双频段GSM/DCS移动电话射频指标分析

stevenson

双频段GSM/DCS移动电话射频指标分析
2003-7-14  

　　[摘要]本文对GSM移动电话的射频指标进行了分析，并讨论了改进办法。其中一些测试及提高射频指标的方法是从实践经验中总结出来的，有一定的参考价值。第一部分对各射频指标作了简要介绍。第二部分介绍了射频指标的测试方法。第三部分介绍了一些提高射频指标的设计和改进方法。
1 射频(RF)指标的定义和要求
1.1 接收灵敏度（Rx sensitivity）
　　(1)定义
　　接收灵敏度是指收信机在满足一定的误码率性能条件下收信机输入端需输入的最小信号电平。衡量收信机误码性能主要有帧删除率(FER)、残余误比特率(RBER)和误比特率(BER)三个参数。这里只介绍用残余误比特率(RBER)来测量接收灵敏度。
残余误比特率(RBER)的定义为接收到的错误比特与所有发送的的数据比特之比。
　　(2)技术要求
●对于GSM900MHz频段
　　接收灵敏度要求：当RF输入电平为一102dBm时，RBER不超过2％。测量时可测试实际灵敏度指标。根据多款移动电话的测试结果来看：当RBER＝2％时，若RF输入电平为-l09一l07dBm，则接收灵敏度为优；若RF输入电平为-l07一l05dBm，则接收灵敏度为良好；若RF输入电平为-105一l02dBm，则接收灵敏度为一般；若RF输入电平＞-l02dBm，则接收灵敏度为不合格。
●对于DCSl800MHz频段
　　接收灵敏度要求：当RF输入电平为-l00dBm，RBER不超过2％。测量时可测试实际灵敏度指标。根据多款移动电话的测试结果来看：当RBER＝2％时，若RF输入电平为一l08一 -105dBm，则接收灵敏度为优；若RF输入电平为一105-- -l03dBm，则接收灵敏度为良好；若RF输入电平为-l03一 -100dBm，则接收灵敏度为一般；若RF输入电平为＞-l00 dB mm，则接收灵敏度为不合格。
1．2频率误差Fe、相位误差峰值Pepeak、相位误差有效值PeRMS
　　(1)定义
　　测量发射信号的频率和相位误差是检验发信机调制信号的质量。GSM调制方案是高斯最小移频键控(GMSK)，归一化带宽为BT＝0．3。
　　发射信号的相位误差定义为：发信机发射信号的相位与理论上最好信号的相位之差。理论上的相位轨迹可根据一个己知的伪随机比特流通过GMSK脉冲成形滤波器得到。
　　频率误差定义为考虑了调制和相位误差的影响以后，发射信号的频率与该绝对射频频道号(ARFCH)对应的标称频率之间的差。它通过相应误差做线性回归，计算该回归线的斜率即可得到频率误差(因为ω＝θ/t)相位误差峰值Pepeak是离该回归线最远的值。相位误差有效值PeRMS即相位误差均方根值，是所有点的相位误差和其线性回归之间的差的均方根值。
　　(2)技术要求
●对于GSM900MHz频段
①频率误差Fe
若Fe＜40Hz，则频率误差为优；
若40Hz≤Fe6≤60Hz，则频率误差为良好；
若60Hz≤Fe≤90Hz，则频率误差为一般；
若Fe＞90Hz，则频率误差为不合格。
②相位误差峰值Pepeak
若Pepeak＜7de8，则相位误差峰值为优；
若7deg≤Pepeak≤l0deg，则相位误差峰值为良好；
若10deg≤Pepeak≤20deg则相位误差峰值为一般；
若Pepesk＞20deg，则这项指标为不合格。
②相位误差有效值PeRMS
若PeRMs＜2．5deg，则相位误差有效值为优；
若2．5deg≤PeRMS≤4deg，则相位误差有效值为良好；
若4deg≤PeRMS≤5deg，则相位误差有效值为一般；
若PeRMS＞5deg，则这项指标为不合格。
●对于沉S1800MHz频段
①频率误差Fe
若Fe＜80Hz，则频率误差为优；
若80Hz≤Fe≤100Hz，则频率误差为良好；
若100HZ≤Fe≤180Hz，则频率误差为一般：
若F e＞l 80H z，则这项指标为不合格。
②相位误差峰值Pepeak
同GSM900MHz的指标。
②相位误差有效值PeRMS
同GSM900MHz的指标。
1.3 射频输出功率Po
　　(1)定义
　　鉴于移动通信组网时的远近效应，在与基站通信过程中必须对移动台的发射功率进行控制(动态调整)，以便能保证移动台与基站之间一定的通信质量而又不至于对其它移动台产生明显的干扰。同样，也可以对基站的发射功率进行射频功率控制。
　　测试移动台的射频输出功率在功率控制的每一级电平上是否满足ETSI规定的功率要求。
　　(2)技术要求
●对于GSM900Mz频段
　　每一功率控制电平对应的标称功率和允许的误差如表l(对于class IV移动台)。
●对于DCSl800MHz频段
　　每一功率控制电平对应的标称功率和允许的误差如表2(对于class I移动台)。
1．4调制频谱和开关频谱
　　(1)定义
　　由于GSM调制信号的突发特性，因此输出射频频谱应 考虑由于调制和射频功率电平切换而引起的对相邻信 干扰。在时间上，连续调制频谱和功率切换频谱不是 发生的，因而输出射频频谱可分为连续调制频谱和切态频谱来分别地加以规定和测量。
　　连续调制是测量由GSM调制处理而产生的在其标称载频 同频偏处(主要是在相邻频道)的射频功率。
　　开关频谱即切换瞬态频谱，是测量由于调制突发的上下降沿而产生的在其标称载频的不同频偏处(主要是在相邻频道)的射频功率。
　　(2)技术要求
●对于GSM900MHz频段
　　①调制频谱(MOD pectsrum)
测试指标要求：调制频谱的每一条谱线均应在ETSI规定的Time-Plate的下方(具体的技术要求可参见ETSIll．10中的规定)；
测试条件：功率电平设置在5(33dB m)：
测试时，可选择中间信道进行测试。
在衡量调制频谱时， 可使用谱线的指标余量(margin)。指标余量即最接近Time-Plate的一条谱线与Time-Pkate之间的距离。指标余量越大，则调制频谱越好，即对邻道的干扰越小。
对指标余量可作如下分析：
若margin＞l0dBm，则调制频谱为优；
若0＜margin＜l0dBm，则调制频谱为较好；
若margin＝0或谱线高度超出Time-Plate，则调制频谱为不合格。
②开关频谱(switch spectum)
测试指标要求：调制频谱的每一条谱线均应在ETSI规定的Time-Plate的下方；
测试条件：功率电平设备在5(33dBm)；
测试时，可选择低、中、高三个信道进行测试 如CH1、 CH62、 CHl24)。
对指标余量可作如下分析：
若margin＞10dBm，则开关频谱为优；
若0＜margin＜l0dBm，则开关频谱为较好；
若margin＝0或谱线高度超出Time-Plate，则开关频谱指标为不合格。
●对于DCSl800MHz频段
①调制频谱(MOD spectrum)
功率电平设置为0(30dBm) 。
指标要求同GSM900MHz。
1.5 杂散辐射
　　(1)定义
　　杂散辐射是指用标推测试信号调制时在除载频和由于正常调制和切换瞬态引起的边带以及邻道以外离散频率上的辐射(即远端辐射)。
　　杂散辐射按其来源的不同可分为传导型和辐射型两种。传导型杂散辐射是指天线连接器处或进入电源引线(仅指基站)引起的任何杂散辐射；辐射型杂散辐射是指由于机箱(或机柜)以及设备的结构而引起的任何杂散辐射。
　　这里只介绍Tx发射时传导型杂散的测量。
　　(2) 技术要求
测试条件：分辨带宽RB＝l0KHz或分辨带宽RB＝3MHz
视频带宽VB＝l0KHz 视频带宽VB23MHz
(频谱仪带宽设置与有用信号和杂散信号的相对位置有关。)
功率电平设置为对应频段的最大功率等级指标要求：
　　①对于在发射状态的移动台，传导型杂散辐射在段频9KHz-1GHz内的杂散辐射功率电平应小于250nw(即-36dBm)；在1GHz一1275GHz频段内的传导型杂散辐射功率电平应小于1uw(即号-30dBm)。
　　②对于空闲状态的移动台来说，9kHz-1GHz频段内的传导型杂散功率电平应小于2nW(-57dBm)；
1GHz-12.75GHz频段内的传导型杂散功率电平应小于20nW(即-47dBm)。
　　③对于所有条件下的移动台，在M S接收频段GSM935MHz一960MHz／DCSl805一1880MHz内的杂散功率电平应不超过：
-25PW(即-76dBm)对于l类功率等级移动台
-45PW(即-84dMm)对于2、3、3、5类功率等级移动台
1.6 天线
　　这里介绍一种移动台天线性能的比较测试方法，可称为远场测试(＞lOλ)。其原理是将多种被测移动台天线辐射功率与一个标淮移动台进行比较，来测量不同机型天线的远场辐射性能。由于这只是一种相对的测量方法，所以 不能提供绝对的天线性能参数值。具体的测试方法见第2 部分。
2 射频(RF)指标测试
2．1 测试仪器及设备
　　RF指标测试一般所使用的仪器设备有：系统模拟器SS(或综测仪)、频谱仪FSA、移动台MS、RF信号发生器、陷波器、射频功率衰减器、模拟电池、测试SIM卡及与移动台相匹配的测试电缆等。
2．2 测试方法
　　(1)接收灵敏度(Rx sensitivity) 基本RF指标测量。

a)．将移动台和系统模拟器连接起来；
b)．按要求在相应的信道上建立一个呼叫；
c)．设置功率控制电台为最大功率5(33dBm)；
d)．将RF输入电平从-102dBm调节到-ll0 dBm(GSM900MHz)，观察残余误比特率(RBER)，确定实际接收灵敏度性能；(对于DCSl800MHz，范围为-l08一l00dBm；
e)．分别在低、中、高多个信道上进行上述测试。
输出功率Po、频率误差Fe、相位误差峰值Pepeak、相位误差有效值PeRMS、调制频谱、开关频谱等指标的测量设备和连接与接收灵敏度的测量基本相同，不再赘述。
　　(2)杂散辐射

a). 将移动台、系统模拟器及频谱仪连接；
b). 信道60一65之间的一个频道上建立一个呼叫；
c)．设置功率控制电平为最大功率等级；
d)．设置频谱仪的RBW和VBW；
e)，在l00KHz-1GHz、1-12.75GHz的频率范围内观察杂散辐射指标。
　　若移动台本身具有手动测试模式命令，则不需要系统模拟器，可直接进入测试模式进行发射，测试杂散辐射。
2.3 天线远场测试
a)．用两个测试天线分别连接综测仪和频谱仪；
b)．按图4将它们放置在相应的位置，使两个天线保持足够的距离，并保证在整个测试过程中三者之间的相对：位置和方向保持不变；
c)．在低、中、高三个信道上建立呼叫；
d)．在频谱仪上读取接收到的辐射功率电平值；
e)．在不改变位置的情况下，用其它类型的移动台和 标准移动台进行测试；
f)．比较接到的辐射功率，可以确定不同机型天线辐射出去的功率大小和天线辐射效率。
3 射频(RF)指标改进、提高的办法
　　在通信产品的开发工程中，测量是一种基本的、必要的手段，但不是最后的目的。在开发过程中更重要的是通过对测量得到的数据进行分析、运用理论和经验，找到解决问题和提高技术指标的办法。下面我们把在GSM手机研究开发中采用的分析方法和经验与同行作一交流。
3.1 如何提高接收机的灵敏度指标
　　若通过测量发现灵敏度不高，则问题主要出现在接收机的高频或中频部分，其次是模拟I／Q解调部分。可先通过测量模拟I／Q输出端的电平和信噪比来判断问题是出现在哪一部分。
　　灵敏度抢标主要与接收机的中频放大器特别是RF前端的LNT和第一混频器有关。在许多情况下，影响和制约灵敏度的因素不在于增益而在于噪声系数。对于GSM移动电话前端LNT的要求是：噪声系数小于2dB、增益约15dB／GSM900或13dB／DCSl800，第一混频器的增益约10dB。键控AGC的可控制范围约20dB。该项指标的改进方法如下：
　　(1)选择高增益、低噪声的RF前端电路或ASIC。
　　(2)注意从前端到模拟I／Q输出端的净增益是否足够。
　　一般GSM移动电话I／Q单端输出的信号强度为500mVpp，根据EYSI标准的技术要求净增益应大于90dB。
　　(3)充分注意到RF和IF SAw滤波器的选择和输入输出匹配电路的设计。第一射频SAW滤波器应主要考虑具有低的插损：第二射频SAW滤波器主要考虑具有高的选择性；IF SAW滤波器要选低插损、选择性好的器件。
　　(4)BaLum也是一个很重要的高频器件，应通过测量看其是否满足电路设计的要求。
　　(5)RF Tx／RX开关IC和RF测试插座也必须通过指标测试，达到设计要求。
　　(6)EMC设计方面是否存在问题?应增强接地、屏蔽和滤波的措施。
　　(7)工艺方面的考虑：应注意PDB layout设计，特别是前端电路的布局设计和特征阻抗匹配设计；应注意到由 于SMT工艺参数选择不合适会造成RF部分特别是SAW滤波器虚焊。
3.2频率误差指标的改进方法
　　(1)可通过测量判断l3MHz TCX0是否达到设计要求，若不满足要求则更换或重选配套的生产厂家。
　　(2)AFC控制软件和控制环路滤波电路的设计是否存在问题
　　(3)TCXO的供电回路设计是否有问题
3.3 相位误差指标的改进方法
　　(1)根据θ=ωt，我们知道：相位误差与时间误差和频率误差都有关系，因此，频率合成器的相位噪声和锁定时间会对该项指标造成影响。若频率合成器的锁定时间缩短会导致相应噪声加大，从而引起相位误差加大，这一点在GPRS的应用中需引起足够的重视。
　　(2)其他的改进办法请见参考资料[3]。
3．4 发射功率指标的改进办法
　　(1)检查PA的激励功率是否足够?若有问题，可加大激励功率；
　　(2)再次检查PA的输入和输出匹配电路设计是否正确；
　　(3)关键器件PA的技术参数是否满足要求；
　　(4)检查和测试RF开关、定向耦合器、天线端的RF测试接插件、PA供电电路是否正常；
　　(5)检查TX-VCO输出的电平是否足够；　　(6)APC控制IC、APC控制软件中的table参数和算法是否有问题．
3.5 小型螺旋天线(stubby antinna)的改进方法
　　天线是移动电话的终极元件当然非常重要。有时会出现这种情况：当采用电缆测试时，整机的RF指标很好，但在做场检测时它的表现不好，可能出现的问题之一在于天线。
　　(1)正确设计天线与整机电路之间的LPF匹配电路型式和参数，并用网络分析仪和标准测试天线进行测试评估。天线的设计应与整机电路设计、结构设计、EMC设计一体化考虑。
　　(2)在满足结构强度的前提条件下，优先选择电导率较高的材料作为天线的内导体。内装天线笔者建议国内设计厂家不宜采用，因为设计、制造和测量都比较困难而且技术指标不高。
　　(3)天线内的填充材料介质和外部的封装塑料应损耗较小的材料。
　　(4)在其他情况相同的条件下，采用较粗和较长的天线有利于改善天线增益指标。(当然还要考虑到它对外观ID方面的影响)。
3.6 电源功耗指标的改进方法
　　该项指标与移动电话的通话时间和待机时间密切相关，它是广大用户最为关心的技术指标之一。
(1)选择低功耗的ASIC解决方案(在DCI．8V下能工作，能进入RTC下的深睡眠状态)。
(2)选择高效软件。
(3)择高效率的PA(PAE＞50％)、高效率高增益的天线。
(4)精心设计PA的匹配电路和天线的匹配电路。
(5)选择高效率的受话器和振铃器。
(6)选择高效率的电源管理模块。
(7)合理地设计LED的布局、数量、和照明时间，照明时间选择l0秒左右即可。
　　通过大量的实际测量我们发现：不同型号的GSM移动电话在通话状态下的工作电流相差不大(约2lomA／at level5 GSM)；但在待机状态下的直流平均电流相差很大(可采用示波器和在整机回路中串入一个低阻值的高精度电阻来测量波形，然后通过计算占空比得到平均功耗)因此待机时间指标相差很远。在这一方面，目前表现最好的产品是菲利蒲生产的PH-989(约2．8mA)。
3．7 发射机杂散指标的改进
　　移动电话的发射杂散指标在国家无线电管理委员会的型号核准测试中，是一项非常重要的、同时也是一项比较难通过的技术指标，所以应引起设计工程师足够的重视。改进的办法如下：
(1)改善调制频谱的质量；
(2)改善开关频谱的质量；
(3)power Ramp曲线的斜率不能太陡，以免引起带外频谱、杂散变大；
(4)Tx-VCO的带外频谱指标，特别是要注意二次和三次谐波的抑制指标是否满足整机的设计要求；
(5)PA的带外抑制指标(主要是二次谐波)是否满足设计要求；
(6)PA输入特别是PA输出端的BPF或LPF的指标是否满足设计要求；
(7) 发信机整体的EMC设计方案是否合理。