TD-SCDMA直放站時(shí)域切換特性測(cè)試分析

0 前言

TD-SCDMA（Time Division Synchronous Code Division Multiple Access，時(shí)分同步碼分多址）技術(shù)是國(guó)際電聯(lián)ITU正式發(fā)布的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)之一，其關(guān)鍵技術(shù)有可調(diào)整上下行切換點(diǎn)的時(shí)分雙工、智能天線、聯(lián)合檢測(cè)、接力切換、動(dòng)態(tài)信道分配等。TD-SCDMA的優(yōu)勢(shì)突出表現(xiàn)在系統(tǒng)抗干擾和系統(tǒng)容量之間得到了很好的均衡、對(duì)混合業(yè)務(wù)的高效支持、系統(tǒng)自身有良好的持續(xù)發(fā)展和技術(shù)演進(jìn)能力。

直放站是移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，是網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容和優(yōu)化的主要對(duì)象。直放站也是解決室內(nèi)覆蓋的重要設(shè)備。在TD-SCDMA系統(tǒng)中正確合理地使用好直放站，能提高網(wǎng)絡(luò)利用率，降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、運(yùn)維成本，提高網(wǎng)絡(luò)性能。隨著TD-SCDMA規(guī)模試驗(yàn)網(wǎng)建設(shè)的不斷深入，TD-SCDMA直放站的重要性得到了直觀的體現(xiàn)。它可以增加網(wǎng)絡(luò)覆蓋，使施主基站的覆蓋得到延伸，也能增加空閑基站的話務(wù)負(fù)荷，或是分?jǐn)偡泵镜脑拕?wù)量起到優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的作用。

1 TD-SCDMA直放站的時(shí)域特性

TD-SCDMA直放站目前工作頻率是2010MHz～2025 MHz，信號(hào)的碼片速率為1.28MHz/s，擴(kuò)頻帶寬或信道間隔為1.6MHz，調(diào)制方式為QPSK/8PSK，接入技術(shù)為DS-CDMA/TDMA，采用不需配對(duì)頻率的TDD工作方式。它的下行和上行的信息是在同一載頻的不同時(shí)隙上進(jìn)行傳送的，因此時(shí)域切換指標(biāo)的測(cè)試至關(guān)重要。

TD-SCDMA的物理信道采用四層結(jié)構(gòu)：系統(tǒng)幀、無線幀、子幀和時(shí)隙/碼。圖1為TD-SCDMA的物理信道信號(hào)格式。

圖1 TD-SCDMA的物理信道信號(hào)格式

TD-SCDMA幀結(jié)構(gòu)將10ms的無線幀分成兩個(gè)5ms的子幀，每個(gè)子幀中有7個(gè)常規(guī)時(shí)隙（TS0～TS6，每個(gè)時(shí)隙長(zhǎng)度為864碼片，占675μs）和3個(gè)特殊時(shí)隙。三個(gè)特殊時(shí)隙分別為下行導(dǎo)頻時(shí)隙DwPTS（長(zhǎng)度為96碼片，占75μs）、主保護(hù)時(shí)隙GP（長(zhǎng)度為96碼片，占75μs）和上行導(dǎo)頻時(shí)隙UpPTS（長(zhǎng)度為160碼片，占125μs）。在7個(gè)常規(guī)時(shí)隙中TS0總是固定用作下行時(shí)隙來發(fā)送系統(tǒng)廣播信息，是廣播信道P-CCPCH獨(dú)自占用的時(shí)隙，而TS1總是固定用作上行時(shí)隙，其他的常規(guī)時(shí)隙可以根據(jù)需要靈活配置成上行或下行，以實(shí)現(xiàn)上、下行不對(duì)稱業(yè)務(wù)的傳輸，上下行的轉(zhuǎn)換由一個(gè)轉(zhuǎn)換點(diǎn)（Switch Point）分開。

每個(gè)5ms的子幀有兩個(gè)轉(zhuǎn)換點(diǎn)（下行鏈路DL到上行鏈路UL和UL到DL），第一個(gè)轉(zhuǎn)換點(diǎn)固定在TS0結(jié)束處，位置在DwPTS和UpPTS之間的GP；而第二個(gè)轉(zhuǎn)換點(diǎn)則取決于小區(qū)的上下行時(shí)隙配置，位置在每個(gè)子幀中最后一個(gè)上行時(shí)隙和第二個(gè)下行時(shí)隙之間（見圖1）。其中，第一個(gè)轉(zhuǎn)換點(diǎn)相對(duì)于每個(gè)子幀的開始時(shí)間是固定的；第二個(gè)轉(zhuǎn)換點(diǎn)隨著分配給上下行的時(shí)隙數(shù)不同而變化。

在TD-SCDMA系統(tǒng)中，上行鏈路信號(hào)和下行鏈路信號(hào)處于同一頻率，通過時(shí)分復(fù)用的方式區(qū)分上行和下行，而且根據(jù)不同的業(yè)務(wù)需要，還可以靈活配置上下行時(shí)隙來改變功率開關(guān)切換點(diǎn)，以滿足上、下行非對(duì)稱業(yè)務(wù)的需求。這對(duì)TD-SCDMA直放站設(shè)備的上、下行同步提出了很高的要求。TD-SCDMA直放站需要獲取兩個(gè)轉(zhuǎn)換點(diǎn)位置信息，完成對(duì)射頻信道的上下行切換，使時(shí)分方式下的收發(fā)同步切換控制。因此，在TD-SCDMA直放站所有指標(biāo)測(cè)試中，時(shí)域切換測(cè)試是最困難的。

2 切換特性測(cè)試指標(biāo)

下面基于相關(guān)國(guó)標(biāo)中TD-SCDMA直放站設(shè)備技術(shù)要求的切換同步功能時(shí)域部分的測(cè)試進(jìn)行分析。

(1)直放站上下行開關(guān)打開時(shí)間的提前量和關(guān)閉時(shí)間的滯后量應(yīng)大于2μs，如圖2所示；

圖2 切換特性測(cè)試指標(biāo)要求

(2)上下行開關(guān)轉(zhuǎn)換點(diǎn)落在TD-SCDMA幀中相應(yīng)的上下行轉(zhuǎn)換點(diǎn)的間隔不得小于3μs；

(3)功率開關(guān)上升沿和下降沿在低于-70dBm 起始點(diǎn)90%功率之內(nèi)小于2μs；

(4)功率開關(guān)時(shí)間抖動(dòng)偏差不得偏離1μs；

(5)時(shí)隙調(diào)節(jié)功能要求時(shí)隙調(diào)整偏差為675±0.5μs；

(6)功放開關(guān)同步控制功能：同步信號(hào)丟失后(包括GPS)，功率同步開關(guān)應(yīng)能保持持續(xù)時(shí)間5s～60s，在保持時(shí)間內(nèi)滿足功率開關(guān)時(shí)間偏差不得偏離±1μs，持續(xù)5至60s后上下行功放應(yīng)自動(dòng)關(guān)閉。

3 切換特性測(cè)試方法分析

以無線直放站為例，本文介紹并分析兩種TD-SCDMA切換特性測(cè)試方法。

3.1 方法一

圖3 測(cè)試方法一的連接結(jié)構(gòu)

測(cè)試方法一的連接圖如圖3所示，其具體過程如下所述。

⑴用TD-SCDMA信號(hào)源1單獨(dú)產(chǎn)生下行時(shí)隙信號(hào)，并與連續(xù)波CW信號(hào)源1合路后輸出；用TD-SCDMA信號(hào)源2單獨(dú)產(chǎn)生上行時(shí)隙信號(hào)，并與CW信號(hào)源2合路后輸出；為了對(duì)信號(hào)源的保護(hù)，合路后的信號(hào)一般經(jīng)過30dB衰減器后經(jīng)環(huán)行器接入直放站。

⑵輸入直放站的信號(hào)采用TD-SCDMA信號(hào)和CW信號(hào)的合路信號(hào)，目的是為了準(zhǔn)確地看出直放站的開關(guān)切換時(shí)間和上下行打開的時(shí)間提前量和關(guān)閉的時(shí)間滯后量。

⑶對(duì)于直放站輸出經(jīng)環(huán)行器后的信號(hào)也要接30dB或40dB衰減器，確保直放站的收發(fā)隔離度大于增益10dB，避免產(chǎn)生自激。

⑷10MHz同步信號(hào)是儀器本身產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)參考源，由頻譜儀(10MHz OUT)輸出分別輸入另兩臺(tái)信號(hào)源(10MHz IN)，互連可以防止幀結(jié)構(gòu)的抖動(dòng)，確保測(cè)試精度小于0.1μs。

⑸由外部提供的低頻觸發(fā)信號(hào)同時(shí)連接三臺(tái)儀器的外觸發(fā)輸入是為了產(chǎn)生的上下行TD-SCDMA格式信號(hào)能同步，在頻譜儀上的顯示掃描也能同步。這樣才能準(zhǔn)確地測(cè)出各個(gè)指標(biāo)的時(shí)間誤差。

以Agilent公司的E4438C矢量信號(hào)源和E4440A頻譜儀為例，這種方法的測(cè)試流程為：

⑴將TD-SCDMA信號(hào)發(fā)生器1和TD-SCDMA信號(hào)發(fā)生器2產(chǎn)生有上下行規(guī)定時(shí)延的測(cè)試模式1信號(hào)，觸發(fā)方式設(shè)為外部觸發(fā)，并將信號(hào)電平設(shè)置在直放站啟動(dòng)靈敏度電平以上。

⑵開啟CW信號(hào)發(fā)生器1和CW信號(hào)發(fā)生器2，調(diào)整其輸出電平低于TD-SCDMA 信號(hào)電平20dB。

⑶將直放站設(shè)置為正常工作模式下，直放站增益為最小。

⑷設(shè)置頻譜儀掃寬為0Hz（Span=0）、RBW=3MHz、SweepTime=2ms、觸發(fā)方式設(shè)為外觸發(fā)輸入。

⑸設(shè)置頻譜儀的觸發(fā)延時(shí)（TrigDelay=-750μs）,并減小掃描時(shí)間（SweepTime），即可放大GP值，然后再局部放大，分別精確讀出功率切換開關(guān)的關(guān)閉滯后量、轉(zhuǎn)換間隔、開啟提前量及切換抖動(dòng)，如圖4所示。

圖4 頻譜分析儀上相關(guān)數(shù)據(jù)

⑹加大頻譜儀掃描時(shí)間值，調(diào)節(jié)TD-SCDMA信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生模式1信號(hào)的時(shí)隙配置，即3:3、4:2、5:1，頻譜儀測(cè)試并計(jì)算時(shí)隙調(diào)整偏差。

⑺開關(guān)TD-SCDMA信號(hào)源或GPS接收機(jī)，觀察功放開關(guān)同步控制功能。

⑻對(duì)第二切換點(diǎn)時(shí)域切換特性測(cè)試，要根據(jù)上下行時(shí)隙配置比，計(jì)算增加頻譜儀的觸發(fā)延時(shí)值，即可顯示第二切換點(diǎn)的時(shí)域圖，第二切換點(diǎn)的保護(hù)時(shí)隙GP長(zhǎng)度為16碼片（占12.5μs），測(cè)試方法同上。

測(cè)試不同類型的直放站，衰減器要根據(jù)上下行最大輸出功率略作調(diào)整，以保證輸出信噪比和上下行隔離度足夠好。如干放或光纖站上行發(fā)射功率很小，在連接圖（圖3）中左側(cè)的兩個(gè)衰減器可去掉。輸出功率衰減調(diào)節(jié)不當(dāng)?shù)暮蠊汗β侍髸?huì)燒毀儀表，太小會(huì)使信號(hào)矢量幅度誤差（EVM）值變差（即信噪比變差）。

3.2 方法二

另一種測(cè)試方法用一個(gè)TD-SCDMA信號(hào)源產(chǎn)生上下行所有時(shí)隙信號(hào)，由于上下行輸出功率的不對(duì)稱，一般發(fā)生上行時(shí)隙的功率要比下行時(shí)隙的信號(hào)功率小，由TD-SCDMA信號(hào)源EVENT1輸出觸發(fā)頻譜儀EXT TRIGGER INPUT來進(jìn)行，如圖5所示。

圖5 測(cè)試方法二的連接結(jié)構(gòu)

3.3 兩種方法的比較

測(cè)試方法一的主要優(yōu)點(diǎn)有：上下行輸入功率可以分別靈活調(diào)節(jié)，在進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)測(cè)試時(shí)比較方便，且不需考慮直放站的信號(hào)輸入端的隔離，在測(cè)試過程中只需考慮直放站的信號(hào)輸出端的隔離度。其缺點(diǎn)在于信號(hào)源較多，還需要外部觸發(fā)源，提高了測(cè)試成本。如果缺少外部觸發(fā)源，也可用TD-SCDMA信號(hào)源1的EVENT1輸出觸發(fā)TD-SCDMA信號(hào)源2和頻譜儀，但需要補(bǔ)償TD-SCDMA信號(hào)源2的啟動(dòng)時(shí)延（需要單獨(dú)用頻譜儀先校準(zhǔn)，E4438C約4μs）。

測(cè)試方法二的主要缺點(diǎn)有：在改變信號(hào)源功率時(shí)，上下行時(shí)隙功率會(huì)同時(shí)改變而不能單獨(dú)控制，而且在測(cè)試過程中必須考慮直放站的信號(hào)輸入端和信號(hào)輸出端兩個(gè)回路的隔離度，確保直放站在最大增益時(shí)不自激。其優(yōu)點(diǎn)在于少用了兩臺(tái)測(cè)試信號(hào)源，而且不需考慮產(chǎn)生上下行時(shí)隙的同步問題，一定程度上降低了測(cè)試成本。

4 結(jié)束語

利用本文所述的兩種方法，我們可以通過帶TD-SCDMA功能的矢量信號(hào)源和連續(xù)波信號(hào)源，利用高精度頻譜儀，在時(shí)域上清晰地觀察和分析TD-SCDMA信號(hào)的幀結(jié)構(gòu)、各時(shí)隙狀態(tài)及上下行切換特性，優(yōu)化TD-SCDMA直放站產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)流程，便于更好地開展相關(guān)產(chǎn)品的入網(wǎng)或型號(hào)核準(zhǔn)測(cè)試。