手機(jī)輻射功率和接收機(jī)特性測(cè)量技術(shù)

手機(jī)射頻特性測(cè)量解決方案包括輻射功率和接收機(jī)特性的測(cè)量，本文介紹了測(cè)試原理和測(cè)試系統(tǒng)的組成以及測(cè)試過程，同時(shí)介紹了在GSM、CDMA等測(cè)量中的應(yīng)用。

在現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)中，好的輻射特性是手機(jī)有效工作的關(guān)鍵。目前手機(jī)的尺寸越來(lái)越小，出現(xiàn)的經(jīng)常折衷輻射特性的情況，例如以一個(gè)很小的尺寸完成有效的天線并同時(shí)覆蓋蜂窩和PCS頻率是非常困難的。一個(gè)全面的精確的輻射特性，可以幫助設(shè)計(jì)師和制造商確定手機(jī)在限制的蜂窩網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)特性范圍內(nèi)工作。

通常手機(jī)的射頻指標(biāo)測(cè)量分為接收機(jī)和發(fā)射機(jī)兩部分。對(duì)于接收機(jī)來(lái)說，主要通過測(cè)量BER或FER來(lái)測(cè)量接收機(jī)的靈敏度，以及RXQual和RXLev等參數(shù)。

對(duì)于發(fā)射機(jī)來(lái)說主要測(cè)量發(fā)射功率以及發(fā)射頻譜，雜散等參數(shù)。這些指標(biāo)參數(shù)通常是先用一個(gè)手機(jī)天線適配器通過有線的連接方式連接到手機(jī)綜測(cè)儀上，呼叫連接的建立是通過有線的方式。這樣天線對(duì)于指標(biāo)的影響是不能體現(xiàn)的。

一般地，峰值EIRP不是手機(jī)特性的一個(gè)好的指標(biāo)說明。例如，如果手機(jī)天線系統(tǒng)的輻射方向圖是高有向性的，峰值EIRP則高(由于天線增益在某個(gè)方向上高)，其他方向則覆蓋不好。在蜂窩環(huán)境中，天線系統(tǒng)的空間覆蓋最大化是最好的。這樣用戶不用把天線指向某個(gè)特殊方向就可以得到好的呼叫特性。

另外，人的頭部會(huì)改變天線的輻射方向圖的形狀和峰值。因此頭部引起的損耗對(duì)于頻率，設(shè)備尺寸和天線設(shè)計(jì)非常有意義。從場(chǎng)的特性來(lái)看，測(cè)量頭部模型下的平均和峰值EIRP比在空間條件下測(cè)量峰值EIRP更有意義。

CTIA標(biāo)準(zhǔn)要求測(cè)量球坐標(biāo)下的全向輻射功率，給出了TRP(輻射功率和)的定義，如圖1所示。

接收機(jī)的特性對(duì)于整個(gè)手機(jī)系統(tǒng)也很重要。差的接收機(jī)特性會(huì)使用戶收聽到很低質(zhì)量的聲音信號(hào)，甚至使用戶丟失基站信息并造成終止呼叫。差的接收機(jī)靈敏度經(jīng)常是由于發(fā)射機(jī)發(fā)射的內(nèi)部噪聲和雜散信號(hào)回饋到接收機(jī)內(nèi)部造成的。因此，CTIA標(biāo)準(zhǔn)要求：在發(fā)射機(jī)最大發(fā)射功率下測(cè)量接收機(jī)靈敏度。并要求測(cè)量球坐標(biāo)下的手機(jī)的靈敏度，即TIS(全向靈敏度和)，圖2和公式(1)給出了TIS的定義:

大環(huán)法的測(cè)量方法

CTIA規(guī)定了一種稱為大環(huán)法的測(cè)量方法，如圖3所示。對(duì)于TIS測(cè)量，需要6個(gè)大環(huán)切面完成3D球坐標(biāo)的測(cè)量。角圍繞垂直轉(zhuǎn)臺(tái)平面的軸旋轉(zhuǎn)，每隔30度取一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，起始點(diǎn)如圖4所示。同樣角圍繞水平轉(zhuǎn)臺(tái)平面的軸旋轉(zhuǎn)。

對(duì)于TRP測(cè)量，需要6個(gè)大環(huán)切面完成3D球坐標(biāo)的測(cè)量。圍繞垂直轉(zhuǎn)臺(tái)平面的軸旋轉(zhuǎn)，每隔15度取一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，起始點(diǎn)如圖4所示。

手機(jī)的射頻特性測(cè)量不僅要求在無(wú)線連接模式下進(jìn)行，同時(shí)要求模擬人的頭部對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)的影響，圖4為人體頭部的模型和軸向規(guī)定，模型內(nèi)部需要填充液體，用于模擬人的體液對(duì)電磁輻射場(chǎng)的影響。表1是填充液的比例。

如果被測(cè)手機(jī)支持多空中接口技術(shù)，可以依此對(duì)每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)量。首先進(jìn)行空間損耗的測(cè)量，然后進(jìn)行系統(tǒng)信號(hào)通路的校準(zhǔn)，將校準(zhǔn)值記錄。

選擇相應(yīng)的通信標(biāo)準(zhǔn)，通過綜測(cè)儀與手機(jī)建立呼叫，然后在需要的頻率點(diǎn)上進(jìn)行輻射功率的測(cè)量。測(cè)試的條件分別在自由空間和增加人頭模型兩種情況下進(jìn)行。

選擇相應(yīng)的通信標(biāo)準(zhǔn)，通過綜測(cè)儀與手機(jī)建立呼叫，然后在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的頻段內(nèi)取三個(gè)頻率點(diǎn)，分別為高，中，低，然而進(jìn)行FER或BER的測(cè)量。如果BER或FER超過規(guī)定值，增加綜測(cè)儀的輸出功率，直到達(dá)到規(guī)定的BER或FER。記錄相應(yīng)的被測(cè)手機(jī)的輸出電平。測(cè)試方法按照第二部分進(jìn)行，每個(gè)規(guī)定的位置上每個(gè)頻率點(diǎn)都要做靈敏度的測(cè)量。

TS9970是RS公司專門用于測(cè)量手機(jī)的RF特性的測(cè)量系統(tǒng)。在實(shí)際條件下，對(duì)手機(jī)發(fā)射和接收部分通過空中接口進(jìn)行RF指標(biāo)的測(cè)量。能夠按照上述的方法和定義自動(dòng)TRP和TIS的測(cè)量。

TS9970可以支持如下標(biāo)準(zhǔn):

GSM 400， 850， 900， 1800， 1900

CDMA / CDMA2000 800， 1900

TDMA 800， 1900

AMPS

GPRS

Bluetooth

W-CDMA (UMTS)

同時(shí)可以測(cè)量固定電平下的BER或FER，以及要求達(dá)到的BER時(shí)的接收電平。測(cè)試系統(tǒng)由手機(jī)綜測(cè)儀CMU200、頻譜儀FSx、信號(hào)源SMx、RF分路開關(guān)以及轉(zhuǎn)臺(tái)控制器組成。其中手機(jī)綜測(cè)儀CMU200用于通過空中接口與被測(cè)手機(jī)建立連接，使被測(cè)手機(jī)處于實(shí)際工作狀態(tài)。頻譜儀用于測(cè)量當(dāng)通信連接建立后天線的方向圖以及信號(hào)通路和空中衰減的校準(zhǔn)。信號(hào)源用于信號(hào)

通路和空中衰減的校準(zhǔn)。系統(tǒng)構(gòu)成如下圖5所示。

TS9970的實(shí)際應(yīng)用

我們分別以GSM的輻射功率測(cè)量和CDMA的接收機(jī)測(cè)量為例，介紹TS9970的實(shí)際應(yīng)用。

1. GSM1900的輻射功率測(cè)量

由于GSM1900采用的是恒包絡(luò)調(diào)制技術(shù)(GMSK)的TDMA技術(shù)，最小的測(cè)量功率由一個(gè)有效的時(shí)隙中心的85%的線性平均給定。多于一個(gè)時(shí)隙的平均會(huì)減小測(cè)量精度。一個(gè)有效時(shí)隙的定義寬度為0。577(10%，頻譜分析儀必須設(shè)置到零跨度，同時(shí)使用視頻觸發(fā)，視頻帶寬設(shè)到300kHz，掃描時(shí)間設(shè)置到在脈沖中心85%的跨度上至少300個(gè)采樣點(diǎn)，通常0。65ms的設(shè)置對(duì)于頻譜儀來(lái)說是比較適合的。觸發(fā)電平盡可能的接近噪聲本底，而不產(chǎn)生雜散觸發(fā)，通常高于本底噪聲5-10dB比較合適。因?yàn)槿绻鸊SM的時(shí)隙電平接近觸發(fā)電平，會(huì)產(chǎn)生雜散觸發(fā)，這樣減小零數(shù)據(jù)引起的觸發(fā)。

通過廣播控制信道和手機(jī)的相關(guān)參數(shù)，呼叫手機(jī)并命令其到語(yǔ)音通道。測(cè)試在手機(jī)支持的頻段上三個(gè)不同的頻率對(duì)進(jìn)行，如下表定義的頻率點(diǎn)：

按照?qǐng)D3、圖4的配置設(shè)置好，分別在軸和軸進(jìn)行采樣測(cè)量，其中軸每旋轉(zhuǎn)一次采樣24個(gè)點(diǎn)，軸每旋轉(zhuǎn)一次采樣12個(gè)點(diǎn)。測(cè)量結(jié)束后將采樣測(cè)量數(shù)據(jù)帶入公式(1)中，計(jì)算出輻射功率和。每個(gè)頻率點(diǎn)都要做一次這樣的測(cè)量。

注：CDMA采用數(shù)字?jǐn)U譜技術(shù)，基站通過發(fā)送“升”和“降”來(lái)動(dòng)態(tài)管理功率控制，以保持在要求的范圍內(nèi)的接收功率。最大發(fā)射功率是通過連續(xù)發(fā)送“升”位信號(hào)，幾ms后達(dá)到最大功率。

為覆蓋擴(kuò)譜的范圍，接收機(jī)前端采用寬的帶寬是必要的。數(shù)字包絡(luò)會(huì)引起峰值檢波器的讀數(shù)過高，因此必須使用窄的視頻帶寬和視頻平均以測(cè)定真的RMS功率值。頻譜儀設(shè)置到零跨度，分辨帶寬3MHz，視頻帶寬1kHz，掃描時(shí)間最小100ms，接收到的信號(hào)必須穩(wěn)定以得到可用的結(jié)果。

2. CDMA接收機(jī)特性的測(cè)量

CDMA接收機(jī)靈敏度的測(cè)量需要通過基站模擬器來(lái)定義接收機(jī)的靈敏度，當(dāng)接收機(jī)在0.5%的FER或95%的置信度時(shí)記錄最小前向聯(lián)結(jié)功率。設(shè)置按照如下參數(shù)設(shè)置：

(1) 前向聯(lián)結(jié)功率:-75dBm

(2) 功率控制:閉環(huán)控制

(3) 其他參數(shù)按照被測(cè)手機(jī)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)(IS95，CDMA0NE，CDMA2000)進(jìn)行設(shè)置。

如果測(cè)試點(diǎn)發(fā)生在零符號(hào)時(shí)，前向功率會(huì)增加，以建立和保持呼叫。呼叫EUT并命令其到參考測(cè)試信道，建立數(shù)字語(yǔ)音信道，調(diào)用FER測(cè)試。觀測(cè)到的幀數(shù)要和95%的置信電平一致，但最大不能超過2000幀。當(dāng)RF電平接近CDMA靈敏度電平時(shí)，調(diào)整的功率步進(jìn)值不能大于0。5dB。當(dāng)每個(gè)測(cè)試點(diǎn)的最終靈敏度找到后，功率控制設(shè)置為總升狀態(tài)(always up)。每次更換測(cè)量頻點(diǎn)前，前向聯(lián)結(jié)功率和功率控制必須設(shè)回初始狀態(tài)。

測(cè)試過程按第三部分?jǐn)⑹龅倪M(jìn)行。其中軸每旋轉(zhuǎn)一次采樣12個(gè)點(diǎn)，軸每旋轉(zhuǎn)一次采樣6個(gè)點(diǎn)。測(cè)量結(jié)束后將采樣測(cè)量數(shù)據(jù)帶入公式(2)中，計(jì)算出TIS。

3. GSM、3GPP雙模手機(jī)

目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)GSM、3GPP雙模手機(jī)。對(duì)于3GPP的測(cè)試目前基站模擬器CMU200已經(jīng)可以完全支持，并用于3GPP手機(jī)的研發(fā)和生產(chǎn)。因此TS9970可以支持GSM、3GPP雙模手機(jī)，系統(tǒng)的控制軟件正在開發(fā)中。

本文小結(jié)

TS9970不僅能夠測(cè)量手機(jī)的RF特性，幫助手機(jī)的設(shè)計(jì)師提高產(chǎn)品的性能指標(biāo)，增加手機(jī)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。同時(shí)能夠作為CTIA的標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證測(cè)試系統(tǒng)使用。在移動(dòng)通信迅速發(fā)展的今天，綠色手機(jī)、環(huán)保手機(jī)越來(lái)越受到設(shè)計(jì)部門、制造廠商和用戶的重視，特別是電磁兼容的問題也更加突出，因此各種體制的手機(jī)的無(wú)線射頻指標(biāo)也將成為評(píng)價(jià)手機(jī)的重要部分。