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手機射頻特性測量解決方案包括輻射功率和接收機特性的測量,本文介紹了測試原理和測試系統(tǒng)的組成以及測試過程,同時介紹了在GSM、CDMA等測量中的應用。
在現(xiàn)代網(wǎng)絡中,好的輻射特性是手機有效工作的關鍵。目前手機的尺寸越來越小,出現(xiàn)的經(jīng)常折衷輻射特性的情況,例如以一個很小的尺寸完成有效的天線并同時覆蓋蜂窩和PCS頻率是非常困難的。一個全面的精確的輻射特性,可以幫助設計師和制造商確定手機在限制的蜂窩網(wǎng)絡設計特性范圍內(nèi)工作。
通常手機的射頻指標測量分為接收機和發(fā)射機兩部分。對于接收機來說,主要通過測量BER或FER來測量接收機的靈敏度,以及RXQual和RXLev等參數(shù)。
對于發(fā)射機來說主要測量發(fā)射功率以及發(fā)射頻譜,雜散等參數(shù)。這些指標參數(shù)通常是先用一個手機天線適配器通過有線的連接方式連接到手機綜測儀上,呼叫連接的建立是通過有線的方式。這樣天線對于指標的影響是不能體現(xiàn)的。
一般地,峰值EIRP不是手機特性的一個好的指標說明。例如,如果手機天線系統(tǒng)的輻射方向圖是高有向性的,峰值EIRP則高(由于天線增益在某個方向上高),其他方向則覆蓋不好。在蜂窩環(huán)境中,天線系統(tǒng)的空間覆蓋最大化是最好的。這樣用戶不用把天線指向某個特殊方向就可以得到好的呼叫特性。
另外,人的頭部會改變天線的輻射方向圖的形狀和峰值。因此頭部引起的損耗對于頻率,設備尺寸和天線設計非常有意義。從場的特性來看,測量頭部模型下的平均和峰值EIRP比在空間條件下測量峰值EIRP更有意義。
CTIA標準要求測量球坐標下的全向輻射功率,給出了TRP(輻射功率和)的定義,如圖1所示。
接收機的特性對于整個手機系統(tǒng)也很重要。差的接收機特性會使用戶收聽到很低質量的聲音信號,甚至使用戶丟失基站信息并造成終止呼叫。差的接收機靈敏度經(jīng)常是由于發(fā)射機發(fā)射的內(nèi)部噪聲和雜散信號回饋到接收機內(nèi)部造成的。因此,CTIA標準要求:在發(fā)射機最大發(fā)射功率下測量接收機靈敏度。并要求測量球坐標下的手機的靈敏度,即TIS(全向靈敏度和),圖2和公式(1)給出了TIS的定義:
大環(huán)法的測量方法
CTIA規(guī)定了一種稱為大環(huán)法的測量方法,如圖3所示。對于TIS測量,需要6個大環(huán)切面完成3D球坐標的測量。角圍繞垂直轉臺平面的軸旋轉,每隔30度取一個測量點,起始點如圖4所示。同樣角圍繞水平轉臺平面的軸旋轉。
對于TRP測量,需要6個大環(huán)切面完成3D球坐標的測量。圍繞垂直轉臺平面的軸旋轉,每隔15度取一個測量點,起始點如圖4所示。
手機的射頻特性測量不僅要求在無線連接模式下進行,同時要求模擬人的頭部對各項指標的影響,圖4為人體頭部的模型和軸向規(guī)定,模型內(nèi)部需要填充液體,用于模擬人的體液對電磁輻射場的影響。表1是填充液的比例。
如果被測手機支持多空中接口技術,可以依此對每個標準進行測量。首先進行空間損耗的測量,然后進行系統(tǒng)信號通路的校準,將校準值記錄。
選擇相應的通信標準,通過綜測儀與手機建立呼叫,然后在需要的頻率點上進行輻射功率的測量。測試的條件分別在自由空間和增加人頭模型兩種情況下進行。
選擇相應的通信標準,通過綜測儀與手機建立呼叫,然后在標準規(guī)定的頻段內(nèi)取三個頻率點,分別為高,中,低,然而進行FER或BER的測量。如果BER或FER超過規(guī)定值,增加綜測儀的輸出功率,直到達到規(guī)定的BER或FER。記錄相應的被測手機的輸出電平。測試方法按照第二部分進行,每個規(guī)定的位置上每個頻率點都要做靈敏度的測量。
TS9970是R&S公司專門用于測量手機的RF特性的測量系統(tǒng)。在實際條件下,對手機發(fā)射和接收部分通過空中接口進行RF指標的測量。能夠按照上述的方法和定義自動TRP和TIS的測量。
TS9970可以支持如下標準:
GSM 400, 850, 900, 1800, 1900
CDMA / CDMA2000 800, 1900
TDMA 800, 1900
AMPS
GPRS
Bluetooth
W-CDMA (UMTS)
同時可以測量固定電平下的BER或FER,以及要求達到的BER時的接收電平。測試系統(tǒng)由手機綜測儀CMU200、頻譜儀FSx、信號源SMx、RF分路開關以及轉臺控制器組成。其中手機綜測儀CMU200用于通過空中接口與被測手機建立連接,使被測手機處于實際工作狀態(tài)。頻譜儀用于測量當通信連接建立后天線的方向圖以及信號通路和空中衰減的校準。信號源用于信號
通路和空中衰減的校準。系統(tǒng)構成如下圖5所示。
TS9970的實際應用
我們分別以GSM的輻射功率測量和CDMA的接收機測量為例,介紹TS9970的實際應用。
1. GSM1900的輻射功率測量
由于GSM1900采用的是恒包絡調制技術(GMSK)的TDMA技術,最小的測量功率由一個有效的時隙中心的85%的線性平均給定。多于一個時隙的平均會減小測量精度。一個有效時隙的定義寬度為0。577(10%,頻譜分析儀必須設置到零跨度,同時使用視頻觸發(fā),視頻帶寬設到300kHz,掃描時間設置到在脈沖中心85%的跨度上至少300個采樣點,通常0。65ms的設置對于頻譜儀來說是比較適合的。觸發(fā)電平盡可能的接近噪聲本底,而不產(chǎn)生雜散觸發(fā),通常高于本底噪聲5-10dB比較合適。因為如果GSM的時隙電平接近觸發(fā)電平,會產(chǎn)生雜散觸發(fā),這樣減小零數(shù)據(jù)引起的觸發(fā)。
通過廣播控制信道和手機的相關參數(shù),呼叫手機并命令其到語音通道。測試在手機支持的頻段上三個不同的頻率對進行,如下表定義的頻率點:
按照圖3、圖4的配置設置好,分別在軸和軸進行采樣測量,其中軸每旋轉一次采樣24個點,軸每旋轉一次采樣12個點。測量結束后將采樣測量數(shù)據(jù)帶入公式(1)中,計算出輻射功率和。每個頻率點都要做一次這樣的測量。
注:CDMA采用數(shù)字擴譜技術,基站通過發(fā)送“升”和“降”來動態(tài)管理功率控制,以保持在要求的范圍內(nèi)的接收功率。最大發(fā)射功率是通過連續(xù)發(fā)送“升”位信號,幾ms后達到最大功率。
為覆蓋擴譜的范圍,接收機前端采用寬的帶寬是必要的。數(shù)字包絡會引起峰值檢波器的讀數(shù)過高,因此必須使用窄的視頻帶寬和視頻平均以測定真的RMS功率值。頻譜儀設置到零跨度,分辨帶寬3MHz,視頻帶寬1kHz,掃描時間最小100ms,接收到的信號必須穩(wěn)定以得到可用的結果。
2. CDMA接收機特性的測量
CDMA接收機靈敏度的測量需要通過基站模擬器來定義接收機的靈敏度,當接收機在0.5%的FER或95%的置信度時記錄最小前向聯(lián)結功率。設置按照如下參數(shù)設置:
(1) 前向聯(lián)結功率:-75dBm
(2) 功率控制:閉環(huán)控制
(3) 其他參數(shù)按照被測手機相應的標準(IS95,CDMA0NE,CDMA2000)進行設置。
如果測試點發(fā)生在零符號時,前向功率會增加,以建立和保持呼叫。呼叫EUT并命令其到參考測試信道,建立數(shù)字語音信道,調用FER測試。觀測到的幀數(shù)要和95%的置信電平一致,但最大不能超過2000幀。當RF電平接近CDMA靈敏度電平時,調整的功率步進值不能大于0。5dB。當每個測試點的最終靈敏度找到后,功率控制設置為總升狀態(tài)(always up)。每次更換測量頻點前,前向聯(lián)結功率和功率控制必須設回初始狀態(tài)。
測試過程按第三部分敘述的進行。其中軸每旋轉一次采樣12個點,軸每旋轉一次采樣6個點。測量結束后將采樣測量數(shù)據(jù)帶入公式(2)中,計算出TIS。
3. GSM、3GPP雙模手機
目前國內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)GSM、3GPP雙模手機。對于3GPP的測試目前基站模擬器CMU200已經(jīng)可以完全支持,并用于3GPP手機的研發(fā)和生產(chǎn)。因此TS9970可以支持GSM、3GPP雙模手機,系統(tǒng)的控制軟件正在開發(fā)中。
本文小結
TS9970不僅能夠測量手機的RF特性,幫助手機的設計師提高產(chǎn)品的性能指標,增加手機的市場競爭力。同時能夠作為CTIA的標準認證測試系統(tǒng)使用。在移動通信迅速發(fā)展的今天,綠色手機、環(huán)保手機越來越受到設計部門、制造廠商和用戶的重視,特別是電磁兼容的問題也更加突出,因此各種體制的手機的無線射頻指標也將成為評價手機的重要部分。
作者: 羅健
工程師
Rohde-Schwarz公司
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