手機射頻特性測量解決方案及應用

手機射頻特性測量解決方案包括輻射功率和接收機特性的測量，本文介紹了測試原理和測試系統的組成以及測試過(guò)程，同時(shí)介紹了在GSM、CDMA等測量中的應用。

在現代網(wǎng)絡(luò )中，好的輻射特性是手機有效工作的關(guān)鍵。目前手機的尺寸越來(lái)越小，出現的經(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(xiàn)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，可以幫助設計師和制造商確定手機在限制的蜂窩網(wǎng)絡(luò )設計特性范圍內工作。

通常手機的射頻指標測量分為接收機和發(fā)射機兩部分。對于接收機來(lái)說(shuō)，主要通過(guò)測量BER或FER來(lái)測量接收機的靈敏度，以及RXQual和RXLev等參數。

對于發(fā)射機來(lái)說(shuō)主要測量發(fā)射功率以及發(fā)射頻譜，雜散等參數。這些指標參數通常是先用一個(gè)手機天線(xiàn)適配器通過(guò)有線(xiàn)的連接方式連接到手機綜測儀上，呼叫連接的建立是通過(guò)有線(xiàn)的方式。這樣天線(xiàn)對于指標的影響是不能體現的。

一般地，峰值EIRP不是手機特性的一個(gè)好的指標說(shuō)明。例如，如果手機天線(xiàn)系統的輻射方向圖是高有向性的，峰值EIRP則高(由于天線(xiàn)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(xiàn)系統的空間覆蓋最大化是最好的。這樣用戶(hù)不用把天線(xiàn)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(xiàn)的輻射方向圖的形狀和峰值。因此頭部引起的損耗對于頻率，設備尺寸和天線(xiàn)設計非常有意義。從場(chǎng)的特性來(lái)看，測量頭部模型下的平均和峰值EIRP比在空間條件下測量峰值EIRP更有意義。CTIA標準要求測量球坐標下的全向輻射功率，給出了TRP(輻射功率和)的定義，如圖1所示。接收機的特性對于整個(gè)手機系統也很重要。差的接收機特性會(huì )使用戶(hù)收聽(tīng)到很低質(zhì)量的聲音信號，甚至使用戶(hù)丟失基站信息并造成終止呼叫。差的接收機靈敏度經(jīng)常是由于發(fā)射機發(fā)射的內部噪聲和雜散信號回饋到接收機內部造成的。因此，CTIA標準要求：在發(fā)射機最大發(fā)射功率下測量接收機靈敏度。并要求測量球坐標下的手機的靈敏度，即TIS(全向靈敏度和)，圖2和公式(1)給出了TIS的定義:

大環(huán)法的測量方法

CTIA規定了一種稱(chēng)為大環(huán)法的測量方法，對于TIS測量，需要6個(gè)大環(huán)切面完成3D球坐標的測量。角圍繞垂直轉臺平面的軸旋轉，每隔30度取一個(gè)測量點(diǎn)，起始點(diǎn)如圖4所示。同樣角圍繞水平轉臺平面的軸旋轉。

對于TRP測量，需要6個(gè)大環(huán)切面完成3D球坐標的測量。圍繞垂直轉臺平面的軸旋轉，每隔15度取一個(gè)測量點(diǎn)，起始點(diǎn)如圖4所示。

手機的射頻特性測量不僅要求在無(wú)線(xiàn)連接模式下進(jìn)行，同時(shí)要求模擬人的頭部對各項指標的影響，圖4為人體頭部的模型和軸向規定，模型內部需要填充液體，用于模擬人的體液對電磁輻射場(chǎng)的影響。表1是填充液的比例。

如果被測手機支持多空中接口技術(shù)，可以依此對每個(gè)標準進(jìn)行測量。首先進(jìn)行空間損耗的測量，然后進(jìn)行系統信號通路的校準，將校準值記錄。

選擇相應的通信標準，通過(guò)綜測儀與手機建立呼叫，然后在需要的頻率點(diǎn)上進(jìn)行輻射功率的測量。測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。

選擇相應的通信標準，通過(guò)綜測儀與手機建立呼叫，然后在標準規定的頻段內取三個(gè)頻率點(diǎn)，分別為高，中，低，然而進(jìn)行FER或BER的測量。如果BER或FER超過(guò)規定值，增加綜測儀的輸出功率，直到達到規定的BER或FER。記錄相應的被測手機的輸出電平。測試方法按照第二部分進(jìn)行，每個(gè)規定的位置上每個(gè)頻率點(diǎn)都要做靈敏度的測量。

TS9970是RS公司專(zhuān)門(mén)用于測量手機的RF特性的測量系統。在實(shí)際條件下，對手機發(fā)射和接收部分通過(guò)空中接口進(jìn)行RF指標的測量。能夠按照上述的方法和定義自動(dòng)TRP和TIS的測量。

TS9970可以支持如下標準:

GSM 400， 850， 900， 1800， 1900

CDMA/CDMA2000 800， 1900

TDMA 800， 1900

AMPS

GPRS

Bluetooth

W-CDMA (UMTS)

同時(shí)可以測量固定電平下的BER或FER，以及要求達到的BER時(shí)的接收電平。測試系統由手機綜測儀CMU200、頻譜儀FSx、信號源SMx、RF分路開(kāi)關(guān)以及轉臺控制器組成。其中手機綜測儀CMU200用于通過(guò)空中接口與被測手機建立連接，使被測手機處于實(shí)際工作狀態(tài)。頻譜儀用于測量當通信連接建立后天線(xiàn)的方向圖以及信號通路和空中衰減的校準。信號源用于信號通路和空中衰減的校準。

我們分別以GSM的輻射功率測量和CDMA的接收機測量為例，介紹TS9970的實(shí)際應用。

1. GSM1900的輻射功率測量

由于GSM1900采用的是恒包絡(luò )調制技術(shù)(GMSK)的TDMA技術(shù)，最小的測量功率由一個(gè)有效的時(shí)隙中心的85%的線(xiàn)性平均給定。多于一個(gè)時(shí)隙的平均會(huì )減小測量精度。一個(gè)有效時(shí)隙的定義寬度為0。577(10%，頻譜分析儀必須設置到零跨度，同時(shí)使用視頻觸發(fā)，視頻帶寬設到300kHz，掃描時(shí)間設置到在脈沖中心85%的跨度上至少300個(gè)采樣點(diǎn)，通常0。65ms的設置對于頻譜儀來(lái)說(shuō)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。因為如果GSM的時(shí)隙電平接近觸發(fā)電平，會(huì )產(chǎn)生雜散觸發(fā)，這樣減小零數據引起的觸發(fā)。

通過(guò)廣播控制信道和手機的相關(guān)參數，呼叫手機并命令其到語(yǔ)音通道。測試在手機支持的頻段上三個(gè)不同的頻率對進(jìn)行，如下表定義的頻率點(diǎn)：

按照圖3、圖4的配置設置好，分別在軸和軸進(jìn)行采樣測量，其中軸每旋轉一次采樣24個(gè)點(diǎn)，軸每旋轉一次采樣12個(gè)點(diǎn)。測量結束后將采樣測量數據帶入公式(1)中，計算出輻射功率和。每個(gè)頻率點(diǎn)都要做一次這樣的測量。強化DVT團隊在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程中功能和作用的建議.

關(guān)鍵詞：DVT (Design Validation Test,設計確認測試),DVET(Design Verification Test,設計驗證測試)

TR(Technology Review,技術(shù)評審) LLD(Low Level Design,詳細設計) 模塊測試 單板測試 系統測試 設計驗證 系統驗證

DVT (Design Validation

Test,設計確認測試)團隊在公司目前的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程中的作用和功能主要集中于內部系統驗證測試(功能類(lèi))和外部認證(外部組織測試所有性能類(lèi)指標)，BETA用戶(hù)驗證。它的功能表現主要是各種認證測試方面，內部驗證的功能淺表化，對產(chǎn)品設計的支持作用不明顯或者非常小，也可以說(shuō)這是一個(gè)近似于認證測試的組織。這里提出一種新的研發(fā)DVET(Design

Verification Test,

設計驗證測試)團隊模式，可以大大改善產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中的設計驗證能力，極大提高產(chǎn)品開(kāi)發(fā)效率，增強產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的設計規范性和透明度，減少在認證測試階段和BETA驗證階段的出錯率和重復率。圖1，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程

職能定義

首先明確的是，這種新的DVET團隊不是一個(gè)單純的測試團隊，也可以說(shuō)它不是一個(gè)以測試為目的的團隊，測試是它的一部分手段，DVET的側重點(diǎn)在于發(fā)現問(wèn)題和改進(jìn)問(wèn)題，制定相應的設計規則形成開(kāi)發(fā)慣性，減少重復錯誤，從而提高開(kāi)發(fā)效率。這個(gè)團隊的定義要比先前的DVT功能更加廣泛，在組織形式需要時(shí)可以包含先前的DVT團隊功能。所謂的DVET(Design Verification Test, 設計驗證測試)，即是對產(chǎn)品或項目在開(kāi)發(fā)過(guò)程中的設計項目(包括所有的軟硬件模塊/單板/整機系統等)進(jìn)行性能和功能的測試驗證，并對出現的問(wèn)題進(jìn)行總結，提出相應的改進(jìn)建議，制定相應的設計規則，把所有的開(kāi)發(fā)問(wèn)題和隱藏缺陷最大可能的解決在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，避免在設計成形后進(jìn)行漫長(cháng)的測試和調試過(guò)程。它也可以包括后期的BETA測試和認證測試功能。圖2,功能分類(lèi)

組織結構

從組織形式上來(lái)說(shuō)，DVET是一個(gè)設計開(kāi)發(fā)類(lèi)或者一個(gè)高級測試類(lèi)團隊，它要求團隊成員具有豐富的設計經(jīng)驗和測試經(jīng)驗。一個(gè)能夠勝任DVET團隊工作的軟件類(lèi)成員應該首先是一個(gè)優(yōu)秀的軟件工程師，其次還應該具有非常好的測試知識，他能夠在每一個(gè)軟件模塊中找到錯誤與缺陷(不管其編寫(xiě)者是誰(shuí))，指出其改進(jìn)方法，甚至能在相應的編程規范和設計要求下自主改進(jìn)相應的程序，當然也必須具有制定相應的編程規范和設計要求的能力。同樣，一個(gè)能夠勝任DVET團隊工作的硬件類(lèi)成員應該首先是一個(gè)優(yōu)秀的硬件工程師，同時(shí)還應該具有非常豐富的模塊和系統測試知識，他能夠在硬件設計的每一步中(不管是原理圖，PCB制板或半成品單板或整機)中找到錯誤與缺陷，指出其改進(jìn)方法，并能制定相應的硬件設計規范。這樣看來(lái)，一個(gè)最小化的DVET團隊應該是3個(gè)人，一個(gè)SVE軟件驗證工程師(Software Verification Engineer),一個(gè)HVE硬件驗證工程師(Hardware Verification Engineer),一個(gè)SAE系統認證工程師(System Authentication

Engineer)。所有的DVET工程師都應該獨立于設計和QA之外，它是一個(gè)處在QA和設計工程師之間的流程，它負責向設計工程師提供改進(jìn)建議和設計規范，也負責向QA工程師提供符合設計規格的產(chǎn)品，并向QA工程師尋求產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中的質(zhì)量保證。在這里建議DVET從原DVT團隊上拓展而來(lái)，行政上屬于Test Quality control Dept.，業(yè)務(wù)上主要與項目經(jīng)理、設計工程師、QATeam

聯(lián)系。最重要的一點(diǎn)，所有的項目開(kāi)發(fā)都必須邀請DVET團隊參加，而且相應的DVET團隊成員還應該是項目開(kāi)發(fā)的核心小組成員。圖3，組織結構形式;圖4,行政與業(yè)務(wù)流程。

工作內容

圖5，工作流程圖

1.設計規則的制定

2.軟硬件設計過(guò)程中的支持

3.軟硬件模塊測試/關(guān)鍵器件評估測試

4.模塊設計改進(jìn)建議/設計規則改進(jìn)與制定

5.組織QA團隊和設計團隊進(jìn)行階段性模塊設計評審

6.整機系統測試

7.系統設計改進(jìn)建議/設計規則改進(jìn)與制定

8.PR1測試問(wèn)題分析(測試由TE負責)與改進(jìn)(不負責試產(chǎn)跟進(jìn))

9.參與整機技術(shù)評審

10.組織整機系統認證測試

流程優(yōu)勢評估

1. 流程細化，易于控制

2. 避免技術(shù)與規則的直接碰撞

3. 設計規范的建立可以形成良好的開(kāi)發(fā)慣性

4. 設計規范可確保技術(shù)的延續性，減少人才流失風(fēng)險

5. 將設計問(wèn)題盡量暴露在設計階段，避免后期費時(shí)費力的認證

6. 有助于提高整體技術(shù)實(shí)力，從功能設計到性能設計的轉變

7. 有助于提高產(chǎn)品開(kāi)發(fā)效率，減少開(kāi)發(fā)投入

注：CDMA采用數字擴譜技術(shù)，基站通過(guò)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的接收功率。最大發(fā)射功率是通過(guò)連續發(fā)送“升”位信號，幾ms后達到最大功率。

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

2. CDMA接收機特性的測量

CDMA接收機靈敏度的測量需要通過(guò)基站模擬器來(lái)定義接收機的靈敏度，當接收機在0.5%的FER或95%的置信度時(shí)記錄最小前向聯(lián)結功率。設置按照如下參數設置：

(1) 前向聯(lián)結功率:-75dBm

(2) 功率控制:閉環(huán)控制

(3) 其他參數按照被測手機相應的標準(IS95，CDMA0NE，CDMA2000)進(jìn)行設置。

如果測試點(diǎn)發(fā)生在零符號時(shí)，前向功率會(huì )增加，以建立和保持呼叫。呼叫EUT并命令其到參考測試信道，建立數字語(yǔ)音信道，調用FER測試。觀(guān)測到的幀數要和95%的置信電平一致，但最大不能超過(guò)2000幀。當RF電平接近CDMA靈敏度電平時(shí)，調整的功率步進(jìn)值不能大于0.5dB。當每個(gè)測試點(diǎn)的最終靈敏度找到后，功率控制設置為總升狀態(tài)(always

up)。每次更換測量頻點(diǎn)前，前向聯(lián)結功率和功率控制必須設回初始狀態(tài)。

測試過(guò)程按第三部分敘述的進(jìn)行。其中軸每旋轉一次采樣12個(gè)點(diǎn)，軸每旋轉一次采樣6個(gè)點(diǎn)。測量結束后將采樣測量數據帶入公式(2)中，計算出TIS。

3. GSM、3GPP雙模手機

目前國內已經(jīng)出現GSM、3GPP雙模手機。對于3GPP的測試目前基站模擬器CMU200已經(jīng)可以完全支持，并用于3GPP手機的研發(fā)和生產(chǎn)。因此TS9970可以支持GSM、3GPP雙模手機，系統的控制軟件正在開(kāi)發(fā)中。

本文小結

TS9970不僅能夠測量手機的RF特性，幫助手機的設計師提高產(chǎn)品的性能指標，增加手機的市場(chǎng)競爭力。同時(shí)能夠作為CTIA的標準認證測試系統使用。在移動(dòng)通信迅速發(fā)展的今天，綠色手機、環(huán)保手機越來(lái)越受到設計部門(mén)、制造廠(chǎng)商和用戶(hù)的重視，特別是電磁兼容的問(wèn)題也更加突出，因此各種體制的手機的無(wú)線(xiàn)射頻指標也將成為評價(jià)手機的重要部分。