TD-LTE基站發(fā)射機(jī)ON/OFF功率測(cè)試方法

0 引言

3G移動(dòng)通信系統(tǒng)TD-LTE的頻譜利用率高，上下行非對(duì)稱傳輸，正在得到越來越多的應(yīng)用，通信基站越來越密集，對(duì)于TDLTE基站發(fā)射機(jī)ON/OFF功率測(cè)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(duì)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(shí)分復(fù)用，物理層幀長10ms,每幀包括10個(gè)子幀。為滿足移動(dòng)數(shù)據(jù)的不對(duì)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(hù)間隔;子幀0、5、6、7、8、9是下行，它和DwPTS屬于發(fā)射機(jī)的發(fā)射時(shí)隙;而子幀2、3、4是上行，它和UpPTS、保護(hù)間隔屬于基站發(fā)射機(jī)的關(guān)斷時(shí)隙。發(fā)射時(shí)隙用于下行信號(hào)傳輸，關(guān)斷時(shí)隙用于上行信號(hào)傳輸。

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

從接收機(jī)來看，靈敏度最低要求是-100.8dBm/5MHz,-78dBm/5MHz的干擾遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(jī)關(guān)斷時(shí)隙的功率要求還不夠，如果基站關(guān)斷時(shí)隙的發(fā)射功率達(dá)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(jī)關(guān)斷時(shí)隙功率的要求，低于接收機(jī)靈敏度限值為好。

2.測(cè)試硬件組成

TD-LTE宏基站的發(fā)射時(shí)隙功率比較大，通常大于10W,一般的基站功率測(cè)試裝置是在發(fā)射機(jī)端口和測(cè)試儀表(頻譜儀)之間連接一個(gè)大功率衰減器，以保護(hù)測(cè)試儀表，這種通用的測(cè)試裝置不能滿足關(guān)斷時(shí)隙的功率測(cè)試要求。一方面大功率衰減器提高了測(cè)試儀表的噪聲，以10W的發(fā)射機(jī)為例，測(cè)試時(shí)使用20dB衰減器，會(huì)使頻譜儀底噪增大20dB,頻譜儀的底噪達(dá)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(dòng)態(tài)范圍有限，無法直接測(cè)試。ON/OFF功率測(cè)試需要一種新的測(cè)試硬件裝置。

圖2描述了兩種測(cè)試連接方式，a表示了一個(gè)可控的射頻開關(guān)裝置，關(guān)閉時(shí)隙觸發(fā)信號(hào)控制開關(guān)的切換，衰減器通路測(cè)試發(fā)射時(shí)隙功率，放大器通路測(cè)試關(guān)斷時(shí)隙功率，這種方式兼顧上下行功率的測(cè)試，但當(dāng)觸發(fā)信號(hào)不準(zhǔn)確時(shí)，或者上下行子幀配置調(diào)整時(shí)，放大器和測(cè)試儀表就有被損壞的風(fēng)險(xiǎn);b則對(duì)a進(jìn)行了改進(jìn)，它是采用限幅器的測(cè)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(fù)載TE.環(huán)形器降低限幅器的反射信號(hào)，保護(hù)發(fā)射機(jī);TE則吸收限幅器的反射信號(hào);大功率限幅器把發(fā)射時(shí)隙功率降低到10dBm,而讓關(guān)閉時(shí)隙信號(hào)無損耗通過;小功率限幅器把發(fā)射時(shí)隙功率降低到-10dBm或更低;低噪放使關(guān)閉時(shí)隙信號(hào)放大20dB甚至更高。這樣，從基站天線端口到達(dá)頻譜儀的下行信號(hào)功率被限制到-10dBm以下，而上行信號(hào)則放大了20dB以上，頻譜儀很容易檢測(cè)到小信號(hào)功率，即發(fā)射機(jī)關(guān)閉時(shí)隙的功率?；鶐|發(fā)信號(hào)則控制了頻譜儀的測(cè)量開始時(shí)間。

3.測(cè)量方法

那么，怎樣測(cè)試ON/OFF功率呢?分別測(cè)量關(guān)斷時(shí)隙功率和發(fā)射時(shí)隙功率，然后比較兩個(gè)功率限值點(diǎn)的時(shí)間差。但不能這樣簡(jiǎn)單的認(rèn)為，這樣測(cè)量不能準(zhǔn)確衡量時(shí)隙功率，切換時(shí)間的測(cè)量也不能用此方法。假設(shè)基站系統(tǒng)的基帶定時(shí)發(fā)生了偏移，而切換開關(guān)很快，上述方法測(cè)量出的切換時(shí)間很小，但不能反映系統(tǒng)出現(xiàn)的問題，所以準(zhǔn)確的方法應(yīng)該引入基帶幀觸發(fā)信號(hào)，基帶幀觸發(fā)信號(hào)控制頻譜分析儀開始測(cè)量的時(shí)間，用以比較基帶定時(shí)與時(shí)隙信號(hào)的偏差，如圖3所示，觸發(fā)信號(hào)通常位于子幀0的開始時(shí)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(shí)隙(Transmitter ON period)以子幀5開始，到子幀1的DwPTS時(shí)隙結(jié)束，關(guān)閉時(shí)隙的信號(hào)分列在圖3所示的發(fā)射時(shí)隙兩側(cè)。測(cè)量時(shí)調(diào)整幀脈沖觸發(fā)信號(hào)的延遲，這里觸發(fā)延遲5ms,那么頻譜儀開始測(cè)量的時(shí)刻就是發(fā)射時(shí)隙的開始，以此去計(jì)算關(guān)閉時(shí)隙的開始和結(jié)束時(shí)刻，關(guān)閉時(shí)隙的信號(hào)在頻譜儀上有了定時(shí)，頻譜儀讀取關(guān)閉時(shí)隙的任意時(shí)刻的功率值。同樣的方法測(cè)量發(fā)射時(shí)隙功率，發(fā)射時(shí)隙的信號(hào)在頻譜儀上也有了定時(shí)，發(fā)射時(shí)隙的任意時(shí)刻的功率值也顯示出來。切換上升時(shí)間是測(cè)量開始時(shí)刻到平均發(fā)射功率點(diǎn)的時(shí)間，切換下降時(shí)間是發(fā)射時(shí)隙結(jié)束點(diǎn)到關(guān)閉時(shí)隙功率限值的時(shí)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(hào)的幅度削峰，降低了信號(hào)的最大輸出功率，但不改變小功率信號(hào)的幅度特性，為TD-LTE發(fā)射機(jī)空閑時(shí)隙的功率測(cè)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(shí)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(dǎo)通和截止時(shí)刻會(huì)產(chǎn)生泄漏，但PIN二極管相應(yīng)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(hào)，它的快速響應(yīng)特性使得這些非線性產(chǎn)物不會(huì)遺留在空閑時(shí)隙，瞬間的泄漏對(duì)測(cè)試影響較小。如圖5所示，PIN二極管的3dB恢復(fù)時(shí)間一般小于100ns,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于3GPP的要求17μs.限幅器采用PIN二極管級(jí)聯(lián)，多級(jí)限幅管逐級(jí)限幅，承受最大輸入功率并限制大功率信號(hào)輸出。限幅器能夠承受的最大輸入功率主要取決于第一級(jí)PIN管的能力。

測(cè)試時(shí)，第一級(jí)限幅器通常選取雙向限幅器，限幅幅度比單項(xiàng)更大。對(duì)于無源限幅器，根據(jù)不同頻率的射頻信號(hào)，要根據(jù)信號(hào)的波長訂制，如圖6,λ/4是相鄰兩個(gè)PIN二極管之間的距離，達(dá)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(hào)小于限幅電平時(shí)，信號(hào)經(jīng)過限幅器的衰減;隔離度是指輸入信號(hào)大于限幅電平時(shí)，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(hào)頻率范圍，在此范圍內(nèi)，輸出保持穩(wěn)定。

5.測(cè)試結(jié)果

在實(shí)際測(cè)試中，TD-LTE ON/OFF功率測(cè)試選用了三級(jí)串聯(lián)限幅器，使10W的發(fā)射信號(hào)衰減到-10dBm以下，而小功率的關(guān)斷時(shí)隙信號(hào)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(shí)際的測(cè)試結(jié)果如表1,關(guān)斷時(shí)隙功率值-105.63dBm/5MHz,遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于3GPP的限值要求，也好于接收機(jī)的靈敏度限值。

6.結(jié)論

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