TD-LTE基站發(fā)射機(jī)ON/OFF功率測試方法

愛立信（中國）通信有限公司無線接入網(wǎng)絡(luò)研發(fā)中心 李 新

TD-LTE基站發(fā)射機(jī)ON/OFF功率測試方法

愛立信（中國）通信有限公司無線接入網(wǎng)絡(luò)研發(fā)中心 李 新

TD-LTE基站發(fā)射ON/OFF功率用于衡量發(fā)射時(shí)隙對關(guān)閉時(shí)隙的干擾。本文描述了ON/OFF功率的測試裝置和方法，闡述了測試硬件組成和限幅器的選用，對于測試中的同步機(jī)制作出了介紹。結(jié)合實(shí)際測試應(yīng)用，給出了測試結(jié)果。

TD-LTE發(fā)射機(jī)；ON/OFF功率；測試裝置

3G移動(dòng)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(yīng)用，通信基站越來越密集，對于TDLTE基站發(fā)射機(jī)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(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)隙用于下行信號傳輸，關(guān)斷時(shí)隙用于上行信號傳輸。

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，以不影響上行信號質(zhì)量。3GPP標(biāo)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，一般的基站功率測試裝置是在發(fā)射機(jī)端口和測試儀表(頻譜儀)之間連接一個(gè)大功率衰減器，以保護(hù)測試儀表，這種通用的測試裝置不能滿足關(guān)斷時(shí)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(jī)為例，測試時(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-78dBm/5MHz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(gè)可控的射頻開關(guān)裝置，關(guān)閉時(shí)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(shí)隙功率，放大器通路測試關(guān)斷時(shí)隙功率，這種方式兼顧上下行功率的測試，但當(dāng)觸發(fā)信號不準(zhǔn)確時(shí)，或者上下行子幀配置調(diào)整時(shí)，放大器和測試儀表就有被損壞的風(fēng)險(xiǎn)；b則對a進(jìn)行了改進(jìn)，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(fù)載TE。環(huán)形器降低限幅器的反射信號，保護(hù)發(fā)射機(jī)；TE則吸收限幅器的反射信號；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(jī)關(guān)閉時(shí)隙的功率?；鶐|發(fā)信號則控制了頻譜儀的測量開始時(shí)間。

表1 TD-LTE基站ON/OFF功率測試結(jié)果

圖1 TD-LTE幀格式配置格式3

圖2 TD-LTE發(fā)射機(jī)ON/OFF功率測試裝置

圖3 發(fā)射機(jī)上下切換時(shí)間

圖4 雙向限幅器輸入和輸出

圖5 TYPECAL LIMITER PULSE CHARACTERISTICS

圖6 無源雙向限幅器

3.測量方法

那么，怎樣測試ON/OFF功率呢？分別測量關(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。但不能這樣簡單的認(rèn)為，這樣測量不能準(zhǔn)確衡量時(shí)隙功率，切換時(shí)間的測量也不能用此方法。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，基帶幀觸發(fā)信號控制頻譜分析儀開始測量的時(shí)間，用以比較基帶定時(shí)與時(shí)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(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)隙的信號分列在圖3所示的發(fā)射時(shí)隙兩側(cè)。測量時(shí)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(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。同樣的方法測量發(fā)射時(shí)隙功率，發(fā)射時(shí)隙的信號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。

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(jī)空閑時(shí)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(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，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，瞬間的泄漏對測試影響較小。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(shí)，第一級限幅器通常選取雙向限幅器，限幅幅度比單項(xiàng)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(gè)PIN二極管之間的距離，達(dá)到雙向削峰的效果。

限幅器的指標(biāo)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(shí)，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(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(shí)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(shí)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(shí)際的測試結(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(gè)問題，這個(gè)方法在實(shí)際測試中得到了驗(yàn)證，不僅適用于產(chǎn)品驗(yàn)證測試，更適用于產(chǎn)品研發(fā)測試。

[1]3GPP TS 36 104:E-UTRA Base Station(BS)radio trans mission and reception.

[2]3GPP TS 36.141 Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA)Base Station(BS)conformance testing.

[3]Eclipse microwave,Limiter application.

[4]羅偉峰.PI型電調(diào)衰減器的設(shè)計(jì)[J].