Testen eines Leistungsverstärkers mit 24 GHz bis 28 GHz gemäß dem neuen Teststandard 5G New Radio, Herausforderungen und Ergebnisse

Tudor Williams¹, Darren Tipton², Florian Ramian³

¹ Compound Semiconductor Applications Catapult, Regus House, Falcon Drive, Cardiff Bay, Cardiff CF10 4RU, UK

² Rohde and Schwarz UK Ltd, Harvest Crescent, Fleet, GU51 2UZ, UK

³ Rohde & Schwarz GmbH & Co. KG. Mühldorfstraße, München, Deutschland

Einleitung

Bis vor kurzem arbeiteten die 3GPP-Mobilfunkstandards auf Bändern im Frequenzbereich von ca. 2-3 GHz und Einzel-Kanalbandbreiten von weniger als 20 MHz. Ab 3GPP Release 15 und der Technologie 5G New Radio (5G NR) ändert sich dies. So stehen Kanalbandbreiten von bis zu 100 MHz im Sub-6-GHz-Spektrum und bis zu 400 MHz im Millimeterwellenspektrum bereit.

Beim Vergleich der Messungen zwischen dem LTE-Standard und der 5G-Version von 3GPP 38.141 wird ersichtlich, dass viele der Messmethoden von LTE auf die entsprechenden 5G-NR-Äquivalente übertragen wurden. Allerdings hat sich aufgrund der Anzahl an zusätzlichen „Modi“ bei 5G New Radio die Menge an möglichen Messungen signifikant erhöht. Die wesentlichen Unterschiede sind:

• Frequenzbereich 1 FR1 (Sub-6-GHz) und FR2 (Millimeterwellen)
• Leitungsgebundene vs. gestrahlte Messungen
• FDD, TDD
• Unterschiedliche Bandbreiten (5 bis 100 MHz oder 400 MHz)
• Unterträgerabstände (SCS)

Messtechnische Herausforderungen

Das 3GPP-Dokument 38.141-1 beschreibt leitungsgebundene Messungen, während sich 38.141-2 mit gestrahlten Messungen befasst. In diesen Dokumenten wird festgehalten, dass eine EVM-Performance von < 4,5 % für 256-QAM erforderlich ist. Dies gilt sowohl für den Frequenzbereich FR1 als auch für FR2.

In diesem Dokument werden weiterhin die Anforderungen an die EVM-Berechnung für jede Kanalbandbreite, FFT-Größe und EVM-Fensteranforderungen für jeden verwendeten Unterträgerabstand diskutiert, die bei der Analyse-Signalverarbeitung berücksichtigt werden müssen.

Während EVM-Messungen in FR1 sowohl leitungsgebunden als auch gestrahlt durchgeführt werden können, sollten die 3GPP-Standard-Messungen in FR2 nur in einem gestrahlten Umfeld stattfinden. Dies ist eine signifikante Abweichung von bestehenden Standards und eine direkte Folge eines weitaus höheren Integrationsniveaus bei Millimeterwellenfrequenzen, da man davon ausgeht, dass in der Schaltung kein Punkt existiert, an dem sich leitungsgebundene Messungen durchführen lassen. Dadurch erhöht sich sowohl der Entwicklungsaufwand für das System als auch die Komplexität beim Testen.

Bei einer anspruchsvollen EVM-Grenze von 4,5 % in FR2 Gestrahlte Messungen gibt es drei wesentliche Punkte, die berücksichtigt und abgeschwächt werden müssen und auf die der Standard nicht vollumfänglich eingeht:

• 1. EVM-Einfluss aufgrund des Frequenzgangs (Amplitude und Phase)
• 2. EVM-Einfluss aufgrund von Rauschen
• 3. EVM aufgrund von Verzerrung, beispielsweise nicht lineare Effekte des Leistungsverstärkers

Der EVM-Einfluss auf die Messung wird größtenteils im Standard abgedeckt, da die Definition von EVM, beschrieben in 6.6.3.1 von 3GPP 38.141, den Einsatz von Entzerrung behandelt. Dies an sich korrigiert die Frequenz und den Phasengang des Kanals während der Messung.

Der EVM-Einfluss der Messung aufgrund von Rauschen ist schwieriger zu bewältigen – zweifellos in einem OTA-Umfeld. Man muss sich um die gesamte Leistungsübertragungsbilanz des Messsystems kümmern, sodass die Rausch-Performance des Systems nicht zum EVM des Messobjekts beiträgt.

Punkt 1 kann mit einem Entzerrer charakterisiert und kompensiert werden, Punkt 3 lässt sich über eine digitale Vorverzerrung charakterisieren und kompensieren. Punkt 2 hingegen kann nur aufgrund der EVM-Messung charakterisiert werden, lässt sich aber nicht kompensieren, sondern nur durch das Design minimieren. Abbildung 1 zeigt die Rohleistung eines EVM-Messsystems ohne Messobjekt und betont die Anforderung, die Leistungsübertragungsbilanz bei Millimeterwellen-Frequenzen zu optimieren. Diese verfügt über einen deutlich geringeren Dynamikbereich im Vergleich zu Messungen, die in Sub-6-GHz-Bändern durchgeführt werden.

Da das Gerät über Steckverbindungen verfügt, bestand der Ansatz beim Testen des Messobjekts in diesem Paper darin, 3GPP-konforme Signalformen und Analyseverfahren anzuwenden, sodass sich die Ergebnisse als nützliche Information für den Entwurf des Gesamtsystems eignen.

Messaufbau

Abbildung 1 zeigt den Messaufbau. Er besteht aus einem SMW200A Vektorsignalgenerator mit 40 GHz HF-Bandbreite und bis zu 2 GHz Modulationsbandbreite sowie einem FSW43 Signal- und Spektrumanalysator mit 43,5 GHz HF-Bandbreite, 2 GHz Analysebandbreite und 800 MHz Echtzeit-Bandbreite. Eine E36313A programmierbare Gleichstromzuführung kommt zum Einsatz, um die zwei Stufen des Verstärkers unter Vorspannung zu setzen.

Im ersten Testabschnitt kam eine Release-Version der Option SMW-K144 am SMW200A zur Verwendung. Damit lassen sich hochreine 5G-NR-Signalformen erzeugen, die konform zum oben erwähnten 3GPP-Standard sind. Dadurch werden ein ebener Frequenzgang und Bandbreiten bis zu 2 GHz sichergestellt. Gleichzeitig ermöglicht die entsprechende Option FSW-K144 für den FSW die erforderliche gründliche Analyse der Downlink-Signale mit standardkonformen Parametern innerhalb der Grenzen von leitungsgebundenen Messungen.

Der zweite Testabschnitt konzentriert sich auf die digitale Vorverzerrung (DPD) des Verstärkers, um die Performance des Geräts zu bestimmen, wenn es mit einem Signal angeregt wird, das jegliche durch das Messobjekt verursachte Verzerrungen berücksichtigt. Diese Messungen wurden mit 3GPP-konformen Signalformen und der Firmware FSW-K18 Verstärker-Test für den FSW Signalanalysator durchgeführt. Mit dieser Firmware ist nicht nur die Messung des EVM möglich, man kann auch andere Geräteeigenschaften wie AM/AM, AM/PM, Verstärkungskompression und die Nachbarkanalleistung (ACP) sowohl mit als auch ohne DPD bestimmen, um die optimale Performance des Geräts zu zeigen, die im finalen Testsystem möglich wäre.

Gerätebeschreibung

Testgerät – Zweikanal-Leistungsverstärker mit 24-28 GHz

Auf die endgültigen Betriebsbänder für Millimeterwellen-5G wird man sich auf der World Radio Conference 2019 (WRC-19) einigen. In Europa empfahl die RSPG in ihrer Strategic Roadmap Towards Europe im November 2016 das 26-GHz-Band (24,25-27,5 GHz) als Pionierband für Millimeterwellen-5G.

Abbildung 3 zeigt ein Bild einer Leistungsverstärker-MMIC mit 24-28 GHz, die von Plextek RFI entwickelt wurde und das Pionierband mit beeindruckender Performance abdeckt. Sie erreicht einen P1dB-Ausgang größer 24,5 dBm, eine Verstärkung von ca. 20 dB, einen Leistungswirkungsgrad oberhalb 22 % über das gesamte Band bei 1 dB Kompression und einen Leistungswirkungsgrad oberhalb 7 % bei 6 dB Back-Off.

Eine der wesentlichen Herausforderungen in zukünftigen 5G-Netzen sind die hohen Integrationsniveaus, die beispielsweise für Phased-Array-Antennen erforderlich sind, die zur Strahlschwenkung zum Einsatz kommen. Hier ist es wahrscheinlich, dass man mehrere MMICs innerhalb eines einzelnen Gehäuses benötigt.

Compound Semiconductor Applications Catapult beauftragte Plextek RFI und Filtronic, als Beispiel für diese hohe Integration gemeinsam ein Evaluierungsmodul mit 2 der oben beschriebenen LV-MMICs zu entwickeln und herzustellen, das in einem einzigen, preiswerten 7 mm x 7 mm Laminat-QFN-Gehäuse untergebracht wird.

Abbildung 4 zeigt den realisierten Zweikanal-Verstärker. Die Performance der MMIC war der HF auf Wafer-Messungen sehr ähnlich. Es gab nur leichte Unterschiede sowohl in der Kleinsignal- als auch in der Leistungs-Performance.

Messergebnisse

Verstärkung und Nachbarkanalleistung – Referenzmessung

Um die Messung so anspruchsvoll wie möglich zu gestalten, wurden Messungen mit einer Signalform, die konform zum 5G-NR-Downlink-Standard ist, durchgeführt. Dabei lag das Zentrum bei 26 GHz mit 400 MHz Bandbreite und 256-QAM-Modulation.
Die „Referenz“-RMS-Verstärkung des Geräts wurde an einem Punkt gemessen, der ausreichend weit von Kompression entfernt war. Dies führte zu einem Ergebnis von 19,6 dB. Abbildung 5 zeigt die resultierende Performance in Bezug auf die Verstärkung, Abbildung 6 zeigt die Nachbarkanalleistungs-Performance.

Messungen in Kompression

Die maximale Eingangsleistung des Geräts wird mit 10 dBm Spitze bewertet. Aufgrund dieser Tatsache wurde entschieden, das Gerät so stark wie möglich anzusteuern, um Worst-Case-Ergebnisse, gerade unterhalb dieses Pegels, zu produzieren.

Die Bereitstellung von Eingangssignalen mit diesem Pegel führt zu einer Eingangsleistung von -1,3 dBm, einer Verstärkung von 19,1 dB und einer Kompression des Signal-Crest-Faktors von 1,8 dB.

Unter diesen Bedingungen erreicht der Verstärker einen mittleren EVM von 5,1 % (Abbildung 7)

Misst man das Gerät jetzt unter 3GPP-konformen Signalverarbeitungsbedingungen, weist der EVM einen geringeren Wert von 4,69 % auf (Abbildung 8). Der Grund dafür liegt darin, dass der Signalanalysator unter 3GPP-Messbedingungen versucht, das Referenzsignal während der Demodulation zu rekonstruieren. An Stellen, an denen das Demodulationssignal einschließlich Bitfehlern stark verzerrt ist, führt dies zu einem fehlerhaften Referenzsignal und folglich zu einer falschen EVM-Abbildung.

Um unter diesen Bedingungen einen korrekten EVM zu messen, muss das System das gesendete Signal vollständig kennen, d. h. es muss einen Known-Data-Ansatz verwenden.

Dies ist ein wesentlicher Punkt, den Gerätehersteller und Messingenieure berücksichtigen müssen.

In Bezug auf die Nachbarkanalleistung weist die Rohleistung des Verstärkers eine Nachbarkanalleistung von 32 dBc bei 400 MHz Offset auf dem unteren Kanal und 33,5 dB auf dem oberen Kanal auf.

Ebenso wurde eine Nachbarkanalleistungs-Messung bei einer Leistung von 3 dB sowie 6 dB Back-Off von der Kompressionspunktmessung durchgeführt. Die Ergebnisse betrugen 38 dBc bzw. 43 dBc.

Messergebnisse mit digitaler Vorverzerrung (DPD)

Es ist nützlich zu sehen, wie gut das Gerät „sein kann“, wenn man seine Nichtlinearitäten kompensiert. Dies ist ein realistisches Szenario, wenn es in einem Endprodukt verwendet wird, das in einem Netz zum Einsatz kommt.

Um dies zu bewerkstelligen, nutzen wir die integrierten DPD-Algorithmen des FSW, um Messungen von EVM und ACP vor und nach DPD zu ermöglichen. Der bei diesem Direct-DPD-Verfahren verwendete Algorithmus ist in den Referenzen [2] und [3] beschrieben.

Die Mittenfrequenz liegt wiederum bei 26 GHz und nutzt weiterhin einen vollbelegten 256-QAM-Träger mit 400 MHz Bandbreite. Der Verstärker wird erneut bei seiner Messleistung angesteuert, sodass der Verstärker stark in Kompression getrieben wird.

Die resultierende Performance vor DPD wird in Abschnitt 5.2 oben beschrieben. Nach DPD verbessert sich der EVM von 5,1 % auf 1,7 %.

Für die Nachbarkanalleistung ergibt sich ebenso eine dramatische Verbesserung von 32 dB auf ca. 42 dB, wenn die DPD aktiviert ist.

Abbildungen 12 und 13 zeigen klar und deutlich die dramatische Verbesserung bei AM-PM des Verstärkers. In diesen wird die entsprechende AM-PM-Performance vor und nach der Korrektur gezeigt. Man sieht, dass eine AM-PM mit ca. 10 Grad in Kompression nach der Korrektur auf ein nahezu vernachlässigbares Niveau reduziert wird.

Fazit

Unter normalen Betriebsbedingungen werden Verstärker gewöhnlich bei oder nahe bei Kompression angesteuert, um die Effizienz zu maximieren. Um das EVM-Ziel des 3GPP-Standards von 4,5 % zu erfüllen, müsste bei diesem Verstärker zweifellos ein gewisser Grad an Vorverzerrung angewendet werden.

Wenn Verstärker an ihre Leistungsgrenzen gebracht werden, gibt es bei den Messungen eine Anzahl von Messherausforderungen, angefangen beim Dynamikbereich bis hin zu exakten und reproduzierbaren Messungen der Modulationsqualität. Für HF-Ingenieure ist es unabdingbar, die Grenzen ihrer Geräte zum einen unter 3GPP-standardkonformen Bedingungen, zum anderen unter realistischen Betriebsbedingungen zu kennen.

In Zusammenarbeit mit einer Anzahl von Industriepartnern gewährt dieses Paper einen wichtigen Einblick in die Herausforderungen beim Entwurf und der Messung in Bezug auf das Schlüsselthema 5G New Radio.

Referenzen

[1] 3GPP TS 38.141-1 and 38.141-2 v1.1.0, 3rd Generation Partnership Project; Base Station (BS) Conformance Testing.

[2] Amplifier Characterization Using Non-CW Stimulus http://ieeexplore.ieee.org/iel7/7990360/7999522/07999563.pdf

[3] R&S Application Note 1EF99: Iterative Direct DPD https://www.rohde-schwarz.com/us/applications/iterative-direct-dpd-white-paper_230854-478144.html