5G New Radio 테스트 표준을 이용한 24-28GHz 전력 증폭기 테스트, 과제와 결과

이동 중에 시청하는 HD 동영상부터 자율주행 차량, 산업 IOT까지, 모바일 네트워크를 통한 데이터 요구사항이 끊임없이 증가함에 따라 새로운 5G 네트워크는 mmWave 주파수까지 사용할 예정이며, 영국의 경우 24.25 - 27.5 GHz에서 26GHz 파이오니어 대역을 지정받기도 했습니다.

4G 네트워크에 비해 거의 10배 증가된 주파수로 인해 필요한 하위 구성요소, 네트워크 인프라, 최종 사용자 기기뿐만 아니라 그 개발에 필요한 테스트 및 계측 방식에서도 새로운 과제를 해결해야만 합니다.

본 논문에서는 이러한 주파수에서 기기의 테스트 및 계측과 관련된 몇 가지 과제를 소개합니다. 그런 다음 5G NR 테스트 파형을 이용한 26 - 28GHz 파이오니어 대역 듀얼 채널 증폭기 평가 모듈 테스트를 소개합니다.

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, Germany

서론

최근까지 3GPP 이동통신 표준에 적용된 주파수 대역은 단일 채널 대역폭이 20MHz를 넘지 않는 2 - 3GHz이었습니다. 3GPP 릴리스 15 및 5G NR(5 G New Radio) 기술이 적용되면서 6GHz 미만 대역에서 최대 100MHz의 채널 대역폭으로 확장되었고, 밀리미터파 대역에서는 최대 400MHz까지 확장되었습니다.

LTE 표준과 3GPP 38.141의 5G 버전 간 측정을 비교해보면 LTE의 많은 측정 방식이 5GNR의 해당 항목과 같은 것을 볼 수 있습니다. 하지만 5G New Radio에 추가된 "모드" 수로 인해 측정의 잠재적인 필요량도 크게 증가되었습니다. 주요 차이는 다음과 같습니다.

  • 주파수 대역 1 FR1 (6GHz 미만) 및 FR2 (mmWave)
  • 유도 대 방사 측정 비교
  • FDD, TDD
  • 다른 대역폭 (5 - 100MHz 또는 400MHz)
  • SCS(Sub Carrier Spacings)
측정 과제

측정 과제

3GPP 문서 38.141-1에는 Conducted 측정에 대해 기술되어 있으며, 38.141-2에서는 Radiated 측정에 대해 기술되어 있습니다. 여기에 FR1 및 FR2 주파수 대역의 256QAM에 4.5% 미만의 EVM 성능이 요구되는 것으로 나와 있습니다.

또한 사용된 각 서브 캐리어 스페이싱에 대해 분석 신호 처리에서 관리해야 하는 각 채널 대역폭, FFT 크기, EVM 윈도우 요구사항의 EVM 계산 요구사항에 대한 논의를 계속합니다.

FR1에서 EVM 측정은 Conducted 및 Radiated에서 가능하고 FR2의 3GPP 표준 측정은 Radiated 환경에서만 가능하다는 점은 기존 표준과 크게 다른 점이며, 이는 Integration Level이 훨씬 높은 mmWave 주파수용 회로에서 Conducted 측정 수행 가능한 측정점이 없을 것으로 예상되기 때문에 나타난 직접적인 결과이기도 합니다. 이로 인해 시스템 설계는 증가하고 테스트는 더욱 복잡해집니다.

FR2 방사 측정의 EVM 한도가 4.5%라고 가정할 경우 표준에서 완전히 다루지 않는 세 가지 주요 항목을 고려 및 완화해야 합니다.

  • 1. 주파수 응답으로 인한 EVM 영향(진폭 및 위상)
  • 2. 노이즈로 인한 EVM 영향
  • 3. 왜곡으로 인한 EVM. 예: PA의 비선형 영향

측정 시 EVM 영향은 3GPP 38.141의 6.6.3.1에 EVM의 정의에서 등화(Equalization) 사용이 포함된 바와 같이 표준에서 대부분 다루고 있습니다. 이 자체는 측정 중 채널의 주파수 및 위상 응답을 보상합니다.

노이즈로 인한 측정의 EVM 영향은 특히 OTA 환경에서 이보다 처리하기가 어렵습니다. 관리자는 시스템의 노이즈 성능이 측정 중인 기기의 EVM에 추가되지 않도록 측정 시스템의 전체 링크 버짓(Budget)에 주의해야 합니다.

Testing-24-28GHz-Power-Amplifier-using-5G_02.png

항목 1은 이퀄라이저를 사용하여 특성 분석 맟 보상이 가능하고 항목 3은 Digital pre-distortion을 통해 특성 분석 및 보상이 가능하며, 포인트 2는 EVM 측정으로 인한 특성 분석만 가능하고 보상은 가능하지 않으며 설계로만 최소화할 수 있습니다. 그림 1은 DUT가 없는 EVM 테스트 시스템의 원시 성능으로, 6GHz 미만 대역에서 수행한 측정에 비해 다이내믹 레인지가 훨씬 작은 mmWave 주파수에서 링크 버짓을 최적화하기 위한 요구사항이 강조 표시되어 있습니다.

이 논문에서는 DUT를 테스트하기 위해 3GPP 호환 파형을 사용하는 방식으로 기기를 연결했으며 결과를 전체 시스템 설계에 활용할 수 있는 분석 방법을 채택했습니다.

Testing-24-28GHz-Power-Amplifier-using-5G_03.png

테스트 셋업

그림 2의 테스트 셋업은 SMW200A Vector Signal Generator(40GHz RF 대역폭, 최대 2GHz 변조 대역폭), FSW43 Signal and Spectrum Analyser(43.5GHz RF 대역폭, 2GHz 분석 대역폭, 800MHz 실시간 대역폭), E36313A Programmable DC Supply로 구성되어 있으며, 증폭기의 두 단계를 바이어스하는 데 이 전원공급장치를 사용하였습니다.

테스트 1단계에서는 SMW200A에 SMW-K144 옵션의 릴리스 버전을 사용해 위에서 언급한 3GPP 표준과 호환되는 매우 깔깔끔한 5G NR 파형을 생성할 수 있었습니다. 이 셋업은 평평한 주파수 응답과 최대 2GHz의 대역폭을 제공하며 FSW용 해당 FSW-K144 옵션을 장착할 경우 이 사례의 유도 측정 경계 내에서 표준 호환 매개변수를 사용하여 다운링크 신호에 대한 필요 분석을 면밀히 수행할 수 있습니다.

테스트 2단계에서는 DUT에서 제공한 왜곡의 원인이 되는 신호로 자극할 때 증폭기의 Digital predistortionDPD를 살펴보고 기기 성능을 확인합니다. 이러한 측정은 FSW-K18 Amplifier 테스트 펌웨어를 사용하면서 FSW Signal Analyser에서 제공하는 3GPP 호환 파형을 사용하여 수행하였습니다. 이 펌웨어를 사용하면 DPD를 적용하거나 적용하지 않은 상태에서 AM/AM, AM/PM, 게인 압축, ACP와 같은 EVM 이외의 기기 특성을 측정하여 최종 테스트 시스템에서 달성 가능한 최적의 기기 성능을 보여줄 수 있습니다.

기기 설명

테스트 기기 - 24 - 28 GHz 듀얼 채널 PA

mmWave 5G의 최종 운영 대역은 2019년 World Radio Conference(WRC-19)에서 합의될 예정입니다. 유럽의 경우 RSPG는 2016년 11월 Strategic Roadmap Towards Europe에서 mmWave 5G 파이오니어 대역으로 26GHz 대역(24.25 - 27.5GHz)을 권고했습니다.

그림 3은 Plextek RFI에서 개발한 고성능 파이오니어 대역 24 - 28 GHz 전력 증폭기 MMIC입니다. 이 부품은 24.5dBm보다 큰 P1dB 출력과 약 20dB의 게인으로 설계되었고 1dB 압축에서 대역 전반에 걸쳐 22% 이상의 PAE와 6dB 백오프에서 7% 이상의 PAE를 달성합니다.

Testing-24-28GHz-Power-Amplifier-using-5G_04.png

미래 5G 네트워크에서 가장 큰 과제 중 하나는 빔 스티어링에 사용되는 위상 배열과 같이 높은 수준의 통합이 요구된다는 점입니다.

이 통합을 예로 들면 Compound Semiconductor Applications Catapult는 Plextek RFI와 Filtronic이 저가의 단일 7mm x 7mm QFN 패키지에 위에서 설명한 PA mmic 2개를 장착한 평가 모듈의 설계 및 제작을 공동 개발할 것을 의뢰했습니다.

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구현된 듀얼 채널 증폭기가 그림 4에 나와 있습니다. MMIC 성능은 웨이퍼 측정 시 RF와 유사하며 작은 신호 및 전력 성능에서 작은 차이만 나타났습니다.

그림 5 – 레퍼런스 입력 전력에서의 게인
그림 5 – 레퍼런스 입력 전력에서의 게인
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그림 6 - 레퍼런스 입력 전력에서 ACPR 성능
그림 6 - 레퍼런스 입력 전력에서 ACPR 성능
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측정 결과

게인 및 ACP - 레퍼런스 측정

가능한 한 까다롭게 측정하기 위해 400MHz 대역폭 및 256 QAM 변조를 적용하고 26 GHz를 중심으로 한 5G NR 다운링크 표준 호환 파형을 사용하여 측정을 수행했습니다.
기기의 '레퍼런스' RMS 게인은 19.6dB 결과를 얻기 위해 압축에서 충분히 먼 지점에서 측정했습니다. 결과 성능은 그림 5에 게인으로, 그림 6에 ACP 성능으로 표현되어 있습니다.

그림 7 – 24 -28GHz 전력 증폭기 MMIC
그림 7 – 24 -28GHz 전력 증폭기 MMIC
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압축 시 측정

기기의 최대 입력 출력은 정격 10dBm 피크입니다. 이를 기준으로 기기를 가능한 세게 구동해 이 레벨 바로 아래까지 최악의 사례 결과를 만들기로 결정했습니다.

이 레벨에서 입력 신호를 공급하면 -1.3 dBm의 입력 전력, 19.1 dB의 게인, 1.8 dB의 신호 파고율 압축이 나타납니다.

이러한 조건에서 증폭기는 평균 5.1%의 EVM을 달성합니다(그림 7).

그림 8 – "알려진 데이터 없이" 고도 압축의 3GPP 호환
그림 8 – "알려진 데이터 없이" 고도 압축의 3GPP 호환

이제 3GPP 호환 신호 처리 조건에서 이 기기를 측정할 경우 생성되는 EVM은 이보다 낮은 4.69%가 됩니다. (그림 8). 그 이유는 3GPP 측정 조건에서 신호 분석기는 복조 중 레퍼런스 신호를 재건하려는 시도를 하기 때문입니다. 복조 신호가 비트 오류를 포함해 심하게 왜곡될 경우 틀린 레퍼런스 신호가 만들어지고 잘못된 EVM 수치를 얻게 됩니다.

이러한 조건에서 정확한 EVM을 측정하려면 시스템이 전송된 신호 전체를 알아야 합니다. 즉, 알려진 데이터 방식을 사용해야 합니다.

이 점은 기기 제조업체와 측정 엔지니어가 알아야 할 핵심입니다.

그림 9 – 고도 압축 조건의 ACP
그림 9 – 고도 압축 조건의 ACP
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인접 채널 성능 면에서, 원시 증폭기 성능은 하위 채널의 400MHz 오프셋에서 32dBc, 상위 채널에서 33.5dB의 인접 채널 출력을 달성합니다.

압축 측정에서 3dB 및 6dB 백오프 출력에서 ACP 측정도 실행하여 각각 38dBc 및 43dBc를 얻었습니다.

그림 10 – DPD를 적용한 EVM
그림 10 – DPD를 적용한 EVM
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DPD를 이용한 측정 결과

기기의 비선형성을 보상할 때에는 기기가 얼마나 "좋아질 수 있는가"를 보여주는 것이 좋습니다. 그러면 네트워크에 구축하는 최종 제품에 적용하여 현실적 시나리오를 구현할 수 있습니다.

이를 위해 FSW의 기본 탑재 DPD 알고리즘을 사용하면 DPD 전후에 EVM 및 ACP를 측정할 수 있습니다. 이 Direct DPD 방법에서 사용하는 알고리즘은 레퍼런스 [2] 및 [3]에 설명되어 있습니다.

중심 주파수는 26 GHz이며 계속해서 완전히 로드된 256 QAM 400 MHz 대역폭 캐리어를 사용합니다. 여기에서도 측정 출력에서 증폭기를 구동하여 증폭기를 고도 압축 상태로 가동합니다.

그림 11 – DPD를 적용한 ACP
그림 11 – DPD를 적용한 ACP
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DPD 이전 결과 성능은 5.2절에 나와 있으며 DPD 이후 EVM은 5.1%에서 1.7%로 개선됩니다.

DPD를 적용한 경우 ACP도 32 dB에서 ~42 dB로 크게 개선되었습니다.

그림 12 – DPD 전 AM-AM, AM-PM
그림 12 – DPD 전 AM-AM, AM-PM
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그림 12 및 13에 수정 전후 AM-PM 성능이 나와 있습니다. 여기에서 증폭기의 AM-PM 성능이 크게 개선된 것을 분명히 확인할 수 있으며 압축 약 10도의 AM-PM이 거의 무시할 만한 수준의 수정 후 값으로 감소된 것을 볼 수 있습니다.

그림 13 – DPD 후 AM-AM, AM-PM
그림 13 – DPD 후 AM-AM, AM-PM
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결론

증폭기의 정상 작동 조건을 구현하기 위해 가장 효율적인 방법은 일반적으로 압축에, 또는 압축에 가깝게 구동하는 것입니다. 이 증폭기는 3GPP 표준의 4.5% 목표를 충족하기 위해 확실히 어느 정도의 Pre-distortion을 적용할 필요가 있습니다.

성능 한도를 높인 상태에서 증폭기를 측정할 경우 다이내믹 레인지부터 정확하고 재현 가능한 변조 품질 측정까지 다양한 측정 과제를 해결해야 합니다. RF 엔지니어는 3GPP 표준 준수 조건뿐만 아니라 현실적 작동 조건에서 기기의 한도를 아는 것이 중요합니다.

본 논문은 여러 산업 파트너와 공동으로 5G New Radio의 주요 항목 중 설계 및 측정 문제에 관한 중요 정보를 제공합니다.

참고 자료

[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

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