TD-SCDMA终端射频测试技术研究

2008-07-21 00:57:07来源: 中国无线电管理

  前言

  TD-SCDMA移动通信标准是我国具有自主知识产权的世界第三代移动通信标准,以时分双工、智能天线、联合检测等诸多核心技术成为世界移动通信领域的亮点。在我国,无线电管理部门所规划的155 MHz的核心频段,极大地推动了TD-SCDMA技术在近几年的快速发展,专家估计:TD-SCDMA所带来的商业效益和社会效益是难以估量的。但是,TD-SCDMA技术相对WCDMA和cdma2000技术起步较晚,相应的测试标准和测试仪器还存在不够成熟的情况。在这样的情况下,本文旨在探讨对其终端实施型号核准等认证测试所涉及的检测项目、方法以及测试系统实现等相关问题。

  测试的依据

  (1)YD/T“2 GHz TD-SCDMA设备测试方法——终端 第一分册 基本功能、业务和性能测试”(报批稿);

  (2)YD/T“2 GHz TD-SCDMA设备技术要求——终端”(报批稿);

  (3)3GPP TS 34.122 Terminal conformance specification;Radio transmission and reception(TDD);

  (4)3GPP TS 34.121 Terminal conformance specification;Radio transmission and reception(FDD) (Release 6)。

  终端射频测试存在的问题

  TD-SCDMA 技术已经成熟,政府、运营商以及系统制造商也已形成“合力”,正在大力推进试验网建设,但针对该体制的测试技术的支撑力度还存在标准定义与测试方法不统一,专用测试仪表研发进度相对落后等问题,具体来讲,主要是:
 
  (1)有关TD-SCDMA的标准中存在着项目定义与对应的测试方法不一致的情况。如:关功率模板,虽在3GPP TS 34.122 V5.2.0(2005.12)有明确的定义,但对测试方法描述却不够细致,导致测试工程师有时无章可循。

  (2)尽管有些项目有明确的定义和测试方法,但现有仪器仪表均达不到相关的要求。如:关功率模板,现有频谱仪没有办法满足在同一设置下的动态显示,所以对该项指标的测试还没有相关的技术手段。

  (3)仪表制造商对终端专用测试仪表研发的投入较WCDMA和cdma2000技术相对较少。在国内,几大仪表制造商尽管对TD-SCDMA有所投入,相关矢量信号源、频谱仪以及示波器大部分已经加载了TD的选件,但在核心综测仪方面,特别是在线测试的仪表的研发却十分不理想,还没有完全成熟的产品进入市场。

  (4)TD-SCDMA标准的测试存在着较多的待定义项目。如:关于调制质量的测试,WCDMA在R5及以后的版本中增加了相位不连续度和PRACH前置码调制质量两项指标,前者考察频谱杂散值,后者则考察基站能否正确解调终端重要控制信息。而这两项指标的测试对于TD-SCDMA系统也应该是有必要的。另外,比较突出的问题是对TD-SCDMA系统的通用测试条件定义不明确,一些重要的物理信道的测试配置没有明确定义。

  (5)对于3GPP的频带划分和我国实际的频带划分有出入的情况。应根据我国的实际频率分配情况,以及我国现有无线电业务保护的问题,特别是多制式、多频段、多系统的移动通信业务的保护等问题,周密制订相应的杂散限值要求。

  现阶段终端射频测试可实现的方法

  现有终端一致性测试系统采用的仪器为厂家专用的系统模拟器SS(System Simulator),并按国际标准定义的测试要求编写抽象测试集,从而完成一致性测试。技术已相对成熟的GSM一致性测试系统就是这样实现的。归纳起来一致性测试系统框图如图1所示,软件结构图如图2所示。

  目前TDD UE一致性测试方案的瓶颈是专业的系统模拟器还不够成熟,加之TTCN测试用例仍没有编写完整,尽管国内外的工程技术人员正加快研究,但TDD系统模拟器的研发与商业化需要大量的投资与一定的时间,这严重制约了UE产业化在研发、生产、认证、质检等方面的进展。所以,在TD-SCDMA产业即将正式运营的情况下,我们应该选择一个可实现的UE一致性测试替代方案,以尽快突破产业链中的生产、认证等瓶颈,加速产业化进程,继而推动各大仪表厂商对TD-SCDMA系统模拟器的开发,形成产业发展的良性循环。根据国家无线电监测中心的对TD-SCDMA测试系统选型及行业的情况来看,本文总结四种基本可以实现的方案,供大家参考。

  3.1 方案一:改进的基站+协议模拟器+相关通用测试仪表

  该方案使用改进的基站+协议模拟器+相关通用测试仪表,构成SS,与UE建立呼叫,UE工作在环回(loopback)状态下。

  其中协议模拟器是由一台高性能的计算机以及ATM和PCM接口板组成,协议模拟器的软件包括:存储有可执行测试集的软件脚本库和高层协议栈(L2及L3)、用于模拟移动通信系统的CN、RNC或BSC。协议模拟器通过Iub及Abis接口与基站连接,Iub接口采用异步传输模式(ATM),Abis接口采用PCM模式。所述基站包括与用户终端连接的无线接口。相关通用测试仪表根据测试指标的不同选取其中的一种或几种,主要包括频谱仪、功率计、信号源(标准信号源、干扰信号源、CW信号源等)、信号分析仪等。整个系统如图3、图4、图5所示。

  本方案的测试过程是:协议模拟器发送标准接口消息,通过Iub/Abis接口控制基站,从而将标准的接口消息通过Uu口发送给终端;对反向链路,终端通过基站的Uu口将其要发送的消息返回给协议模拟器。相应测试指标在Uu接口处用相关通用测试仪表加以采集分析。协议模拟器中的可执行测试集包含3GPP TS 34.122规范中所规定的无线指标测试用例,其中发射机测试包括:用户终端最大输出功率、频率容限、最小输出功率、占用带宽、邻道泄漏抑制比、杂散发射、发射互调、误差矢量幅度 (EVM)、峰值码域误差等;接收机测试包括:参考灵敏度电平、最大输入电平、邻信道选择性、杂散发射等。

  3.2 方案二:采用信号源+频谱仪方式

  该方案采用信号源+频谱仪方式,UE工作在非呼叫状态下。

  此方案需要额外定义控制UE的工作状态集合,以满足3GPP TS34.122对UE发射和接收信号的配置要求,制订形成标准的UE控制接口指令(或指令原语)集,还需要各UE芯片厂商支持。UE接口控制指令集由电脑通过与UE的标准接口对UE的工作状态进行控制(见图6、图7)。

  本方案的关键在于测试控制指令集的定制和工控电脑与UE之间接口的实现,其必须同手机芯片和终端制造商协调,保证其接口格式是统一的。

  3.3 方案三:分阶段过渡到完整的终端射频测试系统
  
  根据TD-SCDMA产业的发展情况,分三阶段过渡到完整的终端射频测试系统。

  第一阶段:信号源+信号分析仪,终端工作在测试模式下,测试系统基于LCR版本开发,信号分析仪通过加入特定的矢量信号分析软件使其兼具频谱分析和调制特性功能。与方案二类似,这种方式同样需要终端厂商的配合,提供适合于工控机控制的数据接口,并需要编写控制终端测试模式的指令集。

  此阶段能够测试3GPP 34.122所规定的大部分静态指标。

  第二阶段:终端工作在呼叫模式下,但SS还不是一个完整意义上的系统仿真器,可能只是一个开放的协议测试平台,能够建立满足射频测试要求的呼叫链路,仍然需要通用测试仪表的配合。硬件结构框图见图8。

  此阶段已经能够测试部分动态指标。

  第三阶段:SS为功能完整的综测仪,可以完全满足终端射频一致性测试。硬件结构图只需把第二阶段的开放协议平台更换为综测仪即可。

  三个阶段的过渡时间点取决于TD-SCDMA产业发展情况和商用化程度。软件结构见图9。

  3.4 方案四:基于呼叫模式或非呼叫测试模式

  如果终端芯片支持非呼叫模式,某些静态指标可以基于图10所示方案测试。

  基于呼叫模式下的测试见图11。信令测试仪模拟Uu接口以上的网络侧功能与终端建立呼叫连接,发射机测试仪和接收机测试仪分别负责测试发射机和接收机射频指标。信令测试仪是一个可升级的平台,初期只支持部分简单的射频指标环回模式下的测试,后期将可以支持射频复杂指标、信令的测试,还可以支持话音、数据、流媒体等多种3G业务下的测试。

  其中发射机测试仪是一个集频谱分析、矢量信号分析、功率计功能于一体的硬件平台。而矢量信号发生器可以实现两路信号的叠加输出(如有用信号和AWGN信号的叠加或者有用信号和干扰信号的叠加),还具有误码分析功能,将手机解调后的数据或时钟进行误码统计。本方案软件结构框架见图12。

  终端测试项目定义及测试目的

  4.1 发射机特性测试指标

  发射机特性测试项目覆盖UE发射功率(最大输出功率)、频率稳定度、输出功率动态范围、射频发射、发射互调特性、发送调制等6个方面。
  
  其中输出功率动态范围包括:开环功率控制、闭环功率控制、最小输出功率、输出功率的失同步处理、发射关功率、发射开/关时间模板等6个小项。

  射频发射包括:信道带宽、频谱发射模板、邻道泄漏抑制比、杂散发射等4个小项,其中信道带宽属于带内发射,其它属于带外发射。

  发送调制包括:误差矢量幅度、峰值码域误差。

  (1)UE最大发射功率(单码道)

  定义:UE最大发射功率是指UE在无线接入模式下,最少在码片速率(1+α)倍频带内能发射的最大功率。测量时长是不包括保护时段的发射时隙。

  测试目的:验证UE的最大发射功率误差不超过容限值。UE最大发射功率过大会干扰其他信道或其他系统,而UE最大发射功率过小会缩小小区的覆盖范围。

  (2)频率稳定度

  定义:频率稳定度是指一个UE射频发射的已调载波频率与BS射频发射的已调载波频率之间的差值。

  测试目的:验证UE的发射机载波调制的精确度。该项目测试考察UE接收机从接收到的信号中获取正确频率信息的能力,获取的频率信息会被UE发射机使用。

  (3)上行开环功率控制

  定义:上行开环功率控制是设置UE的UpPCH的发射电平到特定的值。UE开环功率定义为在一个时隙或者发射机开机时间内的根升余弦滚降滤波器测量的平均功率。

  测试目的:验证UE开环功率控制的容限是否超过指标要求。该项目测试强调UE接收机在接收动态范围内正确测量接收功率的能力。

  (4)上行闭环功率控制

  定义:上行闭环功率控制是指UE发射机根据在下行链路接收到的一个或多个功率控制命令(TPC)而对UE发射机输出功率作出调整。

  测试目的:验证UE闭环功率控制步长符合指标要求,考察UE是否能够正确地获得TPC命令。

  (5)最小输出功率

  定义:最小输出功率是指功率控制设置为输出功率最小值时的UE的发射功率值。该功率为不包括保护时段的一个时隙内的平均功率。

  测试目的:验证UE最小输出功率是否小于-49 dBm,避免超过指标要求的最小输出功率会增加对其他信道的干扰和减小系统容量。

  (6)输出功率的失步处理

  定义:UE靠监视DPCH的质量来探测物理层中信号是否丢失。

  测试目的:验证UE检测DPCH信道的质量并根据检测结果控制其发射机的开或关的能力。

  (7)发射关功率

  定义:发射关功率是指当UE发射机关闭时,在根升余弦滚降滤波器的一个码片上测得的平均功率。

  测试目的:验证UE的发射关闭功率是否小于-65 dBm。超过指标要求的发射关功率会增加对其他信道的干扰和减小系统容量。

  (8)发射开/关时间模板

  定义:UE发射机从打开到关闭,以及从关闭到打开的过程中,发射功率电平变化所对应时间的变化。对于单一时隙发射,该发射时间不包含该时隙的保护间隔。对于连续时隙发射,该时间由发射的第一个时隙起始时间至最后一个发射时隙的结束时间,但不包含最后一个时隙的保护间隔。

  测试目的:验证UE发射开/关的过程与时间的关系是否符合标准的规定。超过指标要求的发射开/关响应误差会增加对其他信道的干扰或本信道上行链路的发射误差。

  (9)占用带宽

  定义:占用带宽是指以指定信道的中心频率为中心,包含总发射功率99%能量时所对应的频带宽度。TD-SCDMA基于1.28 Mchip/s码片速率的占用带宽为1.6 MHz。

  测试目的:验证UE的占用带宽是否符合指标要求,避免超过指标要求的占用带宽增加对其他信道或其他系统的干扰。

  (10)频谱发射模板

  定义:UE的频谱发射模板要求应用于载波频率以外0.8 MHz到4 MHz范围内的频段。带外发射的基准是相对于1.28 MHz带宽上用户终端的根升余弦滚降滤波器滤波平均功率。
测试目的:考察UE的发射功率是否超过标准要求,避免超过指标要求的频谱发射模板增加对其他信道或其他系统的干扰。

  (11)邻道泄漏抑制比

  定义:邻道泄漏抑制比(ACLR)是指配信道的根升余弦滚降滤波器滤波后的平均功率与相邻信道的根升余弦滚降滤波器滤波后的平均功率之比。

  测试目的:考察UE发射时的ACLR值是否超过标准要求,避免超过指标要求的ACLR增加对邻近一两个信道或其他系统的干扰。

  (12)杂散发射

  定义:杂散发射是指除去带外发射(频谱发射模板和ACLR对应的频段),由谐波发射、寄生发射、交调以及频率转换等引起的无用发射效应。

  测试目的:考察UE杂散发射值是否超过标准要求,避免超过指标要求的杂散发射在距载波频率4MHz以外的频段内增加对其他系统的干扰。

  (13)发射机互调

  定义:发射互调特性是指有用信号和通过天线进入发射机的干扰信号共同存在时,发射机对由非线性器件产生的互调信号的抑制能力。

  对于发射互调特性,其最低要求是:当用户终端相距较近时发射易于产生互调产物,这些互调产物将作为有害信号进入用户终端或者基站的接收频带。当外来的连续波干扰信号电平小于有用信号的电平时,用户终端互调衰减定义为有用信号的根升余弦滚降滤波器测量平均功率和互调产物的根升余弦滚降滤波器测量平均功率的比值。

  测试目的:考察UE的发射互调是否超过指标要求,避免超过指标要求的发射互调在附近有其他发射机存在时增加本信道上行链路的发射误差。

  (14)误差矢量幅度

  定义:误差矢量幅度(EVM)是指测量波形与理想调制波形之间的矢量差。两个调制波都通过滚降系数α=0.22,带宽为1.28 MHz的匹配根升余弦滤波器。两个波形进一步通过选择频率、绝对相位、绝对幅度及码片时钟定时进行调制,从而使误差向量最小。EVM定义为用平均误差矢量信号功率和平均参考信号功率之比的均方根,用%来表示。测量时隙为一个间隔。

  测试目的:考察UE能否产生足够精确的波形使误差矢量幅度不超过17.5%,避免超过指标要求的EVM增加本信道上行链路的发射误差。

  (15)峰值码域误差

  定义:码域误差是按特定扩频因子将矢量误差功率计算到码域。每个码道的码域误差是该码字矢量误差的平均功率与基准波形平均功率之比,以dB表示。峰值码域误差是所有码域误差中的最大值。测量的间隔是一个时隙。此要求仅限于多码道传输。

  测试目的:考察UE的限制码道间的串扰使峰值码域误差是否超过-21 dB,避免超过指标要求的峰值码域误差增加本信道上行链路的发射误差。

  4.2 接收机特性测试指标
  
  接收机特性测试项目覆盖了7个指标内容:参考灵敏度电平、最大输入电平、邻道选择性、阻塞特性、杂散响应、接收互调特性、接收机杂散发射。

  (1)参考灵敏度电平

  定义:参考灵敏度是指在误比特率不超过特定值的情况下,UE天线端口处接收的最小平均功率。

  测试目的:考察UE的参考灵敏电平,避免参考灵敏电平过高减少基站的覆盖距离。

  (2)最大输入电平

  定义:最大输入电平是指在不降低误比特率性能的情况下,UE天线端口处接收的最大输入功率。

  测试目的:考察UE在给定条件下(无干扰、无多径传播)的最大输入电平,若最大输入电平过低会对UE在基站的近距离的通信效果产生不利影响。

  (3)邻道选择性

  定义:邻道选择性是接收滤波器对载波信号的滤波衰减和对相邻信道信号的滤波衰减的比例,体现了终端在邻道有干扰信号存在时接收有用信号的能力。

  测试目的:考察UE的邻道选择性性能,避免邻道选择性过大造成本信道解调的干扰。

  (4)阻塞特性

  定义:阻塞特性是指其它频率(除去邻道频率和杂散响应频率)存在大的干扰信号条件下,接收机接收有用信号时,控制性能下降不超过给定恶化限值的能力。

  测试目的:验证UE接收机在除杂散响应和相邻信道之外的频段上存在干扰信号时对有用信号的解调能力。

  (5)杂散响应

  定义:杂散响应是指存在由其它频段的非调制连续波干扰信号引起的接收机性能下降不超过一个特定值的情况下,接收机在指定信道上接收有用信号的能力。该无用连续波干扰信号的频率是不满足阻塞特性限制的其它任一频率。

  测试目的:验证UE在其它频点上存在CW干扰信号时在载波频点上接收有用信号的能力。

  (6)互调特性

  定义:接收互调特性是指存在两个或多个与有用信号有特定频率关系(它们的互调产物刚好落在有用信号带内)的干扰信号的情况下,接收机在指定信道上接收有用信号而性能恶化不超过给定恶化限值的能力。

  测试目的:考察UE接收机抗互调干扰信号的能力。

  (7)杂散发射

  定义:接收机杂散发射功率是指UE 的接收机产生或放大的能到达天线接头处的杂散功率。

  测试目的:UE接收机抑制接收机中产生或放大的杂散信号功率的能力。

  4.3 接收机性能测试指标

  接收机性能测试指标主要包括DCH解调和下行功率控制。其中DCH解调包括一个静态传播条件、三个不同的多径衰落传播条件。

  DCH解调测试用于验证接收机在静态传播条件和不同的多径衰落传播条件下接收有用信号、邻道信号和邻小区信号的能力。

  下行功率控制考察UE接收机以尽可能小的功率达到网络要求的链路质量的能力(关于UE终端的相关的测试方法,鉴于相关标准均有详细的描述,可参照3GPP和相关YD/T等标准,本文就不再作详细的介绍)。

  相关建议

  (1) 加快TD-SCDMA系统的标准化工作。对通用测试条件、测试项目等科目,应加快制订;明确某些测试项目的定义,增加系统升级到HSDPA、HSUPA所要求的项目研究。

  (2) 加强TTCN测试用例的研究和开发工作。避免标准和测试技术相脱节的现象,尽可能做到标准和测试同步发展、协调一致,利用先进的测试技术保证系统运行的质量。

  (3) 加大对专用测试仪表研发的投入。特别是对集成RNC和NOTEB等相关功能的综合测试仪的研究,综合系统制造商、仪表供应商、测试实验室等多方技术优势,开发成熟的专用测试仪表。

  (4) 深入开展系统间的电磁兼容分析工作,尽快制订特殊频段的保护措施。无线电管理机构应根据我国国情,参照3GPP等相关的国际标准,制订我国TD-SCDMA无线电设备的杂散发射的限值,保证TD-SCDMA系统能安全、有序、互不干扰地运行。

关键字:链路  标准  测试  信号  功率  接收

编辑:汤宏琳 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2008/0721/article_229.html
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