雙頻段GSM/DCS移動(dòng)電話射頻指標(biāo)分析

雙頻段GSM/DCS移動(dòng)電話射頻指標(biāo)分析

本文對GSM移動(dòng)電話的射頻指標(biāo)進(jìn)行了分析，并討論了改進(jìn)辦法。其中一些測試及提高射頻指標(biāo)的方法是從實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)中總結(jié)出來的，有一定的參考價(jià)值。第一部分對各射頻指標(biāo)作了簡要介紹。第二部分介紹了射頻指標(biāo)的測試方法。第三部分介紹了一些提高射頻指標(biāo)的設(shè)計(jì)和改進(jìn)方法。
1 射頻(RF)指標(biāo)的定義和要求
1.1 接收靈敏度（Rx sensitivity）
　　(1)定義
　　接收靈敏度是指收信機(jī)在滿足一定的誤碼率性能條件下收信機(jī)輸入端需輸入的最小信號電平。衡量收信機(jī)誤碼性能主要有幀刪除率(FER)、殘余誤比特率(RBER)和誤比特率(BER)三個(gè)參數(shù)。這里只介紹用殘余誤比特率(RBER)來測量接收靈敏度。
殘余誤比特率(RBER)的定義為接收到的錯(cuò)誤比特與所有發(fā)送的的數(shù)據(jù)比特之比。
　　(2)技術(shù)要求
●對于GSM900MHz頻段
　　接收靈敏度要求：當(dāng)RF輸入電平為一102dBm時(shí)，RBER不超過2％。測量時(shí)可測試實(shí)際靈敏度指標(biāo)。根據(jù)多款移動(dòng)電話的測試結(jié)果來看：當(dāng)RBER＝2％時(shí)，若RF輸入電平為-l09一l07dBm，則接收靈敏度為優(yōu)；若RF輸入電平為-l07一l05dBm，則接收靈敏度為良好；若RF輸入電平為-105一l02dBm，則接收靈敏度為一般；若RF輸入電平＞-l02dBm，則接收靈敏度為不合格。
●對于DCSl800MHz頻段
　　接收靈敏度要求：當(dāng)RF輸入電平為-l00dBm，RBER不超過2％。測量時(shí)可測試實(shí)際靈敏度指標(biāo)。根據(jù)多款移動(dòng)電話的測試結(jié)果來看：當(dāng)RBER＝2％時(shí)，若RF輸入電平為一l08一 -105dBm，則接收靈敏度為優(yōu)；若RF輸入電平為一105-- -l03dBm，則接收靈敏度為良好；若RF輸入電平為-l03一 -100dBm，則接收靈敏度為一般；若RF輸入電平為＞-l00 dB mm，則接收靈敏度為不合格。
1．2頻率誤差Fe、相位誤差峰值Pepeak、相位誤差有效值PeRMS
　　(1)定義
　　測量發(fā)射信號的頻率和相位誤差是檢驗(yàn)發(fā)信機(jī)調(diào)制信號的質(zhì)量。GSM調(diào)制方案是高斯最小移頻鍵控(GMSK)，歸一化帶寬為BT＝0．3。
　　發(fā)射信號的相位誤差定義為：發(fā)信機(jī)發(fā)射信號的相位與理論上最好信號的相位之差。理論上的相位軌跡可根據(jù)一個(gè)己知的偽隨機(jī)比特流通過GMSK脈沖成形濾波器得到。
　　頻率誤差定義為考慮了調(diào)制和相位誤差的影響以后，發(fā)射信號的頻率與該絕對射頻頻道號(ARFCH)對應(yīng)的標(biāo)稱頻率之間的差。它通過相應(yīng)誤差做線性回歸，計(jì)算該回歸線的斜率即可得到頻率誤差(因?yàn)棣兀溅?t)相位誤差峰值Pepeak是離該回歸線最遠(yuǎn)的值。相位誤差有效值PeRMS即相位誤差均方根值，是所有點(diǎn)的相位誤差和其線性回歸之間的差的均方根值。
　　(2)技術(shù)要求
●對于GSM900MHz頻段
①頻率誤差Fe
若Fe＜40Hz，則頻率誤差為優(yōu)；
若40Hz≤Fe6≤60Hz，則頻率誤差為良好；
若60Hz≤Fe≤90Hz，則頻率誤差為一般；
若Fe＞90Hz，則頻率誤差為不合格。
②相位誤差峰值Pepeak
若Pepeak＜7de8，則相位誤差峰值為優(yōu)；
若7deg≤Pepeak≤l0deg，則相位誤差峰值為良好；
若10deg≤Pepeak≤20deg則相位誤差峰值為一般；
若Pepesk＞20deg，則這項(xiàng)指標(biāo)為不合格。
②相位誤差有效值PeRMS
若PeRMs＜2．5deg，則相位誤差有效值為優(yōu)；
若2．5deg≤PeRMS≤4deg，則相位誤差有效值為良好；
若4deg≤PeRMS≤5deg，則相位誤差有效值為一般；
若PeRMS＞5deg，則這項(xiàng)指標(biāo)為不合格。
●對于沉S1800MHz頻段
①頻率誤差Fe
若Fe＜80Hz，則頻率誤差為優(yōu)；
若80Hz≤Fe≤100Hz，則頻率誤差為良好；
若100HZ≤Fe≤180Hz，則頻率誤差為一般：
若F e＞l 80H z，則這項(xiàng)指標(biāo)為不合格。
②相位誤差峰值Pepeak
同GSM900MHz的指標(biāo)。
②相位誤差有效值PeRMS
同GSM900MHz的指標(biāo)。
1.3 射頻輸出功率Po
　　(1)定義
　　鑒于移動(dòng)通信組網(wǎng)時(shí)的遠(yuǎn)近效應(yīng)，在與基站通信過程中必須對移動(dòng)臺的發(fā)射功率進(jìn)行控制(動(dòng)態(tài)調(diào)整)，以便能保證移動(dòng)臺與基站之間一定的通信質(zhì)量而又不至于對其它移動(dòng)臺產(chǎn)生明顯的干擾。同樣，也可以對基站的發(fā)射功率進(jìn)行射頻功率控制。
　　測試移動(dòng)臺的射頻輸出功率在功率控制的每一級電平上是否滿足ETSI規(guī)定的功率要求。
　　(2)技術(shù)要求
●對于GSM900Mz頻段
　　每一功率控制電平對應(yīng)的標(biāo)稱功率和允許的誤差如表l(對于class IV移動(dòng)臺)。
●對于DCSl800MHz頻段
　　每一功率控制電平對應(yīng)的標(biāo)稱功率和允許的誤差如表2(對于class I移動(dòng)臺)。
1．4調(diào)制頻譜和開關(guān)頻譜
　　(1)定義
　　由于GSM調(diào)制信號的突發(fā)特性，因此輸出射頻頻譜應(yīng) 考慮由于調(diào)制和射頻功率電平切換而引起的對相鄰信 干擾。在時(shí)間上，連續(xù)調(diào)制頻譜和功率切換頻譜不是 發(fā)生的，因而輸出射頻頻譜可分為連續(xù)調(diào)制頻譜和切態(tài)頻譜來分別地加以規(guī)定和測量。
　　連續(xù)調(diào)制是測量由GSM調(diào)制處理而產(chǎn)生的在其標(biāo)稱載頻 同頻偏處(主要是在相鄰頻道)的射頻功率。
　　開關(guān)頻譜即切換瞬態(tài)頻譜，是測量由于調(diào)制突發(fā)的上下降沿而產(chǎn)生的在其標(biāo)稱載頻的不同頻偏處(主要是在相鄰頻道)的射頻功率。
　　(2)技術(shù)要求
●對于GSM900MHz頻段
　?、僬{(diào)制頻譜(MOD pectsrum)
測試指標(biāo)要求：調(diào)制頻譜的每一條譜線均應(yīng)在ETSI規(guī)定的Time-Plate的下方(具體的技術(shù)要求可參見ETSIll．10中的規(guī)定)；
測試條件：功率電平設(shè)置在5(33dB m)：
測試時(shí)，可選擇中間信道進(jìn)行測試。
在衡量調(diào)制頻譜時(shí)， 可使用譜線的指標(biāo)余量(margin)。指標(biāo)余量即最接近Time-Plate的一條譜線與Time-Pkate之間的距離。指標(biāo)余量越大，則調(diào)制頻譜越好，即對鄰道的干擾越小。
對指標(biāo)余量可作如下分析：
若margin＞l0dBm，則調(diào)制頻譜為優(yōu)；
若0＜margin＜l0dBm，則調(diào)制頻譜為較好；
若margin＝0或譜線高度超出Time-Plate，則調(diào)制頻譜為不合格。
②開關(guān)頻譜(switch spectum)
測試指標(biāo)要求：調(diào)制頻譜的每一條譜線均應(yīng)在ETSI規(guī)定的Time-Plate的下方；
測試條件：功率電平設(shè)備在5(33dBm)；
測試時(shí)，可選擇低、中、高三個(gè)信道進(jìn)行測試 如CH1、 CH62、 CHl24)。
對指標(biāo)余量可作如下分析：
若margin＞10dBm，則開關(guān)頻譜為優(yōu)；
若0＜margin＜l0dBm，則開關(guān)頻譜為較好；
若margin＝0或譜線高度超出Time-Plate，則開關(guān)頻譜指標(biāo)為不合格。
●對于DCSl800MHz頻段
①調(diào)制頻譜(MOD spectrum)
功率電平設(shè)置為0(30dBm) 。
指標(biāo)要求同GSM900MHz。
1.5 雜散輻射
　　(1)定義
　　雜散輻射是指用標(biāo)推測試信號調(diào)制時(shí)在除載頻和由于正常調(diào)制和切換瞬態(tài)引起的邊帶以及鄰道以外離散頻率上的輻射(即遠(yuǎn)端輻射)。
　　雜散輻射按其來源的不同可分為傳導(dǎo)型和輻射型兩種。傳導(dǎo)型雜散輻射是指天線連接器處或進(jìn)入電源引線(僅指基站)引起的任何雜散輻射；輻射型雜散輻射是指由于機(jī)箱(或機(jī)柜)以及設(shè)備的結(jié)構(gòu)而引起的任何雜散輻射。
　　這里只介紹Tx發(fā)射時(shí)傳導(dǎo)型雜散的測量。
　　(2) 技術(shù)要求
測試條件：分辨帶寬RB＝l0KHz或分辨帶寬RB＝3MHz
視頻帶寬VB＝l0KHz 視頻帶寬VB23MHz
(頻譜儀帶寬設(shè)置與有用信號和雜散信號的相對位置有關(guān)。)
功率電平設(shè)置為對應(yīng)頻段的最大功率等級指標(biāo)要求：
　?、賹τ谠诎l(fā)射狀態(tài)的移動(dòng)臺，傳導(dǎo)型雜散輻射在段頻9KHz-1GHz內(nèi)的雜散輻射功率電平應(yīng)小于250nw(即-36dBm)；在1GHz一1275GHz頻段內(nèi)的傳導(dǎo)型雜散輻射功率電平應(yīng)小于1uw(即號-30dBm)。
　?、趯τ诳臻e狀態(tài)的移動(dòng)臺來說，9kHz-1GHz頻段內(nèi)的傳導(dǎo)型雜散功率電平應(yīng)小于2nW(-57dBm)；
1GHz-12.75GHz頻段內(nèi)的傳導(dǎo)型雜散功率電平應(yīng)小于20nW(即-47dBm)。
　?、蹖τ谒袟l件下的移動(dòng)臺，在M S接收頻段GSM935MHz一960MHz／DCSl805一1880MHz內(nèi)的雜散功率電平應(yīng)不超過：
-25PW(即-76dBm)對于l類功率等級移動(dòng)臺
-45PW(即-84dMm)對于2、3、3、5類功率等級移動(dòng)臺
1.6 天線
　　這里介紹一種移動(dòng)臺天線性能的比較測試方法，可稱為遠(yuǎn)場測試(＞lOλ)。其原理是將多種被測移動(dòng)臺天線輻射功率與一個(gè)標(biāo)淮移動(dòng)臺進(jìn)行比較，來測量不同機(jī)型天線的遠(yuǎn)場輻射性能。由于這只是一種相對的測量方法，所以 不能提供絕對的天線性能參數(shù)值。具體的測試方法見第2 部分。
2 射頻(RF)指標(biāo)測試
2．1 測試儀器及設(shè)備
　　RF指標(biāo)測試一般所使用的儀器設(shè)備有：系統(tǒng)模擬器SS(或綜測儀)、頻譜儀FSA、移動(dòng)臺MS、RF信號發(fā)生器、陷波器、射頻功率衰減器、模擬電池、測試SIM卡及與移動(dòng)臺相匹配的測試電纜等。
2．2 測試方法
　　(1)接收靈敏度(Rx sensitivity) 基本RF指標(biāo)測量。

a)．將移動(dòng)臺和系統(tǒng)模擬器連接起來；
b)．按要求在相應(yīng)的信道上建立一個(gè)呼叫；
c)．設(shè)置功率控制電臺為最大功率5(33dBm)；
d)．將RF輸入電平從-102dBm調(diào)節(jié)到-ll0 dBm(GSM900MHz)，觀察殘余誤比特率(RBER)，確定實(shí)際接收靈敏度性能；(對于DCSl800MHz，范圍為-l08一l00dBm；
e)．分別在低、中、高多個(gè)信道上進(jìn)行上述測試。
輸出功率Po、頻率誤差Fe、相位誤差峰值Pepeak、相位誤差有效值PeRMS、調(diào)制頻譜、開關(guān)頻譜等指標(biāo)的測量設(shè)備和連接與接收靈敏度的測量基本相同，不再贅述。
　　(2)雜散輻射

a). 將移動(dòng)臺、系統(tǒng)模擬器及頻譜儀連接；
b). 信道60一65之間的一個(gè)頻道上建立一個(gè)呼叫；
c)．設(shè)置功率控制電平為最大功率等級；
d)．設(shè)置頻譜儀的RBW和VBW；
e)，在l00KHz-1GHz、1-12.75GHz的頻率范圍內(nèi)觀察雜散輻射指標(biāo)。
　　若移動(dòng)臺本身具有手動(dòng)測試模式命令，則不需要系統(tǒng)模擬器，可直接進(jìn)入測試模式進(jìn)行發(fā)射，測試雜散輻射。
2.3 天線遠(yuǎn)場測試
a)．用兩個(gè)測試天線分別連接綜測儀和頻譜儀；
b)．按圖4將它們放置在相應(yīng)的位置，使兩個(gè)天線保持足夠的距離，并保證在整個(gè)測試過程中三者之間的相對：位置和方向保持不變；
c)．在低、中、高三個(gè)信道上建立呼叫；
d)．在頻譜儀上讀取接收到的輻射功率電平值；
e)．在不改變位置的情況下，用其它類型的移動(dòng)臺和 標(biāo)準(zhǔn)移動(dòng)臺進(jìn)行測試；
f)．比較接到的輻射功率，可以確定不同機(jī)型天線輻射出去的功率大小和天線輻射效率。
3 射頻(RF)指標(biāo)改進(jìn)、提高的辦法
　　在通信產(chǎn)品的開發(fā)工程中，測量是一種基本的、必要的手段，但不是最后的目的。在開發(fā)過程中更重要的是通過對測量得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、運(yùn)用理論和經(jīng)驗(yàn)，找到解決問題和提高技術(shù)指標(biāo)的辦法。下面我們把在GSM手機(jī)研究開發(fā)中采用的分析方法和經(jīng)驗(yàn)與同行作一交流。
3.1 如何提高接收機(jī)的靈敏度指標(biāo)
　　若通過測量發(fā)現(xiàn)靈敏度不高，則問題主要出現(xiàn)在接收機(jī)的高頻或中頻部分，其次是模擬I／Q解調(diào)部分?？上韧ㄟ^測量模擬I／Q輸出端的電平和信噪比來判斷問題是出現(xiàn)在哪一部分。
　　靈敏度搶標(biāo)主要與接收機(jī)的中頻放大器特別是RF前端的LNT和第一混頻器有關(guān)。在許多情況下，影響和制約靈敏度的因素不在于增益而在于噪聲系數(shù)。對于GSM移動(dòng)電話前端LNT的要求是：噪聲系數(shù)小于2dB、增益約15dB／GSM900或13dB／DCSl800，第一混頻器的增益約10dB。鍵控AGC的可控制范圍約20dB。該項(xiàng)指標(biāo)的改進(jìn)方法如下：
　　(1)選擇高增益、低噪聲的RF前端電路或ASIC。
　　(2)注意從前端到模擬I／Q輸出端的凈增益是否足夠。
　　一般GSM移動(dòng)電話I／Q單端輸出的信號強(qiáng)度為500mVpp，根據(jù)EYSI標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求凈增益應(yīng)大于90dB。
　　(3)充分注意到RF和IF SAw濾波器的選擇和輸入輸出匹配電路的設(shè)計(jì)。第一射頻SAW濾波器應(yīng)主要考慮具有低的插損：第二射頻SAW濾波器主要考慮具有高的選擇性；IF SAW濾波器要選低插損、選擇性好的器件。
　　(4)BaLum也是一個(gè)很重要的高頻器件，應(yīng)通過測量看其是否滿足電路設(shè)計(jì)的要求。
　　(5)RF Tx／RX開關(guān)IC和RF測試插座也必須通過指標(biāo)測試，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
　　(6)EMC設(shè)計(jì)方面是否存在問題?應(yīng)增強(qiáng)接地、屏蔽和濾波的措施。
　　(7)工藝方面的考慮：應(yīng)注意PDB layout設(shè)計(jì)，特別是前端電路的布局設(shè)計(jì)和特征阻抗匹配設(shè)計(jì)；應(yīng)注意到由 于SMT工藝參數(shù)選擇不合適會造成RF部分特別是SAW濾波器虛焊。
3.2頻率誤差指標(biāo)的改進(jìn)方法
　　(1)可通過測量判斷l(xiāng)3MHz TCX0是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，若不滿足要求則更換或重選配套的生產(chǎn)廠家。
　　(2)AFC控制軟件和控制環(huán)路濾波電路的設(shè)計(jì)是否存在問題
　　(3)TCXO的供電回路設(shè)計(jì)是否有問題
3.3 相位誤差指標(biāo)的改進(jìn)方法
　　(1)根據(jù)θ=ωt，我們知道：相位誤差與時(shí)間誤差和頻率誤差都有關(guān)系，因此，頻率合成器的相位噪聲和鎖定時(shí)間會對該項(xiàng)指標(biāo)造成影響。若頻率合成器的鎖定時(shí)間縮短會導(dǎo)致相應(yīng)噪聲加大，從而引起相位誤差加大，這一點(diǎn)在GPRS的應(yīng)用中需引起足夠的重視。
　　(2)其他的改進(jìn)辦法請見參考資料[3]。
3．4 發(fā)射功率指標(biāo)的改進(jìn)辦法
　　(1)檢查PA的激勵(lì)功率是否足夠?若有問題，可加大激勵(lì)功率；
　　(2)再次檢查PA的輸入和輸出匹配電路設(shè)計(jì)是否正確；
　　(3)關(guān)鍵器件PA的技術(shù)參數(shù)是否滿足要求；
　　(4)檢查和測試
RF開關(guān)、定向耦合器、天線端的RF測試接插件、PA供電電路是否正常；
　　(5)檢查TX-VCO輸出的電平是否足夠；　　(6)APC控制IC、APC控制軟件中的table參數(shù)和算法是否有問題．
3.5 小型螺旋天線(stubby antinna)的改進(jìn)方法
　　天線是移動(dòng)電話的終極元件當(dāng)然非常重要。有時(shí)會出現(xiàn)這種情況：當(dāng)采用電纜測試時(shí)，整機(jī)的RF指標(biāo)很好，但在做場檢測時(shí)它的表現(xiàn)不好，可能出現(xiàn)的問題之一在于天線。
　　(1)正確設(shè)計(jì)天線與整機(jī)電路之間的LPF匹配電路型式和參數(shù)，并用網(wǎng)絡(luò)分析儀和標(biāo)準(zhǔn)測試天線進(jìn)行測試評估。天線的設(shè)計(jì)應(yīng)與整機(jī)電路設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、EMC設(shè)計(jì)一體化考慮。
　　(2)在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提條件下，優(yōu)先選擇電導(dǎo)率較高的材料作為天線的內(nèi)導(dǎo)體。內(nèi)裝天線筆者建議國內(nèi)設(shè)計(jì)廠家不宜采用，因?yàn)樵O(shè)計(jì)、制造和測量都比較困難而且技術(shù)指標(biāo)不高。
　　(3)天線內(nèi)的填充材料介質(zhì)和外部的封裝塑料應(yīng)損耗較小的材料。
　　(4)在其他情況相同的條件下，采用較粗和較長的天線有利于改善天線增益指標(biāo)。(當(dāng)然還要考慮到它對外觀ID方面的影響)。
3.6 電源功耗指標(biāo)的改進(jìn)方法
　　該項(xiàng)指標(biāo)與移動(dòng)電話的通話時(shí)間和待機(jī)時(shí)間密切相關(guān)，它是廣大用戶最為關(guān)心的技術(shù)指標(biāo)之一。
(1)選擇低功耗的ASIC解決方案(在DCI．8V下能工作，能進(jìn)入RTC下的深睡眠狀態(tài))。
(2)選擇高效軟件。
(3)擇高效率的PA(PAE＞50％)、高效率高增益的天線。
(4)精心設(shè)計(jì)PA的匹配電路和天線的匹配電路。
(5)選擇高效率的受話器和振鈴器。
(6)選擇高效率的電源管理模塊。
(7)合理地設(shè)計(jì)LED的布局、數(shù)量、和照明時(shí)間，照明時(shí)間選擇l0秒左右即可。
　　通過大量的實(shí)際測量我們發(fā)現(xiàn)：不同型號的GSM移動(dòng)電話在通話狀態(tài)下的工作電流相差不大(約2lomA／at level5 GSM)；但在待機(jī)狀態(tài)下的直流平均電流相差很大(可采用示波器和在整機(jī)回路中串入一個(gè)低阻值的高精度電阻來測量波形，然后通過計(jì)算占空比得到平均功耗)因此待機(jī)時(shí)間指標(biāo)相差很遠(yuǎn)。在這一方面，目前表現(xiàn)最好的產(chǎn)品是菲利蒲生產(chǎn)的PH-989(約2．8mA)。
3．7 發(fā)射機(jī)雜散指標(biāo)的改進(jìn)
　　移動(dòng)電話的發(fā)射雜散指標(biāo)在國家無線電管理委員會的型號核準(zhǔn)測試中，是一項(xiàng)非常重要的、同時(shí)也是一項(xiàng)比較難通過的技術(shù)指標(biāo)，所以應(yīng)引起設(shè)計(jì)工程師足夠的重視。改進(jìn)的辦法如下：
(1)改善調(diào)制頻譜的質(zhì)量；
(2)改善開關(guān)頻譜的質(zhì)量；
(3)power Ramp曲線的斜率不能太陡，以免引起帶外頻譜、雜散變大；
(4)Tx-VCO的帶外頻譜指標(biāo)，特別是要注意二次和三次諧波的抑制指標(biāo)是否滿足整機(jī)的設(shè)計(jì)要求；
(5)PA的帶外抑制指標(biāo)(主要是二次諧波)是否滿足設(shè)計(jì)要求；
(6)PA輸入特別是PA輸出端的BPF或LPF的指標(biāo)是否滿足設(shè)計(jì)要求；
(7) 發(fā)信機(jī)整體的EMC設(shè)計(jì)方案是否合理。