Test d'un amplificateur de puissance 24 - 28 GHz en utilisant la norme de test 5G New Radio, les défis et les résultats

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. Muehldorfstrasse, Munich, Allemagne

Introduction

Jusqu'à présent, les normes relatives aux communications mobiles 3GPP devaient posséder des bandes de fonctionnement appartenant à la gamme de fréquence 2 - 3 GHz, avec des bandes passantes ne dépassant pas 20 MHz par voie. Avec la 3GPP communiqué 15 et la technologie 5G New Radio (5G NR), cela évolue afin de proposer des bandes passantes jusqu'à 100 MHz par voie dans le spectre 6 GHz et jusqu'à 400 MHz dans le spectre des ondes millimétriques.

En comparant les mesures entre la norme LTE et la version 5G de la 3GPP 38.141, on remarque que plusieurs méthodes de mesure de la LTE ont été dupliquées pour obtenir des équivalents 5GNR. Cependant, du fait du nombre de “modes” supplémentaires au sein de la 5G New Radio, le nombre de mesures potentielles a significativement augmenté. Les principales différences sont :

• La gamme de fréquence 1 FR1 (sous les 6 GHz) et FR2 (ondes millimétriques)
• Les mesures des perturbations conduites face aux mesures des perturbations rayonnées
• FDD, TDD
• Des bandes passantes différentes (5 à 100 MHz ou 400 MHz)
• Les écarts de sous porteuse (SCS)

Les défis de la mesure

Le document 38.141-1 de la 3GPP décrit les mesures de perturbations conduites alors que le 38.141-2 travaille avec les mesures des perturbations rayonnées. Ces documents affirment qu'une performance EVM < 4,5% est nécessaire pour un 256QAM, pour les deux gammes de fréquence FR1 et FR2.

Le document évoque également les exigences de calcul de la EVM pour chaque bande passante, la taille de la FFT et les exigences du fenêtrage EVM pour chaque décalage de sous-porteuse utilisé, auxquelles le traitement du signal doit faire attention.

Alors que les mesures EVM dans la FR1 peuvent être réalisées de manière conduites et rayonnées, les mesures selon la norme 3GPP dans la FR2 ne devront être réalisées que dans un environnement rayonné, il s'agit d'une avancée significative par rapport aux normes existantes, c'est le résultat direct du niveau d'intégration beaucoup plus élevé requis pour les fréquences des ondes millimétriques, où l'on s'attend à ce qu'il n'y ait aucun point dans le circuit où des mesures conduites puissent être réalisées, cela augmente la durée de conception du système et la complexité du test.

Compte tenu d'une limite de la EVM fixée à 4,5% dans les mesures rayonnées de la FR2, il y a trois points clés à prendre en considération et à réduire, que la norme ne traite pas entièrement :

• 1. L'influence de la EVM relative à la réponse en fréquence (amplitude et phase)
• 2. L'influence de la EVM relative au bruit
• 3. L'EVM relative à la distorsion, par exemple l'effet non linéaire de la PA

L'influence de la EVM dans la mesure est largement couverte dans la norme, puisque la définition de la EVM décrite dans le paragraphe 6.6.3.1 de la 3GPP 38.141 inclue l'utilisation de l'égalisation. Cela corrigera la réponse en fréquence et en phase de la voie pendant la mesure.

L'influence de la EVM de la mesure relative au bruit est plus difficile à traiter, indéniablement dans un environnement sans fil. Il est nécessaire de s'occuper de l'ensemble du bilan de liaison du système de mesure, de sorte que la performance du bruit du système ne contribue pas à l'EVM du dispositif mesuré.

Les éléments 1 peuvent être caractérisés et compensés en utilisant un égaliseur, l'élément 3 peut être caractérisé et compensé via une pré-distorsion numérique, alors que le point 2 ne peut être caractérisé que par la mesure de la EVM mais ne peut pas être compensé et réduit uniquement par conception. La Figure 1 montre la performance brute d'un système de test EVM sans dispositif à tester, mettant en évidence la nécessité d'optimiser le bilan de liaison avec les fréquences des ondes millimétriques, qui ont une gamme dynamique inférieure par rapport aux mesures conduites dans les bandes 6 GHz.

Pour le test du dispositif dans le présent document, celui-ci ayant été connecté, l'approche adoptée a été d'utiliser des formes d'ondes et des méthodes d'analyse conformes à la 3GPP, de sorte que les résultats puissent être proposés en tant que contribution utile à une conception globale du système.

Configuration du test

La configuration du test est indiquée en figure 1, elle se compose d'un générateur de signaux vectoriels SMW200A avec une bande passante RF de 40 GHz et une bande passante de modulation de 2 GHz, un analyseur de spectre et de signaux FSW43 avec une bande passante RF de 43,5 GHz, une bande passante d'analyse de 2 GHz et une bande passante en temps réel de 800 MHz, une alimentation DC programmable E36313A est utilisée pour influencer les deux étages de l'amplificateur.

La première étape du test utilise une version classique de l'option SMW-K144 sur le SMW200A, qui permet la génération de formes d'ondes 5G NR très nettes conformes à la norme 3GPP évoquée précédemment. Cela fournit une réponse en fréquence plane et des bandes passantes jusqu'à 2 GHz, avec l'option FSW-K144 correspondante pour le FSW permettant l'analyse en profondeur exigée des signaux en liaison descendante, en utilisant les paramètres conformes à la norme dans les limites des mesures conduites dans ce cas.

La seconde étape du test vérifie la pré-distorsion numérique (DPD) de l'amplificateur, afin de déterminer la performance du dispositif lorsqu'il est stimulé par un signal intégrant toutes les distorsions provenant du dispositif sous test. Ces mesures ont été réalisées en utilisant des formes d'ondes conformes à la 3GPP, tout en utilisant le firmware de test d'amplificateur FSW-K18 fournit par l'analyseur de signaux FSW. Ce firmware permet la mesure des caractéristiques du dispositif étant appliquées, autres que l'EVM seule, telles que AM / AM, AM / PM, compression du gain, ACP avec et sans DPD, afin de montrer la performance optimale de l'appareil qui pourrait être obtenue dans un système de test final.

Description du dispositif

Dispositif de test - PA double voie 24 - 28 GHz

Les bandes de fonctionnement pour les ondes millimétriques de la 5G seront approuvées lors de la World Radio conference en 2019 (WRC-19), en Europe le RSPG a recommandé la bande 26 GHz (24,25 - 27,5 GHz) comme bande pionnière pour les ondes millimétriques de la 5G lors de son Strategic Roadmap Towards Europe en novembre 2016.

La Figure 3 montre une image d'un amplificateur de puissance MMIC 24 - 28 GHz développé par Plextek RFI, couvrant la bande pionnière avec une performance impressionnante. La partie, qui a été conçue pour avoir une sortie P1dB supérieure à 24,5 dBm et un gain d'environ 20 dB, obtenant un PAE supérieur à 22% dans la bande avec une compression de 1 dB et un PAE supérieur à 7%, possède une réduction de 6 dB.

L'un des défis importants dans les futurs réseaux 5G sera les niveaux élevés d'intégration exigés, comme par exemple dans les antennes réseau en phase utilisées pour l'orientation du faisceau, il est ici probable que nous comprendrons la nécessité d'avoir plusieurs amplificateurs de puissance dans un seul boîtier.

Comme exemple de cette intégration, le Compound Semiconductor Applications Catapult a autorisé un développement collaboratif entre Plextek RFI et Filtronic, pour concevoir et fabriquer un module d'évaluation doté de deux amplificateurs de puissance MMIC décrit précédemment, montés dans un seul boîtier économique 7 mm x 7 mm stratifié QFN.

L'amplificateur à double voie réalisé est illustré en figure 4, la performance du MMIC était très similaire au RF sur les mesures de couche, avec seulement de faibles changements visibles dans le signal bas et la performance en puissance.

Résultats de mesure

Gain et ACP - Mesure de référence

Afin de rendre la mesure aussi difficile que possible, les mesures ont été réalisées en utilisant une forme d'onde standard de liaison descendante 5G, centrée sur 26 GHz, avec une bande passante de 400MHz et une modulation sur 256 QAM.
Le gain RMS ‘Référence’ de l'appareil a été mesuré à un point suffisamment éloigné de la compression, pour donner un résultat de 19,6 dB. La performance résultante est illustrée en figure 5 en termes de gain et avec une performance ACP illustrée en figure 6.

Mesure dans la compression

La puissance d'entrée maximale du dispositif est de 10 dBm crête. Sur cette base, il a été décidé d'utiliser le dispositif le plus sévèrement possible, afin de produire les pires résultats, juste sous ce niveau.

La fourniture de signaux d'entrée à ce niveau engendre une puissance d'entrée de -1,3 dBm, un gain = 19,1 dB et une compression du facteur de crête du signal par 1,8 dB.

Dans ces conditions, l'amplificateur obtient un EVM moyen de 5,1% (Figure 7)

En mesurant maintenant ce dispositif dans les conditions de traitement du signal conformément à la 3GPP, l'EVM produit est inférieur de 4,69%. (Figure 8). La raison est que dans les conditions de mesure de la 3GPP, l'analyseur de signaux essayera de reconstruire le signal de référence pendant la démodulation. Là où le signal de démodulation est très distordu, y compris les erreurs de bits, un signal de référence erroné se produira, d'où une figure EVM fausse.

Pour mesurer un EVM correct dans ces conditions, le système doit connaître entièrement le signal envoyé, par exemple il doit utiliser une approche de données connue.

C'est un point important dont les fabricants de dispositifs et les ingénieurs en mesure doivent avoir conscience.

En termes de performance du canal adjacent, la performance brute de l'amplificateur est une puissance du canal adjacent de l'ordre de 32 dBc, à un décalage de 400 MHz sur le canal bas et de 33,5 dB sur le canal haut.

Une mesure ACP a également été réalisée à des puissances de 3dB et 6dB, avec une mesure de compression résultant respectivement à 38 dBc et 43 dBc.

Résultats de mesure avec DPD

Il est utile de montrer à quel point le dispositif “peut être bon” lorsqu'il s'agit de compenser ses non-linéarités, car c'est un scénario réaliste lorsqu'il est utilisé dans un produit fini qui serait déployé dans le réseau.

Pour ce faire, nous avons recours à l'intégration de la FSW dans les algorithmes DPD pour permettre la mesure de la EVM et de l'ACP avant et après le DPD. L'algorithme utilisé pour cette méthode de DPD direct est décrit dans les références [2] et [3].

La fréquence centrale est encore de 26 GHz, et continue d'utiliser une pleine charge, porteuse à bande passante 400 MHz 256 QAM. De nouveau, l'amplificateur est amené à sa puissance de mesure en poussant fortement l'amplificateur dans la compression.

La performance obtenue avant DPD est décrite dans la section 5.2 ci-dessus, et après DPD, l'EVM passe de 5,1% à 1,7%

Il y a également une nette amélioration dans l'ACP de 32 dB à ~42 dB avec le DPD appliqué.

La nette amélioration en AM / PM de l'amplificateur est clairement illustrée par les figures 12 et 13 où la performance AM / PM correspondante avant et après la correction est indiquée, il peut être observé ici qu'un AM / PM d'environ 10 degrés dans la compression est réduit à un niveau négligeable après la correction.

Conclusion

Dans des conditions normales d'utilisation des amplificateurs, étant plus efficaces, ils sont généralement amenés à ou près de la compression. Pour atteindre les 4,5% EVM ciblés par la norme 3GPP, cet amplificateur aura clairement besoin de l'application de quelques niveaux de pré-distorsion.

Les mesures des amplificateurs, lorsque ceux-ci sont poussés à leurs limites de performance, engendrent de nombreux défis de mesure, allant de la gamme dynamique à la précision et jusqu'aux mesures de qualité de la modulation reproductible. Il est primordial pour les ingénieurs RF de connaître les limites de leurs dispositifs dans les conditions de conformité à la norme 3GPP, mais également dans des conditions de fonctionnement réalistes.

Cet article fournit des informations importantes relatives aux défis de conception et de mesure relatifs aux thèmes principaux de la 5G New Radio, en collaboration avec plusieurs partenaires industriels.

Références

[1] 3GPP TS 38.141-1 et 38.141-2 v1.1.0, Projet de partenariat de 3ème génération; test de la conformité de la station de base (BS).

[2] Caractérisation d'un amplificateur en utilisant des stimulus à ondes non continues http://ieeexplore.ieee.org/iel7/7990360/7999522/07999563.pdf

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