James Haydn Nelson & Alejandro Buritica, National Instruments
מגברי הספק (RF Power Amplifiers – ) הם מרכיבים חיוניים של משדרי RF. מקובל לבדוק התקנים אלה בשעה שהם מפיקים רמת הספק מסוימת. תחנות בדיקת RF המשמשות במהלך אפיון, אימות וייצור צריכות להתאים את רמת הספק המבוא של ה-PA תוך כדי מדידת הספק המוצא כדי להשיג רמת הספק מוצא המוגדרת מראש זו לשם בדיקה. פעולה זו מכונה “איזון הספק” (power leveling) והיא קריטית לגבי משך הבדיקה. מאמר זה ידון בטכניקות עכשוויות בתעשייה לשם ביצוע איזון ההספק, ויציג מתודולוגיה מבוססת-FPGA לשם מזעור משך איזון ההספק. תוצאות המדידה של מערכת אב-טיפוס יוצגו ויציגו הפחתה של יותר מפי חמישה בזמן איזון ההספק בהשוואה לגישות המבוססות תוכנה.
מילות מפתח – מגברי הספק בתדר רדיו, איזון הספק, ייצור, בדיקה, תדר רדיו, רוחב-פס, סלולארי, מדידה, מכשור, FPGA, סרבו הספק (power servo).
מבוא
מגברי הספק () RF מציגים תכונות אי-ליניאריות בשעה שהספק המוצא שלהם עולה ותכונות אלו יכולות להפחית את יעילות ההספק, האיכות הספקטראלית ודיוק האפנון. בנוסף לתכונות הלא-ליניאריות, שבח המגבר משתנה בין התקן להתקן בשל ליקויים בתהליך הייצור. כאשר משלבים PAs במערכת, הספק המוצא מכוון לשדר ברמה ספציפית קבועה. ללא תלות בשבח ה-PA, הביצועים שלו צריכים להיות מקובלים ברמת הספק ספציפית זו, ודרושה תחנת מדידה לכיוון ההספק בהתקן הנבדק (device under test – DUT) כדי להשיג את הספק המוצא הרצוי. פעולה זו מכונה לעתים קרובות “איזון הספק”, “סרבו הספק” (power servo) ולעתים “”חיפוש הספק” (power search). מאמר זה ישתמש במונח “איזון הספק”. לגבי בדיקות הדורשות מוצא הספק קבוע, המדידות אינן תקפות עד שאיזון ההספק הושלם, דבר המוסיף מוטיבציה לקיצור זמן פעולה זו.
מאמר זה יתאר מספר דרכים למימוש נוהלי איזון הספק המבוססים על התקני מכשור ומנגנוני בקרה שונים. הוא יציג גם תוצאות ניסיוניות של גישה מבוססת-FPGA המציגה הקטנה גדולה במשך איזון ההספק של PAs הפועלים עם אותות רחבי-פס חדישים.
טכניקות של איזון ההספק
אפיון מגברי הספק RF צריך להתבצע כאשר הספק המוצא שלהם נשמר בערך מוגדר. האתגר עבור מהנדסי חומרה ובדיקות המטפלים במגברי הספק הוא לשמור על הספק מוצא קבוע בשעה שההתקן פועל בשינויי תדר, טמפרטורה וייצור. זאת בהתחשב ששבח המגבר כנגד ההיענות לתדר איננו קבוע (1), אלא עוקב אחרי עקומה דוגמת זו המתוארת באיור 1. כדי לשמור על הספק המוצא המוחלט של ה-PA לרמה קבועה בשעה שתדר הפעולה משתנה, יש לכוון את המבוא ל-PA. ראה איור 2. מגמה דומה קורה בגין הטמפרטורה, שיש לכוון אותה באופן דומה בזמן אמת. לעתים קרובות הסוגיה המאתגרת ביותר שיש להתגבר עליה היא השילוב של השפעות אלו הגורמות לשינוי בשבח לא-דטרמיניסטי במהלך תהליך הייצור, מאחר ששום DUT איננו שווה ואיזון ההספק דרוש בהחלט לפני בדיקות רבות.
פיתרון מאוד מקובל לאיזון הספק הוא ההתקנה המתוארת באיור 3, תוך שימוש במחולל אותות וקטורי RF, נתח אותות וקטורי RF נפרד, מד-הספק RF ובקר מערכת מארחת.
הנוהל לאיזון הספק המוצא הוא כדלקמן:
1. קבע את הספק מחולל האותות לרמה התחלתית הסבירה ביותר, כך שהספק המוצא של האות (out) יהיה קרוב לערך ההספק הרצוי (Psetpoint) לאחר שהוא עובר דרך ה-DUT:
(1)
2. מדוד את ה-Pout של ה-DUT תוך שימוש במצמד מכויל ומד-הספק RF, שלח את המידע לבקר המארח וחשב שגיאה ליניארית
(2)
3. כוון את הספק המוצא של מחולל האותות על-ידי E, כדי להביא את out קרוב יותר
ל-Psetpoint
4. הוסף למדוד out ולכוון Pin עד ש-E יהיה בתוך האפיצות המוגדרת.
אלגוריתם תיקון ליניארי הוא הפשוט ביותר למימוש והמקובל ביותר. כאשר מפעילים מגבר במוד לא-ליניארי, תיקונים ליניאריים כגון שלב 2 לעיל מחייב איטרציות נוספות ברוטינה של איזון הספק היכולות להשפיע על משך הבדיקה. שיפור לנוהל זה הוא לבצע תיקוני שגיאות על בסיס דגם לא-ליניארי. בנוהל לעיל הוספת המשוואה (3) לאחר צעד 2 תיצור תיקון מדויק יותר. האיכות של E תלויה בדיוק של Pmodel () מאחר שכל הערכים במערכת משתנים. הדגם המקובל ביותר שהמחבר ראה הוא התאמה פולינומית מסדר שני.
(3)
שתי שיטות איזון הספק איטרטיביות אלו נותנות תוצאות בתוך הדיוק של מד-ההספק. אולם הן מעלות אתגר קשה עבור בדיקות הייצור בכמויות, מאחר שהתהליך האיטרטיבי לוקח זמן רב בהשוואה לזמן הבדיקה הכולל של ה-DUT. לדוגמה, מגבר הספק רב-תחומים WCDMA מחייב בדיקה בשלוש רמות הספק שונות (הספק גבוה, הספק בינוני והספק נמוך), בשלושה תדרים שונים, בתוך שלושה תחומי תדר שונים. במקרה זה, מהלך הבדיקה ידרוש סה”כ 27 רוטינות של איזון ההספק. אם לכל אחת מרוטינות אלו יש משך של 100 מילי-שניות, מהלך הבדיקה ידרוש 2.7 שניות רק כדי להשלים את צעדי איזון ההספק, בנוסף לזמן של הבדיקות עצמן. לשמור על זמני הבדיקה לערך מזערי הוא אתגר הנדסי כביר עבור שוק הדורש מיליוני פריטים להיות מיוצרים ובדוקים ביממה.
מומחי תעשייה אחדים טיפלו באתגר זה על-ידי החלפת התקנת הבדיקה המתוארת לעיל, בהכנסת נתח רשת וקטורי (Vector Network Analyzer – VNA) כציוד תמריץ ומדידת היענות משולב [2], ראה איור 4. בתצורה זו, מחולל ה-VNA (כניסה 1) מכויל לדיוק הספק מוחלט ידוע. לאחר מכן ה-DUT עובר במסלול בין כניסה 1 לכניסה 2. כניסה 1 מחברת את התמריץ, בעוד כניסה 2 מודדת את ההיענות. ה-VNA מבצע את נוהל איזון ההספק האיטרטיבית בין כניסה 1 וכניסה 2, ומקטין בכך את מורכבות מערך הבדיקה. אולם, פיתרון זה איננו תקף כאשר מדידה של אותות מאופננים כגון VNAs אינה יכולה או ליצור או לרכוש צורות-גלים מאופננות.
פיתרון מקובל אחר לבעיה זו הוא יצירת חומרה אנלוגית מתאימה ללקוח , הכוללת גלאי הספק RF, מעגל עיבוד אותות ולולאת בקרת שבח אוטומטית (Automatic Gain Control – AGC) להתאמת הספק המוצא של קדם-מגבר בקו עם ה-DUT. ראה איור 5. גלאי ההספק מודד את הספק צורת-הגל המוגברת ומפיק מתח מוצא מתאים, המושווה כנגד מתח נקודת העריכה (setpoint). המשווה יוצר מתח שגיאה המזין את הקדם-מגבר, ומכייל את הספק התמריץ לתוך ה-DUT. לפיתרון זה לולאת ביקורת הרצה קבועה בקצב המוכתב על-ידי שבח הלולאה, התאמת האות האנלוגי ורכישת האות ומיצועו. סוג זה של פיתרון עשוי להקטין את זמני האיזון של ההספק בערך בסדר גודל אחד, מ-100 מילי-שניות או יותר ל-10 עד 20 מילי-שניות, תלוי בצורת-הגל. זהו רווח גדול ביעילות משך הבדיקה. החיסרון הוא באתגרים של הנדסת ההתאמה ללקוח, אשר מופיעים עם מחזור תכנון ארוך ונמרץ, כמו גם דרישות הכיול, התחזוקה ומחזור החיים.
גישה שלישית משלבת מרכיבים משני הפתרונות הקודמים. מערך זה קיבל השראה מהשילוב והפשטות של פיתרון ה-VNA ביחד עם הגמישות והמהירות של פיתרון בהנדסת המוצר הספציפי. המערך הוא כדלהלן: מחולל אותות וקטורי (Vector Signal Generator – ) ונתח אותות וקטורי (Vector Signal Analyzer – VSA) משולבים לתוך מכשיר אחד עם מעבד FPGA משותף, ראה איור 6. כמו במקרה של פיתרון ה-VNA, הספק המוצא של ה-VSG מכויל עם מד-הספק RF כדי להעביר את הדיוק של מד-ההספק אל המערכת. ה-VSG מספק אות המרצה אל ה-DUT וה-VSA קולט את אות התשובה. ה-FPGA צובר את האות הנרכש ומחשב תיקון שבח דיגיטלי עבור הספק המוצא של ה-VSG, תוך תיאום מידי של הספק המוצא. מכונת המצב (state machine) והשבח הדיגיטלי ב-FPGA מטפלים בלולאת הבקרה האיטרטיבית הזו, בדומה לנוהל המתואר קודם לכן בפרק זה. על-ידי ביצוע של כל האלגוריתם בצורה דיגיטלית וב-FPGA, המערכת מונעת השהיה הקשורה לתקשורת מארח והסדרה של רכיבים אנלוגיים.
התהליך האיטרטיבי של איזון הספק המוצא פועל הכי טוב כאשר השבח הראשוני המוערך הוא קרוב ככל האפשר לשבח האמיתי של ה-DUT; בצורה זו השגיאה ההתחלתית היא קטנה וניתנת לתיקון לאחר מעט איטרציות בלבד. דבר זה חשוב במיוחד כאשר ה-DUT פועל בתוך או ליד האזור הלא-ליניארי, מאחר שתיקון של שגיאה התחלתית של 1dB או יותר עשוי לדרוש איטרציות מרובות. בנוסף, הספקת ניחוש התחלתי נכון של שבח ה-DUT יכולה לסייע למנוע בעיות עם רוויית תחום השבח הדיגיטלי של ה-VSG, בו הוא לא היה מסוגל לשמור על העלאת אות התמריץ לתוך ה-DUT. אם זוכרים זאת, ביצוע סריקה התחלתית של שבח ה-DUT כנגד תדר ובניית טבלת עיון של שבח DUT מדוד בתדרים רבים וברמות הספק שונות עשוי לשפר בהמשך את זמני הבדיקה. המחברים חוקרים כעת מתודולוגיה זו ותחומים קשורים נוספים של שיפור המדידה.
ישנם יתרונות רבים בשימוש במכשיר מחולל/נתח משולב כדי לבצע תיקון שבח דיגיטלי מבוסס-FPGA: הוא מפשט את מערך הבדיקה; הוא מונע מחזורי תכנון ארוכים, ואת האילוצים הכרוכים בחומרת הלקוח; והוא יכול להעלות עוד יותר את מהירות הרוטינה של איזון הספק, כפי שיוצג במאמר זה בפרק הבא.
איזון הספק מהיר בעזרת צורות-גל מאופננות
אותות סלולריים דוגמת ה-LTE וה-WCDMA משתמשים בתבניות אפנון בעלות יחס הספק שיא-לממוצע (peak to average power ratio – PAPR) באורכי מסגרת מ-2 מיקרו-שניות עד ל-10 מיקרו-שניות. לגבי צורות-גל מאופננות אלו המטרה של איזון ההספק היא לשמור על הספק מוצא מסוים המוצע על משך מסגרת נתונים תקנית. לדוגמה, כדי למדוד את הספק המסגרת האמיתי במדויק, על המערכת יהיה לרכוש את המסגרת בשלמותה תוך לקיחה של עד 10 מילי-שניות של נתונים לאיטרציה (מסגרת LTE) [3]. אם איזון ההספק נמשך שלוש איטרציות, רוטינה זו תדרוש 30 מילי-שניות, תוך הוספת זמן רב מידי לבדיקה הכללית. פרק זה יחקור הספק ממוצע למסגרת במחשוב המבוסס על תת-מערכת של נתוני מסגרת וההשלכות על זמן ודיוק איזון ההספק.
כאשר מודדים הספק קיימת פשרה בין מספר הדגימות הממוצע (חלון מדידה) ודיוק. למעשה המטרה היא להשיג רמה סבירה של דיוק תוך מזעור זמן המדידה. איור 7 מראה שלוש עקומות של הספק כנגד זמן (power versus time – PVT) הנובעות מצורת-גל LTE מאופננת, ההספק הממוצע של המסגרת וההספק הסופי אחרי שני חלונות מדידה מופעלים לאורך המסגרת. כמצופה ההספק מחלון המדידה של 100 מיקרו-שניות חורג פחות מאשר חלון המדידה של 10 מיקרו-שניות מההספק הממוצע הכולל של המסגרת. מתוך נתונים אלה ניתן לחשב את סטיית שיא מהממוצע האמיתי וזה יהיה דיוק המדידה למקרה הגרוע ביותר עבור מיקום חלון אקראי. לעתים קרובות איזון ההספק מבוצע באופן סינכרוני לגבולות המסגרת וכך ניתן להשיג וודאות-יתר, לכן ניתוח זה הוא במידה מסוימת שמרני. צפוי שסטיית השיא תהיה יחסית הפוכה לממד חלון המדידה, כמוצג באיור 8 ואיור 9 עבור שתי צורות-גלים מקובלות, LTE ו-WCDMA. נתונים אלה הושגו על-ידי חיבור מגוון ממדי חלונות מיצוע (50 מיקרו-שניות עד 4 מילי-שניות) למסגרת. לאחר מכן נערך חיפוש על הנתונים שנרשמו עבור סטיית השיא מההספק הממוצע למסגרת; נקודות אלה נרשמו כנגד אורך החלון שעבר מיצוע.
לאותות WCDMA יש PAPR נמוך יותר מאשר לאותות LTE. על-פי איור 8 ואיור 9, אם דרוש דיוק בהספק של 0.05dB, חלון של 50 מיקרו-שניות יספיק עבור WCDMA; אולם עבור LTE אותו הדיוק ידרוש חלון ממוצע של כ-1 מילי-שנייה. לכן, רוטינה של איזון הספק איטרטיבי עבור צורת גל של WCDMA ניתנת לכיוון כך שתהיה מהירה יותר מאשר זו של ה-LTE.
בשל השתנות שבח ההתקן סביר שרוטינה של רמת הספק תמדוד את השגיאה הגדולה ביותר בניסיון הראשון. ביצוע כיוון גס המבוסס על חלון מדידה קצר יאפשר לאלגוריתם להביא במהירות את הספק המוצא קרוב יותר לרמה הרצויה. לאחר מכן האלגוריתם יכול להשתמש בחלון מדידה ארוך יותר כדי לבצע כיוונים עדינים יותר מאשר ההערכה הקרובה של הספק הממוצע של המסגרת, בדומה לניתוח המבוצע באיור 8 ואיור 9. לדוגמה, מדידת איזון ההספק הראשון של LTE תוכל לרכוש 50 מיקרו-שניות של נתונים, עבור דיוק מוערך של 28dB, בעוד המדידה האחרונה תרכוש ב-1.5 מילי-שניות עבור דיוק מוערך קרוב ל-0.025dB. טכניקה זו של כיוון אורך החלון הממוצע מכונה Variable Average Scheduling ויכולה לחסוך זמן משמעותי. איור 10 מראה את התקדמות הספק המוצא של DUT בשעה שהאלגוריתם מכוון את הספק המבוא. ברוטינה מסוימת זו האלגוריתם מעוצב כדי לבצע לפחות 8 התאמות. המדידה הראשונה נעשית בחלון של 100 מיקרו-שניות והמדידה האחרונה נעשית בחלון של 1.5 מילי-שניות. זוהי הצורה הפשוטה ביותר של לוח-זמנים למיצוע משתנה; האלגורית מגדיל את גודל החלון ליניארית בין שתי נקודות הסיום. כפי שהעקום מראה, רוטינה של רמת הספק הושלמה תוך פחות מ-5 מילי-שניות בשעה ששמונה שלבים של 1.5 מילי-שניות היו דורשים 12 מילי-שניות. בהתייחס שוב לאיור 10, ארבע המדידות הסופיות נמצאות בתוך האפיצות הסבירה ביחס להספק המוצא הרצוי. דבר זה מראה שהמספר המזערי של שלבים יכול לקטון או שניתן היה לקצר את אורך חלון המדידה הסופי. הפחתת שני פרמטרים אלה יפחית עוד יותר את משך רוטינה זו, אולי לפחות מ-1 מילי-שנייה.
ניתוח גודל החלון הממוצע ולוחות הזמנים הממוצעים הם כלים יעילים למזעור זמן איזון ההספק. הניתוח הקודם הוכיח שטכניקות אלו מאפשרים לרוטינות איזון ההספק לסיים לפני ההעברה של מסגרת שלמה. כאשר משתמשים בגישה מבוססת-תוכנה, חסכונות קטנים בזמן אלו מוסווים על-ידי תקורת התוכנה; ורק כאשר תקורה זו ממוזערת בחומרה ניתן ליהנות מיתרונן של טכניקות אלו.
בדיקת PA בעלת ביצועים גבוהים תוך שימוש
במכשור מסחרי
הפרקים הקודמים דנו במושגים של איזון ההספק: אופציות התקנת חומרה, חלונות מדידה ולוחות זמנים ממוצעים משתנים. למטרות מחקר ומידוד, המחברים בנו שתי מערכות איזון הספק RF שונות. הראשונה נבנתה בעזרת Vector Signal Transceiver PXIe-5644R של National Instruments, שהוא מחולל אותות/נתח וקטורי משולב המאפשר גישה ל-FPGA שלו. קונספט FPGA פתוח זה עשה את המכשיר לאידיאלי עבור מימוש של מושג איזון ההספק המתואר באיור 6. המערכת השנייה מומשה על בסיס הקונספט המוצג באיור 3, עם שינויי-מפתח מעטים כדי לערוך השוואה הוגנת: המכשירים היו כולם מכשירים מודולריים מבוססי-PXI כדי למזער את כמיסויות העברת אפיק הנתונים; כמו כן, המערכת כוילה תחילה בעזרת מד-הספק, וכל המדידות הבאות נערכו על-ידי נתח האותות בלבד. ההתקנה הראשונה עשתה שימוש במכונת-מצבים (state-machine) – על הבקר FPGA כדי לכוון את השבח הדיגיטלי של המחולל. ההתקנה השנייה עשתה שימוש בתוכנה על בקר המארח כדי לכוון את הספק המוצא של המחולל, אשר יכול היה לכלול לא רק טיפול בשבח הדיגיטלי, אלא גם מיתוג המרכיבים האנלוגיים על מסלול ה-RF. טבלה 1 מראה את זמני איזון ההספק המושגים על-ידי כל מימוש, עבור צורות-גלים של WCDMA ו-LTE. הגישה המבוססת-חומרה הייתה כארבעה או חמישה מונים מהירה יותר מאשר הגישה בתוכנה. FPGA קושחה ופרטים נוספים על מימוש זה מוצגים על-ידי Baker ב-[4].
סיכום
איזון ההספק מאפשר למתכנני מגברי הספק RF ומהנדסיהם לאפיין ולבדוק את ההתקנים שלהם תוך שמירה על הספק המוצא RF קבוע ברמה מוגדרת. נוהלי הבדיקות של מגברי הספק RF חדישים כוללים שלבי איזון הספק RF רבים לשם בדיקת המודים המרובים של פעולה של DUT. רוטינות של איזון הספק נמצאים במהלך הקריטי של בדיקות ייצור של PAs בכמויות גדולות, ולכן חשוב ביותר למזער את משך איזון ההספק שלהם.
ישנן דרכים רבות לממש רוטינות של איזון ההספק, המבוססות על התקנות מכשור ומנגנוני בקרה שונים. התקנת הבדיקה המוצגת במאמר זה השתמשה במחולל אותות וקטורי/נתח אותות וקטורי. האלגוריתם לביצוע איזון ההספק מומש תוך שימוש ב-FPGA על הכרטיס, אשר שלט בשבח הדיגיטלי של המחולל כדי לכוון את הספק ההמרצה לתוך ה-DUT בצורה מאוד מהירה ומדויקת.
המחברים ניתחו את הפשרה בין דיוק המדידה של הספק ממוצע של מסגרת WCDMA ו-LTE עם אורכי מדידה שונים (זמני רכישה). אפשר לבצע איזון הספק מדויק של מגברי הספק הפועלים בצורות-גלים מאופננות אלו מבלי שיהיה צורך לרכוש אורך מסגרת מלא. המשמעות היא שהספק המוצא של ה-DUT ניתן לאיזון אף לפני שהמסגרת הסתיימה. גישה זו מציגה רווחים גדולים ביעילות הבדיקה ומהווה הזדמנות לבנות ולהציג פתרונות בדיקת ה-RF בעלי תפוקה גבוהה שאינם חייבים להסתמך על הנדסה התואמת ללקוח.
סימוכין
1] Pozar, D.: “Microwave Engineering” (John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, NJ, 07030), pp. 537-539
[2] [2] Scott, A., Frobenius, R.: “RF Measurements for Cellular Phones and Wireless Data Systems” (John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, NJ, 07030), pp. 278-283
[3] [3] 3GPP TS 36.211; “LTE; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA). Physical channels and modulation”, 3GPP Specifications
[4] [4] D. Baker. “FPGA Servoing for Power Amplifier Test on the NI PXIe-5644R”. Internet: http://zone.ni.com/devzone/cda/epd/p/id/6555, [Feb. 11, 2013].
