Breitband-Kommunikation Leistungsoptimierung für HF-Verstärker

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HF-Leistungsverstärker mit linearem Verhalten über einen weiten Bereich und Eignung für komplexe Modulationsverfahren werden für Funkstandards mit höheren Datenraten immer wichtiger. Für die Charakterisierung und Leistungssteigerung spielen verschiedene Kenngrößen und Prüfverfahren eine Rolle.

Es werden laufend neue Kommunikationsstandards veröffentlicht oder bestehende Standards weiterentwickelt, um neue Anwendungsfälle, Dienste und Anwendungen zu unterstützen – und jeder Standard stellt seine eigenen Anforderungen an die Systemperformance, gerade wenn hohen Datenraten und damit weite Signalbandbreiten gefordert sind.

Daraus ergeben sich insbesondere hohe Anforderungen an die Performance von aktiven Komponenten wie beispielsweise HF-Leistungsverstärkern. Größere Kanalbandbreiten und komplexe digitale Modulationsverfahren ermöglichen eine schnellere Datenübertragung, sind aber auch mit strengeren Vorgaben an das Design verbunden. Mit größeren Bandbreiten und komplexen Modulationsverfahren nimmt die Anfälligkeit für falsch decodierte Symbole und die damit einhergehenden Bitfehler zu. Aus diesem Grund muss sich der Verstärker bei diesen Anwendungsfällen über einen größeren Frequenzbereich linear verhalten.

Umfassende Teststrategie von HF-Verstärkern

Für den Entwicklungsingenieur rückt die Optimierung des Verstärkerverhaltens über den relevanten Frequenz- und Leistungsbereich zur Unterstützung komplexer Modulationen in den Mittelpunkt. Hierfür ist eine umfassende, strukturierte Teststrategie erforderlich. Design- und Verifizierungstests von HF-Leistungsverstärkern fallen grundsätzlich in zwei Kategorien: einerseits Messungen grundlegender Eigenschaften eines Verstärkers mit Hilfe von CW-Signalen (Continuous Wave) und andererseits Tests mit modulierten Signalen, um die Performance unter entsprechenden Breitbandbedingungen sicherzustellen.

Zu den CW-basierten Tests gehören die Messung der Verstärkung und Impedanzanpassung über den geplanten Frequenzbereich genauso wie die Analyse der Verzerrung im nichtlinearen Bereich, in Form von Kompression, Harmonischen und Intermodulation. Alle diese Tests sowie auch Messungen der Rauschzahl, des Wirkungsgrads und des Leistungswirkungsgrads (Power Added Efficiency, PAE) lassen sich mit einem geeigneten Vektornetzwerkanalysator (VNA) wie dem R&S ZNA in Verbindung mit einem Netzgerät durchführen (Bild 1).

Den nutzbaren Leistungsbereich des Verstärkers ermitteln

Durch die Messung der Kompressionspunkte lässt sich der nutzbare Leistungsbereich des Verstärkers ermitteln, bevor er in Sättigung geht und nichtlinear wird. Dazu wird die Ausgangsleistung über der Verstärkung mit einem VNA gemessen und der 1-dB- oder 3-dB-Kompressionspunkt bestimmt. Zur Prüfung des Wirkungsgrads wird durch das Netzgerät der Energieverbrauch ermittelt, der dann mit der am Ausgang des Verstärkers gelieferten zusätzlichen HF-Leistung verglichen wird.

Der Leistungswirkungsgrad (Power Added Efficiency, PAE) drückt aus, wie effizient ein Verstärker die Leistung eines HF-Signals in Bezug auf den Stromverbrauch verstärkt. Er kann bestimmt werden, indem mit einem VNA die HF-Eingangs- und Ausgangsleistung gemessen werden, während ein Netzgerät erfasst, welche elektrische Leistung der Verstärker aufnimmt.

Zusätzliche Frequenzkomponenten als Indikator für Nichtlinearität

Ein weiterer wichtiger Indikator für Nichtlinearität sind die von einem Verstärker aufgrund von Intermodulation und harmonischer Verzerrung erzeugten zusätzlichen Frequenzkomponenten. Für den Intermodulationstest werden zwei Signale mit einem bestimmten Offset und Leistungspegel in einen Verstärker eingespeist und die Intermodulationsprodukte zweiter und dritter Ordnung (IM2 und IM3) gemessen. Sie werden dann mit den Grundfrequenzsignalen verglichen, um IM2 und IM3 zu berechnen.

Zur Messung der erzeugten Oberwellen wird ein CW-Signal in den Leistungsverstärker eingespeist und bei einem Vielfachen der Grundfrequenz gemessen. Die frequenzumsetzende Messfunktion des VNA erleichtert die Messung, da die Oberwellenfrequenzen beim Zwei-, Drei-, Vierfachen oder höher. der Eingangsfrequenz liegen. Für das Verständnis der Linearität des Verstärkers ist auch der Interceptpunkt dritter Ordnung (IP3) von zentraler Bedeutung. Es handelt sich um eine Approximation des Vergleichs des linearen Verhaltens und der Anstiegsrate der dritten Harmonischen.

Die Rauschzahl hat negative Auswirkungen auf den Dynamikbereich und das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) und ist ein Maß für das vom Verstärker selbst erzeugte Rauschen. Zur Bestimmung der Rauschzahl wird das Ausgangsrauschen gegenüber dem Eingangsrauschen unter Berücksichtigung der Verstärkung bewertet. Bei dem Cold-Source-Verfahren wird das Rauschen bei ausgeschalteter Quelle und die Verstärkung bei eingeschalteter Quelle gemessen. Ein VNA dient sowohl als Quelle als auch als Messempfänger. Alternativ werden bei der Y-Faktor-Methode ein Spektrumanalysator und eine Rauschquelle eingesetzt. Es werden zwei Messungen durchgeführt: eine mit eingeschalteter Rauschquelle und eine mit ausgeschalteter Rauschquelle. Über das Verhältnis beider Messpunkte wird das durch den Verstärker selbst hinzugefügte Rauschen ermittelt.

Von einem CW-Test mit einem VNA zum Modulationstest

CW-Tests mit einem VNA liefern wichtige Informationen über die grundlegenden Eigenschaften des Verstärkers. Allerdings können nur modulationsbasierte Tests Aufschluss darüber geben, wie sich das Gerät bei Verwendung eines speziellen Funkstandards verhält, für den es entwickelt wurde – beispielsweise 5G oder WiFi. Für diese Art von Tests werden ein Vektorsignalgenerator (VSG) und ein Signalanalysator mit entsprechender Frequenzabdeckung und Bandbreite benötigt, wie in Bild 2 dargestellt.

Bei modulierten Tests stellt die Fehlergröße (Error Vector Magnitude, EVM) die wichtigste Kennzahl zur Charakterisierung der Modulationsqualität dar. Jedem Symbol in einer I/Q-Konstellation ist ein Ideal- oder Referenzpunkt mit einem bestimmten Betrag und einer bestimmten Phase zugeordnet. Die empfangenen oder gemessenen Punkte entsprechen jedoch selten genau dem idealen Punkt.

Die Abweichungen sind teilweise auf Betragsfehler (Magnitude error) und teilweise auf Phasenfehler (Phase error) zurückzuführen. Diese beiden Fehlerquellen lassen sich quantifizieren, indem die Referenz- und Messpunkte durch einen Vektor verbunden werden. Dieser Vektor ist der namensgebende Fehlervektor (Bild 3). Das quadratische Mittel der Amplitude des Fehlervektors (Root Mean Square, RMS), normiert auf die ideale Referenzamplitude, ergibt den EVM-Wert, der entweder in Prozent oder dB angegeben wird. Der EVM-Wert wird zu jedem Symbolzeitpunkt gemessen. Höhere EVM-Werte bedeuten eine höhere Wahrscheinlichkeit, dass der Empfänger ein Symbol mit einem anderen verwechselt, und damit eine höhere Bitfehlerwahrscheinlichkeit entsteht.

Die gemessenen I/Q-Punkte können in einem Konstellationsdiagramm visualisiert und mit einem Signalanalysator mit den jeweiligen Idealwerten verglichen werden. Für den Entwicklungsingenieur ist dieses Diagramm äußerst hilfreich, da es einen Überblick über die allgemeine Modulationsqualität bietet. Darüber hinaus lässt die Fehlerverteilung auf spezielle Probleme der Verstärkerperformance schließen, beispielsweise Phasenrauschen, weißes Rauschen oder Kompression.

Wie die Linearisierung des Verstärkers erfolgt

Die Linearisierung des Verstärkers kann auf verschiedene Arten erfolgen. Am gängigsten ist die digitale Vorverzerrung (DPD) des Signals, wie in Bild 4 gezeigt. Dabei wird die eingehende Wellenform dynamisch modifiziert, um das nichtlineare Verhalten des Leistungsverstärkers im Voraus zu kompensieren. Die Vorverzerrung verbessert die Signalqualität und reduziert den EVM-Wert.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Nachbarkanalstörung, ausgedrückt in ACLR reduziert wird, wenn ein Vielfaches der Signalbandbreite für den Linearisierungsansatz verwendet wird. Die digitale Vorverzerrung basiert auf mathematischen Algorithmen und kann auf verschiedene Weise realisiert werden. Ein iterativer Ansatz für die digitale Vorverzerrung führt schnell zu Ergebnissen und bietet eine einfache Möglichkeit, die bestmögliche Performance eines Verstärkers mit DPD zu finden. Entwickler von HF-Leistungsverstärkern möchten verstehen, wie gut das Verstärkerverhalten durch Vorverzerrung linearisiert werden kann, um den Verstärker nahe am Kompressionspunkt zu betreiben, wo der Wirkungsgrad maximal ist.

Die Messungen, die zur Erstellung eines Modells des Leistungsverstärkers notwendig sind, lassen sich problemlos mit dem R&S SMW200A Vektorsignalgenerator in Verbindung mit dem R&S FSW Signal- und Spektrumanalysator durchführen. Mit den integrierten Signalerzeugungsfähigkeiten des Signalgenerators können verschiedene standardkonforme Testsignale wie beispielsweise.

5G-Signale ausgegeben werden. Der Analysator führt für jedes Testsignal sämtliche Charakterisierungsmessungen auf Grundlage einer einzigen Datenerfassung durch. Das Eingangssignal wird in einem iterativen Prozess manipuliert, um das beste Ergebnis für einen bestimmten Arbeitspunkt zu erzielen. Das vorgeschlagen System unterstützt zwei DPD-Modi: den Echtzeit-Polynom-Modus, der sich für Mobilgeräte eignet, und den Direct-DPD-Modus, der durch Korrektur des Signals auf Basis einzelner Abtastwerte eine ideale Vorverzerrung einschließlich Memoryeffekt ermöglicht.

Eeffektiver Testaufbau für Envelope Tracking

Envelope Tracking (ET) ermöglicht nur die DC-Leistung zuzuführen, die benötigt wird und steigert so die Effizienz des Verstärkers. Sie wird in batteriebetriebenen Geräten wie Mobilfunktelefonen eingesetzt. Durch die Kombination eines Signalgenerators und Spektrumanalysators, wie in Bild 5 dargestellt, entsteht ein einfacher, aber effektiver Testaufbau für ET-Anwendungen. Die ET-Technik wirkt Energieverlusten entgegen, ermöglicht längere Batterielaufzeiten und führt zu einer höheren Geräteeffizienz. Der Crest-Faktor beschreibt das Verhältnis von Scheitelwert zu Effektivwert der Signalleistung. Manche Leistungsspitzen sind zwar statistisch äußerst selten, müssen aber dennoch innerhalb des linearen Bereichs des Verstärkers gehalten werden, um das gesamte Signal linear übertragen zu können. Solche hohen Peaks können unerwünschte Intermodulationsprodukte erzeugen. Wird das Signal im Verstärker jedoch durch Kappen seltener Spitzen modifiziert, bleiben die Auswirkungen auf den Signalinhalt minimal, und das verbleibende Signal kann mit höherer Effizienz verstärkt werden.

Integrierter Messaufbau zur vollständigen Charakterisierung

Werden die Testgeräte, die für die CW- und Modulationstests genutzt wurden, zu einem integrierten Verstärkertestsystem zusammengeführt, wie in Bild 6 dargestellt, lassen sich nicht nur sämtliche Tests mit der notwendigen Flexibilität und Genauigkeit durchführen, sondern es sind auch synchronisierte Messungen möglich. Darüber hinaus laufen die Tests dank nur einer Verbindung zum Prüfling, die für alle Messungen verwendet wird, schneller ab, und das lästige Umstecken der Kabel entfällt.

Für die Funkkommunikation mit sehr hohen Datenraten sind komplexe Modulationsverfahren erforderlich, die bei gleicher Bandbreite mehr Bits pro Symbol übertragen können. Dadurch rücken die Symbole in Bezug auf Betrag und Phase näher zusammen. Um Bitfehler zu vermeiden, ist deswegen eine höhere Modulations- und Demodulationsgenauigkeit notwendig. Der Fehlervektor (EVM) ist die wichtigste Kennzahl (KPI) der Modulationsqualität. Die Ermittlung und Analyse des EVM-Wertes ist für Entwickler von HF-Leistungsverstärkern unerlässlich, um möglichen Fehlerursachen im Ausgangssignal auf den Grund zu gehen.

Zur vollständigen Bewertung von Designs während der Entwicklung, Validierung und Produktion von HF-Leistungsverstärkern wird eine Kombination aus CW- und Modulationstests angewendet. Der Prozess kann strukturiert werden, indem zunächst eine grundlegende Charakterisierung des Verstärkers mit CW-Techniken durchgeführt wird, anschließend modulierte Signale für standardspezifische Tests verwendet werden und schließlich eine Linearisierung durch eine spezifische digitale Vorverzerrung (DPD) implementiert wird. Mit einem überraschend einfachen Testaufbau gelingt dies ohne Schwierigkeiten. Eine Kombination aus Netzwerkanalysator, Signalgenerator, Signalanalysator und Netzgerät bietet dem Designer eine Komplettlösung für die Entwicklung von Verstärkern, die große Bandbreiten für Signale komplexer Modulationen abdecken. (heh)

Referenzen

1. eGuide: Testing RF power amplifier designs, Rohde & Schwarz GmbH & Co. KG, PD 3608.0391.92, Version 01.00, November 2023.

2. Flyer: RF amplifier testing -from wafer to design-in, Rohde & Schwarz, PD 5215.7568.32, Version 02.02, April 2023.

3. White Paper: Understanding EVM, Paul Dominowski, Rohde & Schwarz GmbH & Co. KG, PD 3683.8038.52, Version 01.00, Oktober 2022.

* Markus Lörner ist Market Segment Manager RF & Microwave Component bei Rohde & Schwarz.

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