TD-SCDMA 終端射頻測試技術研究

　 
前言

　　TD-SCDMA移動通信標準是我國具有自主知識產(chǎn)權的世界第三代移動通信標準，以時分雙工、智能天線、聯(lián)合檢測等諸多核心技術成為世界移動通信領域的亮點。在我國，無線電管理部門所規(guī)劃的155 MHz的核心頻段，極大地推動了TD-SCDMA技術在近幾年的快速發(fā)展，專家估計:TD-SCDMA所帶來的商業(yè)效益和社會效益是難以估量的。但是，TD-SCDMA技術相對WCDMA和cdma2000技術起步較晚，相應的測試標準和測試儀器還存在不夠成熟的情況。在這樣的情況下，本文旨在探討對其終端實施型號核準等認證測試所涉及的檢測項目、方法以及測試系統(tǒng)實現(xiàn)等相關問題。

測試的依據(jù)

　?。?）YD/T“2 GHz TD-SCDMA設備測試方法——終端 第一分冊 基本功能、業(yè)務和性能測試”(報批稿);

　?。?）YD/T“2 GHz TD-SCDMA設備技術要求——終端”(報批稿);

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

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

終端射頻測試存在的問題

　　TD-SCDMA 技術已經(jīng)成熟，政府、運營商以及系統(tǒng)制造商也已形成“合力”，正在大力推進試驗網(wǎng)建設，但針對該體制的測試技術的支撐力度還存在標準定義與測試方法不統(tǒng)一，專用測試儀表研發(fā)進度相對落后等問題，具體來講，主要是:
　
　　（1）有關TD-SCDMA的標準中存在著項目定義與對應的測試方法不一致的情況。如:關功率模板，雖在3GPP TS 34.122 V5.2.0（2005.12）有明確的定義，但對測試方法描述卻不夠細致，導致測試工程師有時無章可循。

　?。?）盡管有些項目有明確的定義和測試方法，但現(xiàn)有儀器儀表均達不到相關的要求。如:關功率模板，現(xiàn)有頻譜儀沒有辦法滿足在同一設置下的動態(tài)顯示，所以對該項指標的測試還沒有相關的技術手段。

　?。?）儀表制造商對終端專用測試儀表研發(fā)的投入較WCDMA和cdma2000技術相對較少。在國內(nèi)，幾大儀表制造商盡管對TD-SCDMA有所投入，相關矢量信號源、頻譜儀以及示波器大部分已經(jīng)加載了TD的選件，但在核心綜測儀方面，特別是在線測試的儀表的研發(fā)卻十分不理想，還沒有完全成熟的產(chǎn)品進入市場。

　?。?）TD-SCDMA標準的測試存在著較多的待定義項目。如:關于調(diào)制質(zhì)量的測試，WCDMA在R5及以后的版本中增加了相位不連續(xù)度和PRACH前置碼調(diào)制質(zhì)量兩項指標，前者考察頻譜雜散值，后者則考察基站能否正確解調(diào)終端重要控制信息。而這兩項指標的測試對于TD-SCDMA系統(tǒng)也應該是有必要的。另外，比較突出的問題是對TD-SCDMA系統(tǒng)的通用測試條件定義不明確，一些重要的物理信道的測試配置沒有明確定義。

　　（5）對于3GPP的頻帶劃分和我國實際的頻帶劃分有出入的情況。應根據(jù)我國的實際頻率分配情況，以及我國現(xiàn)有無線電業(yè)務保護的問題，特別是多制式、多頻段、多系統(tǒng)的移動通信業(yè)務的保護等問題，周密制訂相應的雜散限值要求。

現(xiàn)階段終端射頻測試可實現(xiàn)的方法

　　現(xiàn)有終端一致性測試系統(tǒng)采用的儀器為廠家專用的系統(tǒng)模擬器SS（System Simulator），并按國際標準定義的測試要求編寫抽象測試集，從而完成一致性測試。技術已相對成熟的GSM一致性測試系統(tǒng)就是這樣實現(xiàn)的。歸納起來一致性測試系統(tǒng)框圖如圖1所示，軟件結構圖如圖2所示。

　　目前TDD UE一致性測試方案的瓶頸是專業(yè)的系統(tǒng)模擬器還不夠成熟，加之TTCN測試用例仍沒有編寫完整，盡管國內(nèi)外的工程技術人員正加快研究，但TDD系統(tǒng)模擬器的研發(fā)與商業(yè)化需要大量的投資與一定的時間，這嚴重制約了UE產(chǎn)業(yè)化在研發(fā)、生產(chǎn)、認證、質(zhì)檢等方面的進展。所以，在TD-SCDMA產(chǎn)業(yè)即將正式運營的情況下，我們應該選擇一個可實現(xiàn)的UE一致性測試替代方案，以盡快突破產(chǎn)業(yè)鏈中的生產(chǎn)、認證等瓶頸，加速產(chǎn)業(yè)化進程，繼而推動各大儀表廠商對TD-SCDMA系統(tǒng)模擬器的開發(fā)，形成產(chǎn)業(yè)發(fā)展的良性循環(huán)。根據(jù)國家無線電監(jiān)測中心的對TD-SCDMA測試系統(tǒng)選型及行業(yè)的情況來看，本文總結四種基本可以實現(xiàn)的方案，供大家參考。 {{分頁}}

　　3.1 方案一:改進的基站+協(xié)議模擬器+相關通用測試儀表

　　該方案使用改進的基站+協(xié)議模擬器+相關通用測試儀表,構成SS，與UE建立呼叫，UE工作在環(huán)回（loopback）狀態(tài)下。

　　其中協(xié)議模擬器是由一臺高性能的計算機以及ATM和PCM接口板組成，協(xié)議模擬器的軟件包括:存儲有可執(zhí)行測試集的軟件腳本庫和高層協(xié)議棧（L2及L3）、用于模擬移動通信系統(tǒng)的CN、RNC或BSC。協(xié)議模擬器通過Iub及Abis接口與基站連接，Iub接口采用異步傳輸模式（ATM），Abis接口采用PCM模式。所述基站包括與用戶終端連接的無線接口。相關通用測試儀表根據(jù)測試指標的不同選取其中的一種或幾種，主要包括頻譜儀、功率計、信號源（標準信號源、干擾信號源、CW信號源等）、信號分析儀等。整個系統(tǒng)如圖3、圖4、圖5所示。





　　本方案的測試過程是:協(xié)議模擬器發(fā)送標準接口消息，通過Iub/Abis接口控制基站，從而將標準的接口消息通過Uu口發(fā)送給終端;對反向鏈路，終端通過基站的Uu口將其要發(fā)送的消息返回給協(xié)議模擬器。相應測試指標在Uu接口處用相關通用測試儀表加以采集分析。協(xié)議模擬器中的可執(zhí)行測試集包含3GPP TS 34.122規(guī)范中所規(guī)定的無線指標測試用例，其中發(fā)射機測試包括:用戶終端最大輸出功率、頻率容限、最小輸出功率、占用帶寬、鄰道泄漏抑制比、雜散發(fā)射、發(fā)射互調(diào)、誤差矢量幅度 (EVM)、峰值碼域誤差等;接收機測試包括:參考靈敏度電平、最大輸入電平、鄰信道選擇性、雜散發(fā)射等。

　　3.2 方案二:采用信號源+頻譜儀方式

　　該方案采用信號源+頻譜儀方式，UE工作在非呼叫狀態(tài)下。

　　此方案需要額外定義控制UE的工作狀態(tài)集合，以滿足3GPP TS34.122對UE發(fā)射和接收信號的配置要求，制訂形成標準的UE控制接口指令（或指令原語）集，還需要各UE芯片廠商支持。UE接口控制指令集由電腦通過與UE的標準接口對UE的工作狀態(tài)進行控制（見圖6、圖7）。





　　本方案的關鍵在于測試控制指令集的定制和工控電腦與UE之間接口的實現(xiàn)，其必須同手機芯片和終端制造商協(xié)調(diào)，保證其接口格式是統(tǒng)一的。

　　3.3 方案三:分階段過渡到完整的終端射頻測試系統(tǒng)
　　
　　根據(jù)TD-SCDMA產(chǎn)業(yè)的發(fā)展情況，分三階段過渡到完整的終端射頻測試系統(tǒng)。

　　第一階段:信號源+信號分析儀，終端工作在測試模式下，測試系統(tǒng)基于LCR版本開發(fā)，信號分析儀通過加入特定的矢量信號分析軟件使其兼具頻譜分析和調(diào)制特性功能。與方案二類似，這種方式同樣需要終端廠商的配合，提供適合于工控機控制的數(shù)據(jù)接口，并需要編寫控制終端測試模式的指令集。

　　此階段能夠測試3GPP 34.122所規(guī)定的大部分靜態(tài)指標。

　　第二階段:終端工作在呼叫模式下，但SS還不是一個完整意義上的系統(tǒng)仿真器，可能只是一個開放的協(xié)議測試平臺，能夠建立滿足射頻測試要求的呼叫鏈路，仍然需要通用測試儀表的配合。硬件結構框圖見圖8。





　　此階段已經(jīng)能夠測試部分動態(tài)指標。

　　第三階段:SS為功能完整的綜測儀，可以完全滿足終端射頻一致性測試。硬件結構圖只需把第二階段的開放協(xié)議平臺更換為綜測儀即可。

　　三個階段的過渡時間點取決于TD-SCDMA產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況和商用化程度。軟件結構見圖9。





　　3.4 方案四:基于呼叫模式或非呼叫測試模式

　　如果終端芯片支持非呼叫模式，某些靜態(tài)指標可以基于圖10所示方案測試。





　　基于呼叫模式下的測試見圖11。信令測試儀模擬Uu接口以上的網(wǎng)絡側功能與終端建立呼叫連接，發(fā)射機測試儀和接收機測試儀分別負責測試發(fā)射機和接收機射頻指標。信令測試儀是一個可升級的平臺，初期只支持部分簡單的射頻指標環(huán)回模式下的測試，后期將可以支持射頻復雜指標、信令的測試，還可以支持話音、數(shù)據(jù)、流媒體等多種3G業(yè)務下的測試。





　　其中發(fā)射機測試儀是一個集頻譜分析、矢量信號分析、功率計功能于一體的硬件平臺。而矢量信號發(fā)生器可以實現(xiàn)兩路信號的疊加輸出（如有用信號和AWGN信號的疊加或者有用信號和干擾信號的疊加），還具有誤碼分析功能，將手機解調(diào)后的數(shù)據(jù)或時鐘進行誤碼統(tǒng)計。本方案軟件結構框架見圖12。





終端測試項目定義及測試目的 {{分頁}}

　　4.1 發(fā)射機特性測試指標
　　發(fā)射機特性測試項目覆蓋UE發(fā)射功率（最大輸出功率）、頻率穩(wěn)定度、輸出功率動態(tài)范圍、射頻發(fā)射、發(fā)射互調(diào)特性、發(fā)送調(diào)制等6個方面。
　　
　　其中輸出功率動態(tài)范圍包括:開環(huán)功率控制、閉環(huán)功率控制、最小輸出功率、輸出功率的失同步處理、發(fā)射關功率、發(fā)射開/關時間模板等6個小項。

　　射頻發(fā)射包括:信道帶寬、頻譜發(fā)射模板、鄰道泄漏抑制比、雜散發(fā)射等4個小項，其中信道帶寬屬于帶內(nèi)發(fā)射，其它屬于帶外發(fā)射。

　　發(fā)送調(diào)制包括:誤差矢量幅度、峰值碼域誤差。

　?。?）UE最大發(fā)射功率（單碼道）

　　定義:UE最大發(fā)射功率是指UE在無線接入模式下，最少在碼片速率（1+α）倍頻帶內(nèi)能發(fā)射的最大功率。測量時長是不包括保護時段的發(fā)射時隙。

　　測試目的:驗證UE的最大發(fā)射功率誤差不超過容限值。UE最大發(fā)射功率過大會干擾其他信道或其他系統(tǒng)，而UE最大發(fā)射功率過小會縮小小區(qū)的覆蓋范圍。

　　（2）頻率穩(wěn)定度

　　定義:頻率穩(wěn)定度是指一個UE射頻發(fā)射的已調(diào)載波頻率與BS射頻發(fā)射的已調(diào)載波頻率之間的差值。

　　測試目的:驗證UE的發(fā)射機載波調(diào)制的精確度。該項目測試考察UE接收機從接收到的信號中獲取正確頻率信息的能力，獲取的頻率信息會被UE發(fā)射機使用。

　?。?）上行開環(huán)功率控制

　　定義:上行開環(huán)功率控制是設置UE的UpPCH的發(fā)射電平到特定的值。UE開環(huán)功率定義為在一個時隙或者發(fā)射機開機時間內(nèi)的根升余弦滾降濾波器測量的平均功率。

　　測試目的:驗證UE開環(huán)功率控制的容限是否超過指標要求。該項目測試強調(diào)UE接收機在接收動態(tài)范圍內(nèi)正確測量接收功率的能力。

　　（4）上行閉環(huán)功率控制

　　定義:上行閉環(huán)功率控制是指UE發(fā)射機根據(jù)在下行鏈路接收到的一個或多個功率控制命令（TPC）而對UE發(fā)射機輸出功率作出調(diào)整。

　　測試目的:驗證UE閉環(huán)功率控制步長符合指標要求，考察UE是否能夠正確地獲得TPC命令。

　　（5）最小輸出功率

　　定義:最小輸出功率是指功率控制設置為輸出功率最小值時的UE的發(fā)射功率值。該功率為不包括保護時段的一個時隙內(nèi)的平均功率。

　　測試目的:驗證UE最小輸出功率是否小于-49 dBm，避免超過指標要求的最小輸出功率會增加對其他信道的干擾和減小系統(tǒng)容量。

　?。?）輸出功率的失步處理

　　定義:UE靠監(jiān)視DPCH的質(zhì)量來探測物理層中信號是否丟失。

　　測試目的:驗證UE檢測DPCH信道的質(zhì)量并根據(jù)檢測結果控制其發(fā)射機的開或關的能力。

　　（7）發(fā)射關功率

　　定義:發(fā)射關功率是指當UE發(fā)射機關閉時，在根升余弦滾降濾波器的一個碼片上測得的平均功率。

　　測試目的:驗證UE的發(fā)射關閉功率是否小于-65 dBm。超過指標要求的發(fā)射關功率會增加對其他信道的干擾和減小系統(tǒng)容量。

　　（8）發(fā)射開/關時間模板

　　定義:UE發(fā)射機從打開到關閉，以及從關閉到打開的過程中，發(fā)射功率電平變化所對應時間的變化。對于單一時隙發(fā)射，該發(fā)射時間不包含該時隙的保護間隔。對于連續(xù)時隙發(fā)射，該時間由發(fā)射的第一個時隙起始時間至最后一個發(fā)射時隙的結束時間，但不包含最后一個時隙的保護間隔。

　　測試目的:驗證UE發(fā)射開/關的過程與時間的關系是否符合標準的規(guī)定。超過指標要求的發(fā)射開/關響應誤差會增加對其他信道的干擾或本信道上行鏈路的發(fā)射誤差。

　?。?）占用帶寬

　　定義:占用帶寬是指以指定信道的中心頻率為中心，包含總發(fā)射功率99%能量時所對應的頻帶寬度。TD-SCDMA基于1.28 Mchip/s碼片速率的占用帶寬為1.6 MHz。

　　測試目的:驗證UE的占用帶寬是否符合指標要求，避免超過指標要求的占用帶寬增加對其他信道或其他系統(tǒng)的干擾。

　?。?0）頻譜發(fā)射模板

　　定義:UE的頻譜發(fā)射模板要求應用于載波頻率以外0.8 MHz到4 MHz范圍內(nèi)的頻段。帶外發(fā)射的基準是相對于1.28 MHz帶寬上用戶終端的根升余弦滾降濾波器濾波平均功率。
測試目的:考察UE的發(fā)射功率是否超過標準要求，避免超過指標要求的頻譜發(fā)射模板增加對其他信道或其他系統(tǒng)的干擾。

　　（11）鄰道泄漏抑制比

　　定義:鄰道泄漏抑制比(ACLR)是指配信道的根升余弦滾降濾波器濾波后的平均功率與相鄰信道的根升余弦滾降濾波器濾波后的平均功率之比。

　　測試目的:考察UE發(fā)射時的ACLR值是否超過標準要求，避免超過指標要求的ACLR增加對鄰近一兩個信道或其他系統(tǒng)的干擾。

　?。?2）雜散發(fā)射

　　定義:雜散發(fā)射是指除去帶外發(fā)射（頻譜發(fā)射模板和ACLR對應的頻段），由諧波發(fā)射、寄生發(fā)射、交調(diào)以及頻率轉換等引起的無用發(fā)射效應。

　　測試目的:考察UE雜散發(fā)射值是否超過標準要求，避免超過指標要求的雜散發(fā)射在距載波頻率4MHz以外的頻段內(nèi)增加對其他系統(tǒng)的干擾。

　?。?3）發(fā)射機互調(diào)

　　定義:發(fā)射互調(diào)特性是指有用信號和通過天線進入發(fā)射機的干擾信號共同存在時，發(fā)射機對由非線性器件產(chǎn)生的互調(diào)信號的抑制能力。

　　對于發(fā)射互調(diào)特性，其最低要求是:當用戶終端相距較近時發(fā)射易于產(chǎn)生互調(diào)產(chǎn)物，這些互調(diào)產(chǎn)物將作為有害信號進入用戶終端或者基站的接收頻帶。當外來的連續(xù)波干擾信號電平小于有用信號的電平時，用戶終端互調(diào)衰減定義為有用信號的根升余弦滾降濾波器測量平均功率和互調(diào)產(chǎn)物的根升余弦滾降濾波器測量平均功率的比值。 {{分頁}}

　　測試目的:考察UE的發(fā)射互調(diào)是否超過指標要求，避免超過指標要求的發(fā)射互調(diào)在附近有其他發(fā)射機存在時增加本信道上行鏈路的發(fā)射誤差。

　?。?4）誤差矢量幅度

　　定義:誤差矢量幅度（EVM）是指測量波形與理想調(diào)制波形之間的矢量差。兩個調(diào)制波都通過滾降系數(shù)α=0.22，帶寬為1.28 MHz的匹配根升余弦濾波器。兩個波形進一步通過選擇頻率、絕對相位、絕對幅度及碼片時鐘定時進行調(diào)制，從而使誤差向量最小。EVM定義為用平均誤差矢量信號功率和平均參考信號功率之比的均方根，用％來表示。測量時隙為一個間隔。

　　測試目的:考察UE能否產(chǎn)生足夠精確的波形使誤差矢量幅度不超過17.5%，避免超過指標要求的EVM增加本信道上行鏈路的發(fā)射誤差。

　?。?5）峰值碼域誤差

　　定義:碼域誤差是按特定擴頻因子將矢量誤差功率計算到碼域。每個碼道的碼域誤差是該碼字矢量誤差的平均功率與基準波形平均功率之比，以dB表示。峰值碼域誤差是所有碼域誤差中的最大值。測量的間隔是一個時隙。此要求僅限于多碼道傳輸。

　　測試目的:考察UE的限制碼道間的串擾使峰值碼域誤差是否超過-21 dB，避免超過指標要求的峰值碼域誤差增加本信道上行鏈路的發(fā)射誤差。

　　4.2 接收機特性測試指標
　　
　　接收機特性測試項目覆蓋了7個指標內(nèi)容:參考靈敏度電平、最大輸入電平、鄰道選擇性、阻塞特性、雜散響應、接收互調(diào)特性、接收機雜散發(fā)射。

　?。?）參考靈敏度電平

　　定義:參考靈敏度是指在誤比特率不超過特定值的情況下，UE天線端口處接收的最小平均功率。

　　測試目的:考察UE的參考靈敏電平，避免參考靈敏電平過高減少基站的覆蓋距離。

　　（2）最大輸入電平

　　定義:最大輸入電平是指在不降低誤比特率性能的情況下，UE天線端口處接收的最大輸入功率。

　　測試目的:考察UE在給定條件下（無干擾、無多徑傳播）的最大輸入電平，若最大輸入電平過低會對UE在基站的近距離的通信效果產(chǎn)生不利影響。

　　（3）鄰道選擇性

　　定義:鄰道選擇性是接收濾波器對載波信號的濾波衰減和對相鄰信道信號的濾波衰減的比例，體現(xiàn)了終端在鄰道有干擾信號存在時接收有用信號的能力。

　　測試目的:考察UE的鄰道選擇性性能，避免鄰道選擇性過大造成本信道解調(diào)的干擾。

　　（4）阻塞特性

　　定義:阻塞特性是指其它頻率（除去鄰道頻率和雜散響應頻率）存在大的干擾信號條件下，接收機接收有用信號時，控制性能下降不超過給定惡化限值的能力。

　　測試目的:驗證UE接收機在除雜散響應和相鄰信道之外的頻段上存在干擾信號時對有用信號的解調(diào)能力。

　?。?）雜散響應

　　定義:雜散響應是指存在由其它頻段的非調(diào)制連續(xù)波干擾信號引起的接收機性能下降不超過一個特定值的情況下，接收機在指定信道上接收有用信號的能力。該無用連續(xù)波干擾信號的頻率是不滿足阻塞特性限制的其它任一頻率。

　　測試目的:驗證UE在其它頻點上存在CW干擾信號時在載波頻點上接收有用信號的能力。

　　（6）互調(diào)特性

　　定義:接收互調(diào)特性是指存在兩個或多個與有用信號有特定頻率關系（它們的互調(diào)產(chǎn)物剛好落在有用信號帶內(nèi)）的干擾信號的情況下，接收機在指定信道上接收有用信號而性能惡化不超過給定惡化限值的能力。

　　測試目的:考察UE接收機抗互調(diào)干擾信號的能力。

　　（7）雜散發(fā)射

　　定義:接收機雜散發(fā)射功率是指UE 的接收機產(chǎn)生或放大的能到達天線接頭處的雜散功率。

　　測試目的:UE接收機抑制接收機中產(chǎn)生或放大的雜散信號功率的能力。

　　4.3 接收機性能測試指標

　　接收機性能測試指標主要包括DCH解調(diào)和下行功率控制。其中DCH解調(diào)包括一個靜態(tài)傳播條件、三個不同的多徑衰落傳播條件。

　　DCH解調(diào)測試用于驗證接收機在靜態(tài)傳播條件和不同的多徑衰落傳播條件下接收有用信號、鄰道信號和鄰小區(qū)信號的能力。

　　下行功率控制考察UE接收機以盡可能小的功率達到網(wǎng)絡要求的鏈路質(zhì)量的能力（關于UE終端的相關的測試方法，鑒于相關標準均有詳細的描述，可參照3GPP和相關YD/T等標準，本文就不再作詳細的介紹）。

相關建議

　　（1） 加快TD-SCDMA系統(tǒng)的標準化工作。對通用測試條件、測試項目等科目，應加快制訂;明確某些測試項目的定義，增加系統(tǒng)升級到HSDPA、HSUPA所要求的項目研究。

　?。?） 加強TTCN測試用例的研究和開發(fā)工作。避免標準和測試技術相脫節(jié)的現(xiàn)象，盡可能做到標準和測試同步發(fā)展、協(xié)調(diào)一致，利用先進的測試技術保證系統(tǒng)運行的質(zhì)量。

　?。?） 加大對專用測試儀表研發(fā)的投入。特別是對集成RNC和NOTEB等相關功能的綜合測試儀的研究，綜合系統(tǒng)制造商、儀表供應商、測試實驗室等多方技術優(yōu)勢，開發(fā)成熟的專用測試儀表。

　　（4） 深入開展系統(tǒng)間的電磁兼容分析工作，盡快制訂特殊頻段的保護措施。無線電管理機構應根據(jù)我國國情，參照3GPP等相關的國際標準，制訂我國TD-SCDMA無線電設備的雜散發(fā)射的限值，保證TD-SCDMA系統(tǒng)能安全、有序、互不干擾地運行。

參考文獻

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　　[5] Harri Holma, Antti Toskala著，陳澤強等譯，WCDMA技術與系統(tǒng)設計-第三代移動通信系統(tǒng)的無線接入，第3版，北京：機械工業(yè)出版社， 2005