UMTS測試背后的射頻測試原理 - 全文

本文旨在通過一些UMTS的部分測試用例來介紹UMTS測試項(xiàng)目背后的一些測試原理以及系統(tǒng)原理。希望大家能通過本文了解一些測試項(xiàng)目背后的系統(tǒng)原理以及測試原理。

1、綜述

本文主要針對UMTS終端射頻測試規(guī)范介紹部分重要測試項(xiàng)目的測試原理，主要針對TS34.121規(guī)范中規(guī)定的射頻測試項(xiàng)目進(jìn)行介紹。由于UMTS規(guī)范從R99發(fā)展到R5、R6、R7、R8、R9等協(xié)議版本，信道結(jié)構(gòu)等物理層基本結(jié)構(gòu)都有較大變化，因此針對同一個測試項(xiàng)目，如最大功率測試，規(guī)范針對不同版本的終端也定義了不同的子測試項(xiàng)目。如最大功率測試就定義了5.2、5.2A、5.2AA和5.2B等幾個測試項(xiàng)目。UMTS測試的復(fù)雜性也正來自于這些信道的過程、信道之間的時延關(guān)系。

本文以幾個基本的UMTS測試項(xiàng)目為例，盡力表達(dá)清楚這些測試項(xiàng)目背后的系統(tǒng)原理以及測試原理。

1.1、觸發(fā)方式的選取

在規(guī)范中經(jīng)常能看到如下的兩種描述，如5.2A中的描述：

The maximum output power with HS-DPCCH is ameasure of the maximum power the UE can transmit when HS-DPCCH is fully orpartially transmitted during a DPCCH timeslot.

5.2B中的描述：

The maximum output power with HS-DPCCH andE-DCH is a measure of the maximum power the UE can transmit when HS-DPCCH andE-DCH is fully or partially transmitted during a DPCCH timeslot.

這兩段描述的含義是要求我們在做TX測試的時候，參考圖4.1，可知HS-DPCCH和E-DCH的發(fā)射具有非連續(xù)的特點(diǎn)，因此要求我們在這兩個信道激活的情況下進(jìn)行發(fā)射，此時可以驗(yàn)證相關(guān)信道激活情況下的射頻性能。因此上述規(guī)范的描述就變成了一個找到相應(yīng)上行物理信道的問題，該問題的答案我們可以在3GPP TS 25.211 7.7章中找到。

圖1.1、上行信道時間關(guān)系

根據(jù)圖1.1的描述，上行HS-DPCCH與上行DPCH之間的時間差為m*256 chips ,記為T1

其中m = (TTX_diff/256) + 101，該時延在CMU200中約為1024 chips。上行DPCH與下行DPCH之間的時間差即為DPCH在信道傳輸?shù)目湛跁r延，記為T2，下行DPCH同CPICH之間的時延為T_dpch_offset,記為T3，該參數(shù)以256chips為單位，在CMU200和CMW500中都可以直接配置。因此上行HS-DPCCH同CPICH的時延即為T1+T2+T3。

綜測儀會根據(jù)下行的幀邊界，即CPICH信道的時間和一系列系統(tǒng)的參數(shù)在一定范圍內(nèi)找上行的HS-DPCCH信道。在固定了第一個HS-DPCCH之后，由于該信道的周期為12ms，因此后續(xù)可以通過時間來確定HS-DPCCH信道實(shí)際的出現(xiàn)時間。

在實(shí)際操作中，直接在綜測儀中選取HS-DPCCHTrigger即可！E-DCH的原理同HSDPA的原理類似，就不在這里詳細(xì)介紹了！

1.2、動態(tài)的終端功率測試

在LTE系統(tǒng)中，一部分系統(tǒng)的特性會導(dǎo)致終端功率發(fā)生變化，比如TFC變化(包括DTX)，壓縮模式下的Power Boosting，開環(huán)功率控制中PRACH的接入，閉環(huán)功率控制中DPCH的TPC響應(yīng)，信道增益因子變化等。針對UMTS的功率變化過程，3GPP TS34.121規(guī)范制定了響應(yīng)的測試項(xiàng)目，如表1.1：

2、最大功率測試

2.1、R99的最大功率測試

由于R99的上行只有DPCCH和DPDCH兩個信道，因此R99的最大功率測試相對HSDPA和HSUPA而言，復(fù)雜程度是最低的。SS通過下行DPCCH信道發(fā)送TPC指令，上行DPCCH信道會根據(jù)TPC來提高本信道的功率，而上行DPDCH信道則會根據(jù)增益因子βc和βd相應(yīng)調(diào)整本信道的功率，如βc=8，βd=15

DPCCH/DPDCH功率比

=20*log(βc/ βd)=-5.46dB

直到終端的功放飽和達(dá)到最大功率位置。此時測量終端的功率，測量帶寬至少為(1+α)*chiprate = 1.22*3.84Mhz=4.68Mhz。

βc和βd的決定取決于TFC，即業(yè)務(wù)速率越高，DPDCH信道的功率越高，業(yè)務(wù)速率越低，DPDCH信道的功率越低，如極限的例子，即如果在DTX的情況下，即無數(shù)據(jù)發(fā)射，DPDCH信道可以選擇不發(fā)送。在這里我們不過多的討論實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中增益因子的運(yùn)用，而更加關(guān)注UE的射頻測量方法。

2.2、HSDPA的最大功率測試

為了下面更好的理解HSDPA和HSUPA的最大功率測量方法，我們來說明一下增益因子的定義。首先3Gpp規(guī)范針對WCDMA上行發(fā)射功率給每個上行信道定義了一個增益因子，即βc、βd、βhs、βec、βed等參數(shù)，用于獨(dú)立控制各個信道的功率。為了系統(tǒng)消息傳輸方便，最終又將這些參數(shù)映射成為βc、βd和DACK，DNACK，DCQI以及DE-DPCCH和DE-DPDCH，通過這些參數(shù)，最終可以決定DPDCH、HS-DPCCH、E-DPCCH和E-DPDCH信道相對DPCCH信道的功率。

WCDMA系統(tǒng)中的增益因子

3GPP TS34.121 Release 10規(guī)范針對HSDPA規(guī)范定義了5.2A和5.2AA兩個測試項(xiàng)目，區(qū)別在于終端是否支持Release 6版本。HSDPA的最大功率測試有兩個關(guān)鍵點(diǎn)：

1)、HS-DPCCH信道在激活狀態(tài)，發(fā)送ACK/NACK或者CQI，5.2AA測試項(xiàng)目需要HS-DPCCH激活狀態(tài)才可以，因此測量儀器需要特定的觸發(fā)時機(jī)來捕獲HS-DPCCH信道同DPDCH、DPCCH共同發(fā)射。

2)、變化的βc/βd比值，DACK，DNACK，DCQI在測試中固定為8,8,8。因此測試的時候變化βc/βd比值來測量HSDPA終端的最大功率。

規(guī)范根據(jù)βc/βd比值定義了4個subtest來測試HSDPA終端的最大功率，分別是βc/βd的四個范圍內(nèi)的典型值，分別是βc/βd=2/15,12/15,15/8,15/4這幾個比值情況下的終端最大功率。此時DACK，DNACK，DCQI設(shè)置為固定值8。

2.3、HSUPA的最大功率測試

HSUPA的最大功率測試方法相對復(fù)雜，但是當(dāng)我們清楚了這個測試項(xiàng)目背后含義的話，實(shí)際上對于測試的理解就變得簡單了許多！

首先，HSUPA的最大功率測試(TS34.121,5.2B)需要在規(guī)定的RMC和FRC(FRCH-Set 1, QPSK)下約定各個信道的相對功率，如下表格所示：

其中有些特別的是subtest 5，subtest 5測試中DPDCH不發(fā)送，因此測試模式選擇SRB 2.5kbps +HSPA(βd=0)，而不是subtest1~4所采用的RMC 12.2kbps +HSPA 34.108。

對于HSUPA的最大功率測試，我們需要理解的HSUPA的上行功率控制原則，HSUPA的目的是為了上行提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，更高的上行速率需要更高的上行E-DCH信道功率以提供更好的信噪比。反之，當(dāng)E-DPDCH信道功率不足時，就相應(yīng)的降低E-TFCI以保證一定速率下的可靠傳輸。

基于上述原則，我們就很容易理解5.2B subtest這個測試項(xiàng)目的設(shè)計(jì)原則，首先對于每個subtest定義了一系列的E-TFCI以及相應(yīng)的E-TFCIPower offset，通過DL-DPCCH下發(fā)TPC控制UL-DPCCH提高功率，而DPDCH、HS-DPCCH、E-DPCCH、E-DPDCH根據(jù)信道增益表格相應(yīng)的提高信道功率，當(dāng)功率提升1dB之后，如果還有空間繼續(xù)提升，則E-TFCI不降低，繼續(xù)提升功率直到不能繼續(xù)提升位置，此時E-DPDCH功率被調(diào)低，相應(yīng)的E-TFCI也會降低，此時發(fā)送一個1dB的功率降低指令給E-DPDCH留出一定的空間，此時的功率足夠保持TargetE-TFCI，這時測量終端的最大功率，在這樣的邏輯下測量到的功率實(shí)際可以理解為在特定的E-TFCI發(fā)送的情況下終端的最大發(fā)射功率。

HSUPA最大功率測試流程

其中有些特別的是subtest 5，由于subtest 5 只定義了一種參考E-TFCI，因此E-TFCI不會隨著功率變化，僅僅發(fā)送TPC Up控制UL-DPCCH功率，其它信道功率相對固定，即可測量得到終端的最大功率。

3、頻譜雜散測試

3.1、Out of band emission

3.1.1、Spectrumemission mask (SEM)

SEM測試門限有兩個，一個是絕對門限，規(guī)范中稱為Absolute Requirement，一個是相對門限，規(guī)范中稱為RelativeRequirement。規(guī)范要求測量區(qū)域內(nèi)的測量點(diǎn)不超過兩個門限中功率較高的那個(即要求較松的門限)。絕對門限是根據(jù)終端的最小功率要求制定，根據(jù)TS 34.121表5.4.3的要求，使用RRC濾波器在3.84MHz帶寬內(nèi)測量得到的UE最小功率應(yīng)該低于-50dBm。根據(jù)此要求，使用不同RBW進(jìn)行等效換算，SEM的絕對門限應(yīng)為：

在高功率情況下，相對門限更加寬松，在低功率條件下，絕對門限更加寬松。由于一般SEM測試在終端最大發(fā)射功率下進(jìn)行，因此普遍采用相對門限的標(biāo)準(zhǔn)測試。

3.1.2、AdjacentChannel Leakage power Ratio (ACLR)

同SEM測試一樣，ACLR測試也有絕對門限和相對門限兩個標(biāo)準(zhǔn)，絕對門限也是采用最小功率的要求，即-50dBm，相對門限參考TS 34.121 表5.10.1的要求。同SEM一致，高功率情況下一般參考更加寬松的相對門限。

ACLR同SEM的區(qū)別主要在于，ACLR主要是基于RRC濾波的平均功率的比值，而SEM是對測量范圍內(nèi)的每個測量點(diǎn)進(jìn)行測量。

3.2、Spurious emissions

嚴(yán)格的說，雜散發(fā)射(Spurious emissions)不屬于帶外雜散，雜散發(fā)射同帶外雜散的生成原因不同，雜散發(fā)射主要是由諧波、互調(diào)、變頻產(chǎn)物等造成的。因此測試范圍也不同。帶外雜散的測試范圍我們稱之為Out-of-Banddomain, 雜散發(fā)射的測試范圍我們稱之為Spurious domain。

基于Spurious emissions的成因，決定了Spuriousemissions 需要測量到更加寬的頻率范圍，根據(jù)Rec.ITU-R SM.329-12規(guī)范的要求，UMTS的基礎(chǔ)頻率范圍在600MHz~5.2GHz范圍之內(nèi)，根據(jù)UMTS頻段的最高頻率，需要測試到5次諧波的范圍，因此我們得到了規(guī)范TS 34.121，表5.11.2a中要求的通用測試范圍。

Table 5.11.2a: Generalspurious emissions test requirements

由于上表所測試頻率范圍內(nèi)有存在各種通信制式以及廣播電視等無線頻率占用，因此又針對不同的UMTS頻段制定了表5.11.2b的額外標(biāo)準(zhǔn)。由于通用的綜測儀無法達(dá)到13GHz的頻率范圍，因此一般采用綜測儀和頻譜儀(如R&SFSQ或FSW)的測試系統(tǒng)來完成這個測試項(xiàng)目的測試。如圖3.1所示：

圖3.1、Spurious emission 測試連接圖

4、發(fā)射調(diào)制

　　發(fā)射調(diào)制測量項(xiàng)目包括EVM，相對碼域誤差，相位非連續(xù)以及隨機(jī)接入探針質(zhì)量

　　4.1、EVM withHS-DPCCH

　　在HS-DPCCH信道相關(guān)的測試中我們經(jīng)?？吹饺鐖D4.1的測試點(diǎn)描述，如規(guī)范5.13.1A（EVM with HS-DPCCH） ，5.2C（UE relative codedomain power accuracy），5.7A（HS-DPCCH Power Control），首先這個圖的橫軸的時間是6個子幀，即12ms，而不是一個10ms無線幀。

　　圖4.1、HS-DPCCH非連續(xù)發(fā)送示例

　　這個時間關(guān)系是由HARQ的周期決定的，由于在HS-DPCCH相關(guān)測試中，終端上行發(fā)射會有DPCCH、DPDCH和HS-DPCCH三個信道，由于DPCCH和DPDCH是連續(xù)發(fā)射的信道，因此非連續(xù)發(fā)射的HS-DPCCH就決定了整個功率圖案的周期。根據(jù)圖4.2，整個HARQ的周期=2+3+7.5+3+2*空間傳輸時間，這個時間略小于12ms，因此HARQ的周期定義為12ms，即從系統(tǒng)開始給終端調(diào)度數(shù)據(jù)發(fā)送，到收到終端反饋的ACK/NACK，整個時間是在12ms之內(nèi)完成的。因此在圖4.1中的測試是以12ms為周期的。