深入解析UMTS系统中UE的射频测试

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本文旨在通过一些UMTS的部分测试用例来介绍UMTS测试项目背后的一些测试原理以及系统原理。希望大家能通过本文了解一些测试项目背后的系统原理以及测试原理。

1、综述

本文主要针对UMTS终端射频测试规范介绍部分重要测试项目的测试原理,主要针对TS34.121规范中规定的射频测试项目进行介绍。由于UMTS规范从R99发展到R5、R6、R7、R8、R9等协议版本,信道结构等物理层基本结构都有较大变化,因此针对同一个测试项目,如最大功率测试,规范针对不同版本的终端也定义了不同的子测试项目。如最大功率测试就定义了5.2、5.2A、5.2AA和5.2B等几个测试项目。UMTS测试的复杂性也正来自于这些信道的过程、信道之间的时延关系。

本文以几个基本的UMTS测试项目为例,尽力表达清楚这些测试项目背后的系统原理以及测试原理。

1.1、触发方式的选取

在规范中经常能看到如下的两种描述,如5.2A中的描述:

The maximum output power with HS-DPCCH is ameasure of the maximum power the UE can transmit when HS-DPCCH is fully orpartially transmitted during a DPCCH timeslot.

5.2B中的描述:

The maximum output power with HS-DPCCH andE-DCH is a measure of the maximum power the UE can transmit when HS-DPCCH andE-DCH is fully or partially transmitted during a DPCCH timeslot.

这两段描述的含义是要求我们在做TX测试的时候,参考图4.1,可知HS-DPCCH和E-DCH的发射具有非连续的特点,因此要求我们在这两个信道激活的情况下进行发射,此时可以验证相关信道激活情况下的射频性能。因此上述规范的描述就变成了一个找到相应上行物理信道的问题,该问题的答案我们可以在3GPP TS 25.211 7.7章中找到。

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图1.1、上行信道时间关系

根据图1.1的描述,上行HS-DPCCH与上行DPCH之间的时间差为m*256 chips ,记为T1

其中m = (TTX_diff/256) + 101,该时延在CMU200中约为1024 chips。上行DPCH与下行DPCH之间的时间差即为DPCH在信道传输的空口时延,记为T2,下行DPCH同CPICH之间的时延为T_dpch_offset,记为T3,该参数以256chips为单位,在CMU200和CMW500中都可以直接配置。因此上行HS-DPCCH同CPICH的时延即为T1+T2+T3。

综测仪会根据下行的帧边界,即CPICH信道的时间和一系列系统的参数在一定范围内找上行的HS-DPCCH信道。在固定了第一个HS-DPCCH之后,由于该信道的周期为12ms,因此后续可以通过时间来确定HS-DPCCH信道实际的出现时间。

在实际操作中,直接在综测仪中选取HS-DPCCHTrigger即可!E-DCH的原理同HSDPA的原理类似,就不在这里详细介绍了!

1.2、动态的终端功率测试

在LTE系统中,一部分系统的特性会导致终端功率发生变化,比如TFC变化(包括DTX),压缩模式下的Power Boosting,开环功率控制中PRACH的接入,闭环功率控制中DPCH的TPC响应,信道增益因子变化等。针对UMTS的功率变化过程,3GPP TS34.121规范制定了响应的测试项目,如表1.1:

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2、最大功率测试

2.1、R99的最大功率测试

由于R99的上行只有DPCCH和DPDCH两个信道,因此R99的最大功率测试相对HSDPA和HSUPA而言,复杂程度是最低的。SS通过下行DPCCH信道发送TPC指令,上行DPCCH信道会根据TPC来提高本信道的功率,而上行DPDCH信道则会根据增益因子βc和βd相应调整本信道的功率,如βc=8,βd=15

DPCCH/DPDCH功率比

=20*log(βc/ βd)=-5.46dB

直到终端的功放饱和达到最大功率位置。此时测量终端的功率,测量带宽至少为(1+α)*chiprate = 1.22*3.84Mhz=4.68Mhz。

βc和βd的决定取决于TFC,即业务速率越高,DPDCH信道的功率越高,业务速率越低,DPDCH信道的功率越低,如极限的例子,即如果在DTX的情况下,即无数据发射,DPDCH信道可以选择不发送。在这里我们不过多的讨论实际网络中增益因子的运用,而更加关注UE的射频测量方法。

2.2、HSDPA的最大功率测试

为了下面更好的理解HSDPA和HSUPA的最大功率测量方法,我们来说明一下增益因子的定义。首先3Gpp规范针对WCDMA上行发射功率给每个上行信道定义了一个增益因子,即βc、βd、βhs、βec、βed等参数,用于独立控制各个信道的功率。为了系统消息传输方便,最终又将这些参数映射成为βc、βd和DACK,DNACK,DCQI以及DE-DPCCH和DE-DPDCH,通过这些参数,最终可以决定DPDCH、HS-DPCCH、E-DPCCH和E-DPDCH信道相对DPCCH信道的功率。

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WCDMA系统中的增益因子

3GPP TS34.121 Release 10规范针对HSDPA规范定义了5.2A和5.2AA两个测试项目,区别在于终端是否支持Release 6版本。HSDPA的最大功率测试有两个关键点:

1)、HS-DPCCH信道在激活状态,发送ACK/NACK或者CQI,5.2AA测试项目需要HS-DPCCH激活状态才可以,因此测量仪器需要特定的触发时机来捕获HS-DPCCH信道同DPDCH、DPCCH共同发射。

2)、变化的βc/βd比值,DACK,DNACK,DCQI在测试中固定为8,8,8。因此测试的时候变化βc/βd比值来测量HSDPA终端的最大功率。

规范根据βc/βd比值定义了4个subtest来测试HSDPA终端的最大功率,分别是βc/βd的四个范围内的典型值,分别是βc/βd=2/15,12/15,15/8,15/4这几个比值情况下的终端最大功率。此时DACK,DNACK,DCQI设置为固定值8。

2.3、HSUPA的最大功率测试

HSUPA的最大功率测试方法相对复杂,但是当我们清楚了这个测试项目背后含义的话,实际上对于测试的理解就变得简单了许多!

首先,HSUPA的最大功率测试(TS34.121,5.2B)需要在规定的RMC和FRC(FRCH-Set 1, QPSK)下约定各个信道的相对功率,如下表格所示:

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其中有些特别的是subtest 5,subtest 5测试中DPDCH不发送,因此测试模式选择SRB 2.5kbps +HSPA(βd=0),而不是subtest1~4所采用的RMC 12.2kbps +HSPA 34.108。

对于HSUPA的最大功率测试,我们需要理解的HSUPA的上行功率控制原则,HSUPA的目的是为了上行提供更高的数据传输速率,更高的上行速率需要更高的上行E-DCH信道功率以提供更好的信噪比。反之,当E-DPDCH信道功率不足时,就相应的降低E-TFCI以保证一定速率下的可靠传输。

基于上述原则,我们就很容易理解5.2B subtest这个测试项目的设计原则,首先对于每个subtest定义了一系列的E-TFCI以及相应的E-TFCIPower offset,通过DL-DPCCH下发TPC控制UL-DPCCH提高功率,而DPDCH、HS-DPCCH、E-DPCCH、E-DPDCH根据信道增益表格相应的提高信道功率,当功率提升1dB之后,如果还有空间继续提升,则E-TFCI不降低,继续提升功率直到不能继续提升位置,此时E-DPDCH功率被调低,相应的E-TFCI也会降低,此时发送一个1dB的功率降低指令给E-DPDCH留出一定的空间,此时的功率足够保持TargetE-TFCI,这时测量终端的最大功率,在这样的逻辑下测量到的功率实际可以理解为在特定的E-TFCI发送的情况下终端的最大发射功率。

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HSUPA最大功率测试流程

其中有些特别的是subtest 5,由于subtest 5 只定义了一种参考E-TFCI,因此E-TFCI不会随着功率变化,仅仅发送TPC Up控制UL-DPCCH功率,其它信道功率相对固定,即可测量得到终端的最大功率。

3、频谱杂散测试

3.1、Out of band emission

3.1.1、Spectrumemission mask (SEM)

SEM测试门限有两个,一个是绝对门限,规范中称为Absolute Requirement,一个是相对门限,规范中称为RelativeRequirement。规范要求测量区域内的测量点不超过两个门限中功率较高的那个(即要求较松的门限)。绝对门限是根据终端的最小功率要求制定,根据TS 34.121表5.4.3的要求,使用RRC滤波器在3.84MHz带宽内测量得到的UE最小功率应该低于-50dBm。根据此要求,使用不同RBW进行等效换算,SEM的绝对门限应为:

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在高功率情况下,相对门限更加宽松,在低功率条件下,绝对门限更加宽松。由于一般SEM测试在终端最大发射功率下进行,因此普遍采用相对门限的标准测试。

3.1.2、AdjacentChannel Leakage power Ratio (ACLR)

同SEM测试一样,ACLR测试也有绝对门限和相对门限两个标准,绝对门限也是采用最小功率的要求,即-50dBm,相对门限参考TS 34.121 表5.10.1的要求。同SEM一致,高功率情况下一般参考更加宽松的相对门限。

ACLR同SEM的区别主要在于,ACLR主要是基于RRC滤波的平均功率的比值,而SEM是对测量范围内的每个测量点进行测量。

3.2、Spurious emissions

严格的说,杂散发射(Spurious emissions)不属于带外杂散,杂散发射同带外杂散的生成原因不同,杂散发射主要是由谐波、互调、变频产物等造成的。因此测试范围也不同。带外杂散的测试范围我们称之为Out-of-Banddomain, 杂散发射的测试范围我们称之为Spurious domain。

基于Spurious emissions的成因,决定了Spuriousemissions 需要测量到更加宽的频率范围,根据Rec.ITU-R SM.329-12规范的要求,UMTS的基础频率范围在600MHz~5.2GHz范围之内,根据UMTS频段的最高频率,需要测试到5次谐波的范围,因此我们得到了规范TS 34.121,表5.11.2a中要求的通用测试范围。

Table 5.11.2a: Generalspurious emissions test requirements

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由于上表所测试频率范围内有存在各种通信制式以及广播电视等无线频率占用,因此又针对不同的UMTS频段制定了表5.11.2b的额外标准。由于通用的综测仪无法达到13GHz的频率范围,因此一般采用综测仪和频谱仪(如R&SFSQ或FSW)的测试系统来完成这个测试项目的测试。如图3.1所示:

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图3.1、Spurious emission 测试连接图

4、发射调制

发射调制测量项目包括EVM,相对码域误差,相位非连续以及随机接入探针质量

4.1、EVM withHS-DPCCH

在HS-DPCCH信道相关的测试中我们经常看到如图4.1的测试点描述,如规范5.13.1A(EVM with HS-DPCCH) ,5.2C(UE relative codedomain power accuracy),5.7A(HS-DPCCH Power Control),首先这个图的横轴的时间是6个子帧,即12ms,而不是一个10ms无线帧。

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图4.1、HS-DPCCH非连续发送示例

这个时间关系是由HARQ的周期决定的,由于在HS-DPCCH相关测试中,终端上行发射会有DPCCH、DPDCH和HS-DPCCH三个信道,由于DPCCH和DPDCH是连续发射的信道,因此非连续发射的HS-DPCCH就决定了整个功率图案的周期。根据图4.2,整个HARQ的周期=2+3+7.5+3+2*空间传输时间,这个时间略小于12ms,因此HARQ的周期定义为12ms,即从系统开始给终端调度数据发送,到收到终端反馈的ACK/NACK,整个时间是在12ms之内完成的。因此在图4.1中的测试是以12ms为周期的。

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图4.2、HSDPA信道时序关系

 

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