频测试方案与其它器件相比也更为复杂，尤其功放的数字预失真测试是功放性能评估的一个重点项目。对此罗德与施瓦茨公司针对功放的宽带数字预失真测试，提出了对应的测试方案。
2. 宽带功放数字预失真测试方案
2.1 功放预失真测试系统搭建及测试流程简介
针对放大器测试，r&s除了可以提供传统的测试工具网络分析仪之外，还可以提供基于信号源smw200a和频谱仪fsw的测试方案。利用该方案，信号源和频谱仪可以通过网线进行通信，可以轻松实现对功放数字预失真的闭环测试，且可以实现多次迭代测试。这套方案可以对功放数字预失真前后的各种重要指标如am/am、am/pm、误差矢量幅度（evm）、邻道泄漏比（aclr）、1db压缩点、增益等进行同时测试。仪表连接示意图见图1。
图1 功放测试仪表连接示意图
针对数字预失真测试，信号源smw200a通过射频输出口提供激励信号，信号经过功放被放大之后产生失真并输出，失真后的信号被频谱仪fsw所接收，该信号被称为“测量”信号；同时smw200a也会通过网线将原始iq数据直接发送给fsw，这个信号称之为“参考”信号。频谱仪的功放测量选件fsw-k18会把“测量”信号和“参考”信号做同步运算，得到两者之间的差异，从而得到信号evm等指标。系统流程示意图见图2。
图2 系统流程示意图
2.2 功放预失真测试系统功能简介
利用smw200a和fsw组成的数字预失真测试系统，可以支持目前主流的查找表模型以及多项式模型等，如图3所示，就是fsw利用网线直接将am/am查找表和am/pm查找表更新至smw200a内部，smw200a利用得到的查找表产生带有数字预失真的信号，经过被测件之后，再由fsw进行测试。
图3 smw200a和fsw数字预失真测试配置界面
除了常规的查找表以及多项式模型之外，r&s频谱仪fsw还提供一种独特的“直接”数字预失真（direct dpd）测试方法。该测试方法不同于常规的方法，它没有采用任何数字预失真模型，而是在fsw内部采用对信号时域采样点进行逐点直接补偿的方式来实现实现数字预失真，执行完数字预失真补偿之后的数据会被通过网线传回给smw200a并再次发射出来，信号经过被测功放产生失真之后，再次由fsw捕获后进行逐点直接补偿，该流程可被重复多次。简而言之，这种“直接”数字预失真的测试方法就是不依赖于模型，而是对每个采样点直接补偿，且可以实现多次迭代进而一步步实现数字预失真优化。该方法由于不依赖于现有的预失真模型，所以也无法输出数字预失真模型参数，但是可以让用户通过最简单快捷的方式了解被测功放的“理想”预失真效果，而且该方法支持记忆效应和频响修正功能。这种“直接”数字预失真的逐点补偿及迭代示意图见图4。
图4 “直接”数字预失真方法的逐点补偿及迭代示意图
不管是“直接”数字预失真，还是基于模型的数字预失真，fsw都可以给出am/am、am/pm、误差失量幅度（evm）、邻道泄漏比（aclr）等多项指标。图5三张图是采用“直接”数字预失真的方式得到的测试结果，其中图5a是数字预失真之前的测量结果，图5b是经过一次数字预失真后得到的测量结果，图5c是经过第二次数字预失真迭代之后得到的测量结果。从图5三张图的变化趋势可以看到误差矢量幅度（raw evm）从4%至0.9%再至0.7%持续优化，邻道泄漏比（aclr）则从-35dbc优化至-47dbc再至-50dbc，从测试曲线图上来看，增益压缩曲线（gain compression vs input power）随着数字预失真迭代次数的增加线性区逐渐向高功率区域延伸，evm曲线（evm vs input power）也随着迭代系数增加在高功率下实现了evm优化，am/pm曲线（phase deviation vs input power）也随着迭代系数增加变得线性度更好。
图5a 数字预失真之前的功放测量结果
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图6 smw200a 2ghz宽带多音信号幅度平坦度测试图
该方案中采用的频谱仪fsw单台仪表载频可以支持到90ghz，内置2ghz分析带宽，且fsw内置的放大器测量选件可以直接通过网线对信号源smw200a实现远程控制，进一步简化了测试的复杂度。这样的话，smw200a+fsw这种测试方案就可以支持2ghz带宽，保证了用户可以对宽带高频放大器进行测试，按照数字预失真采样带宽为信号带宽5倍的惯例，该方案可以支持对带宽为400mhz的信号进行理想的数字预失真测试。
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