TD-LTE基站發(fā)射機ON/OFF功率測試方法

0 引言

3G移動通信系統(tǒng)TD-LTE的頻譜利用率高，上下行非對稱傳輸，正在得到越來越多的應用，通信基站越來越密集，對于TDLTE基站發(fā)射機ON/OFF功率測試要求也越來越高，以避免通信系統(tǒng)內(nèi)的干擾和基站自身的干擾，保證非對稱的發(fā)射和接收。

1.ON/OFF功率和要求

TD-LTE基站發(fā)射與接受共享無線頻率，采用時分復用，物理層幀長10ms,每幀包括10個子幀。為滿足移動數(shù)據(jù)的不對稱需求，下行和上行子幀可以靈活配置。

3GPP定義了7種配置，以配置3為例，幀結(jié)構(gòu)如圖1,子幀1是特殊子幀，包括DwPTS、UpPTS和保護間隔;子幀0、5、6、7、8、9是下行，它和DwPTS屬于發(fā)射機的發(fā)射時隙;而子幀2、3、4是上行，它和UpPTS、保護間隔屬于基站發(fā)射機的關(guān)斷時隙。發(fā)射時隙用于下行信號傳輸，關(guān)斷時隙用于上行信號傳輸。

由于上下行同頻，而且通常共用一個天線，發(fā)射機關(guān)斷時隙的功率需要足夠小，以不影響上行信號質(zhì)量。3GPP表準TS36.141定義ON/OFF功率不僅是關(guān)斷時隙的功率，還包括了上下行時隙切換的時間，要求關(guān)斷時隙的功率最大值-85dBm/MHz,即-78dBm/5MHz,關(guān)斷和打開的切換時間最大不超過17μs.

從接收機來看，靈敏度最低要求是-100.8dBm/5MHz,-78dBm/5MHz的干擾遠遠大于靈敏度的限值，顯然，如果收發(fā)共用天線端口，發(fā)射機關(guān)斷時隙的功率要求還不夠，如果基站關(guān)斷時隙的發(fā)射功率達到-78dBm/5MHz,那么基站的覆蓋范圍和用戶容量都將大大降低。所以有必要提高發(fā)射機關(guān)斷時隙功率的要求，低于接收機靈敏度限值為好。

2.測試硬件組成

TD-LTE宏基站的發(fā)射時隙功率比較大，通常大于10W,一般的基站功率測試裝置是在發(fā)射機端口和測試儀表(頻譜儀)之間連接一個大功率衰減器，以保護測試儀表，這種通用的測試裝置不能滿足關(guān)斷時隙的功率測試要求。一方面大功率衰減器提高了測試儀表的噪聲，以10W的發(fā)射機為例，測試時使用20dB衰減器，會使頻譜儀底噪增大20dB,頻譜儀的底噪達到-75dBm/100KHz,不能滿足- 7 8 d B m / 5 M H z 的要求， 更別提-100.8dBm/5MHz了;另一方面頻譜儀的動態(tài)范圍有限，無法直接測試。ON/OFF功率測試需要一種新的測試硬件裝置。

圖2描述了兩種測試連接方式，a表示了一個可控的射頻開關(guān)裝置，關(guān)閉時隙觸發(fā)信號控制開關(guān)的切換，衰減器通路測試發(fā)射時隙功率，放大器通路測試關(guān)斷時隙功率，這種方式兼顧上下行功率的測試，但當觸發(fā)信號不準確時，或者上下行子幀配置調(diào)整時，放大器和測試儀表就有被損壞的風險;b則對a進行了改進，它是采用限幅器的測試裝置，除射頻開關(guān)和大功率衰減器外，還包括環(huán)形器、大功率限幅器、小功率限幅器、低噪聲放大器和射頻負載TE.環(huán)形器降低限幅器的反射信號，保護發(fā)射機;TE則吸收限幅器的反射信號;大功率限幅器把發(fā)射時隙功率降低到10dBm,而讓關(guān)閉時隙信號無損耗通過;小功率限幅器把發(fā)射時隙功率降低到-10dBm或更低;低噪放使關(guān)閉時隙信號放大20dB甚至更高。這樣，從基站天線端口到達頻譜儀的下行信號功率被限制到-10dBm以下，而上行信號則放大了20dB以上，頻譜儀很容易檢測到小信號功率，即發(fā)射機關(guān)閉時隙的功率。基帶幀觸發(fā)信號則控制了頻譜儀的測量開始時間。

3.測量方法

那么，怎樣測試ON/OFF功率呢?分別測量關(guān)斷時隙功率和發(fā)射時隙功率，然后比較兩個功率限值點的時間差。但不能這樣簡單的認為，這樣測量不能準確衡量時隙功率，切換時間的測量也不能用此方法。假設基站系統(tǒng)的基帶定時發(fā)生了偏移，而切換開關(guān)很快，上述方法測量出的切換時間很小，但不能反映系統(tǒng)出現(xiàn)的問題，所以準確的方法應該引入基帶幀觸發(fā)信號，基帶幀觸發(fā)信號控制頻譜分析儀開始測量的時間，用以比較基帶定時與時隙信號的偏差，如圖3所示，觸發(fā)信號通常位于子幀0的開始時刻，它是周期性脈沖或方波，其周期是基帶幀的整數(shù)倍。

以子幀配置3 為例， 下行發(fā)射時隙(Transmitter ON period)以子幀5開始，到子幀1的DwPTS時隙結(jié)束，關(guān)閉時隙的信號分列在圖3所示的發(fā)射時隙兩側(cè)。測量時調(diào)整幀脈沖觸發(fā)信號的延遲，這里觸發(fā)延遲5ms,那么頻譜儀開始測量的時刻就是發(fā)射時隙的開始，以此去計算關(guān)閉時隙的開始和結(jié)束時刻，關(guān)閉時隙的信號在頻譜儀上有了定時，頻譜儀讀取關(guān)閉時隙的任意時刻的功率值。同樣的方法測量發(fā)射時隙功率，發(fā)射時隙的信號在頻譜儀上也有了定時，發(fā)射時隙的任意時刻的功率值也顯示出來。切換上升時間是測量開始時刻到平均發(fā)射功率點的時間，切換下降時間是發(fā)射時隙結(jié)束點到關(guān)閉時隙功率限值的時間。[!--empirenews.page--]

4.限幅器的原理和選用

PIN二極管限幅器將輸入信號的幅度削峰，降低了信號的最大輸出功率，但不改變小功率信號的幅度特性，為TD-LTE發(fā)射機空閑時隙的功率測試帶來了方便。圖4描述了限幅器的輸入和輸出。

在發(fā)射時隙，大功率的輸入使得限幅器產(chǎn)生了諧波、互調(diào)等產(chǎn)物，而且PIN二極管在導通和截止時刻會產(chǎn)生泄漏，但PIN二極管相應速度快、體積小、損耗小、可用較小的直流偏置控制功率較大的微波信號，它的快速響應特性使得這些非線性產(chǎn)物不會遺留在空閑時隙，瞬間的泄漏對測試影響較小。如圖5所示，PIN二極管的3dB恢復時間一般小于100ns,遠遠小于3GPP的要求17μs.限幅器采用PIN二極管級聯(lián)，多級限幅管逐級限幅，承受最大輸入功率并限制大功率信號輸出。限幅器能夠承受的最大輸入功率主要取決于第一級PIN管的能力。

測試時，第一級限幅器通常選取雙向限幅器，限幅幅度比單項更大。對于無源限幅器，根據(jù)不同頻率的射頻信號，要根據(jù)信號的波長訂制，如圖6,λ/4是相鄰兩個PIN二極管之間的距離，達到雙向削峰的效果。

限幅器的指表有限幅電平、插入損耗、隔離度、頻帶特性，限幅電平即輸入的限幅門限，輸入功率超過此門限值后，輸出開始穩(wěn)定;插入損耗是輸入信號小于限幅電平時，信號經(jīng)過限幅器的衰減;隔離度是指輸入信號大于限幅電平時，限幅器的最大衰減值，表征了限幅器的最大輸入功率;頻帶特性是限幅器支持的信號頻率范圍，在此范圍內(nèi)，輸出保持穩(wěn)定。

5.測試結(jié)果

在實際測試中，TD-LTE ON/OFF功率測試選用了三級串聯(lián)限幅器，使10W的發(fā)射信號衰減到-10dBm以下，而小功率的關(guān)斷時隙信號衰減3dB以下;選用低噪放的增益35dB,噪聲系數(shù)小于1.1,工作頻率B40.實際的測試結(jié)果如表1,關(guān)斷時隙功率值-105.63dBm/5MHz,遠遠好于3GPP的限值要求，也好于接收機的靈敏度限值。

6.結(jié)論

TD-LTE基站ON/OFF功率測試要求較高，不能使用測試儀表直接測量，儀表外接衰減器和限幅器分別測量的方法很好的解決了這個問題，這個方法在實際測試中得到了驗證，不僅適用于產(chǎn)品驗證測試，更適用于產(chǎn)品研發(fā)測試。