雙頻段GSM/DCS移動電話射頻指標分析

本文對GSM移動電話的射頻指標進行了分析，并討論了改進辦法。其中一些測試及提高射頻指標的方法是從實踐經驗中總結出來的，有一定的參考價值。第一部分對各射頻指標作了簡要介紹。第二部分介紹了射頻指標的測試方法。第三部分介紹了一些提高射頻指標的設計和改進方法。
1 射頻(RF)指標的定義和要求
1.1 接收靈敏度（Rx sensitivity）
　　(1)定義
　　接收靈敏度是指收信機在滿足一定的誤碼率性能條件下收信機輸入端需輸入的最小信號電平。衡量收信機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)三個參數。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誤比特與所有發送的的數據比特之比。
　　(2)技術要求
●對于GSM900MHz頻段
　　接收靈敏度要求：當RF輸入電平為一102dBm時，RBER不超過2％。測量時可測試實際靈敏度指標。根據多款移動電話的測試結果來看：當RBER＝2％時，若RF輸入電平為-l09一l07dBm，則接收靈敏度為優；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RF輸入電平為-l00dBm，RBER不超過2％。測量時可測試實際靈敏度指標。根據多款移動電話的測試結果來看：當RBER＝2％時，若RF輸入電平為一l08一 -105dBm，則接收靈敏度為優；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
　　測量發射信號的頻率和相位誤差是檢驗發信機調制信號的質量。GSM調制方案是高斯最小移頻鍵控(GMSK)，歸一化帶寬為BT＝0．3。
　　發射信號的相位誤差定義為：發信機發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一個己知的偽隨機比特流通過GMSK脈沖成形濾波器得到。
　　頻率誤差定義為考慮了調制和相位誤差的影響以后，發射信號的頻率與該絕對射頻頻道號(ARFCH)對應的標稱頻率之間的差。它通過相應誤差做線性回歸，計算該回歸線的斜率即可得到頻率誤差(因為ω＝θ/t)相位誤差峰值Pepeak是離該回歸線最遠的值。相位誤差有效值PeRMS即相位誤差均方根值，是所有點的相位誤差和其線性回歸之間的差的均方根值。
　　(2)技術要求
●對于GSM900MHz頻段
①頻率誤差Fe
若Fe＜40Hz，則頻率誤差為優；
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；
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，則這項指標為不合格。
②相位誤差有效值PeRMS
若PeRMs＜2．5deg，則相位誤差有效值為優；
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，則這項指標為不合格。
●對于沉S1800MHz頻段
①頻率誤差Fe
若Fe＜80Hz，則頻率誤差為優；
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，則這項指標為不合格。
②相位誤差峰值Pepeak
同GSM900MHz的指標。
②相位誤差有效值PeRMS
同GSM900MHz的指標。
1.3 射頻輸出功率Po
　　(1)定義
　　鑒于移動通信組網時的遠近效應，在與基站通信過程中必須對移動臺的發射功率進行控制(動態調整)，以便能保證移動臺與基站之間一定的通信質量而又不至于對其它移動臺產生明顯的干擾。同樣，也可以對基站的發射功率進行射頻功率控制。
　　測試移動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規定的功率要求。
　　(2)技術要求
●對于GSM900Mz頻段
　　每一功率控制電平對應的標稱功率和允許的誤差如表l(對于class IV移動臺)。
●對于DCSl800MHz頻段
　　每一功率控制電平對應的標稱功率和允許的誤差如表2(對于class I移動臺)。
1．4調制頻譜和開關頻譜
　　(1)定義
　　由于GSM調制信號的突發特性，因此輸出射頻頻譜應 考慮由于調制和射頻功率電平切換而引起的對相鄰信 干擾。在時間上，連續調制頻譜和功率切換頻譜不是 發生的，因而輸出射頻頻譜可分為連續調制頻譜和切態頻譜來分別地加以規定和測量。
　　連續調制是測量由GSM調制處理而產生的在其標稱載頻 同頻偏處(主要是在相鄰頻道)的射頻功率。
　　開關頻譜即切換瞬態頻譜，是測量由于調制突發的上下降沿而產生的在其標稱載頻的不同頻偏處(主要是在相鄰頻道)的射頻功率。
　　(2)技術要求
●對于GSM900MHz頻段
　　①調制頻譜(MOD pectsrum)
測試指標要求：調制頻譜的每一條譜線均應在ETSI規定的Time-Plate的下方(具體的技術要求可參見ETSIll．10中的規定)；
測試條件：功率電平設置在5(33dB m)：
測試時，可選擇中間信道進行測試。
在衡量調制頻譜時， 可使用譜線的指標余量(margin)。指標余量即最接近Time-Plate的一條譜線與Time-Pkate之間的距離。指標余量越大，則調制頻譜越好，即對鄰道的干擾越小。
對指標余量可作如下分析：
若margin＞l0dBm，則調制頻譜為優；
若0＜margin＜l0dBm，則調制頻譜為較好；
若margin＝0或譜線高度超出Time-Plate，則調制頻譜為不合格。
②開關頻譜(switch spectum)
測試指標要求：調制頻譜的每一條譜線均應在ETSI規定的Time-Plate的下方；
測試條件：功率電平設備在5(33dBm)；
測試時，可選擇低、中、高三個信道進行測試 如CH1、 CH62、 CHl24)。
對指標余量可作如下分析：
若margin＞10dBm，則開關頻譜為優；
若0＜margin＜l0dBm，則開關頻譜為較好；
若margin＝0或譜線高度超出Time-Plate，則開關頻譜指標為不合格。
●對于DCSl800MHz頻段
①調制頻譜(MOD spectrum)
功率電平設置為0(30dBm) 。
指標要求同GSM900MHz。
1.5 雜散輻射
　　(1)定義
　　雜散輻射是指用標推測試信號調制時在除載頻和由于正常調制和切換瞬態引起的邊帶以及鄰道以外離散頻率上的輻射(即遠端輻射)。
　　雜散輻射按其來源的不同可分為傳導型和輻射型兩種。傳導型雜散輻射是指天線連接器處或進入電源引線(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箱(或機柜)以及設備的結構而引起的任何雜散輻射。
　　這里只介紹Tx發射時傳導型雜散的測量。
　　(2) 技術要求
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
(頻譜儀帶寬設置與有用信號和雜散信號的相對位置有關。)
功率電平設置為對應頻段的最大功率等級指標要求：
　　①對于在發射狀態的移動臺，傳導型雜散輻射在段頻9KHz-1GHz內的雜散輻射功率電平應小于250nw(即-36dBm)；在1GHz一1275GHz頻段內的傳導型雜散輻射功率電平應小于1uw(即號-30dBm)。
　　②對于空閑狀態的移動臺來說，9kHz-1GHz頻段內的傳導型雜散功率電平應小于2nW(-57dBm)；
1GHz-12.75GHz頻段內的傳導型雜散功率電平應小于20nW(即-47dBm)。
　　③對于所有條件下的移動臺，在M S接收頻段GSM935MHz一960MHz／DCSl805一1880MHz內的雜散功率電平應不超過：
-25PW(即-76dBm)對于l類功率等級移動臺
-45PW(即-84dMm)對于2、3、3、5類功率等級移動臺
1.6 天線
　　這里介紹一種移動臺天線性能的比較測試方法，可稱為遠場測試(＞lOλ)。其原理是將多種被測移動臺天線輻射功率與一個標淮移動臺進行比較，來測量不同機型天線的遠場輻射性能。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值。具體的測試方法見第2 部分。
2 射頻(RF)指標測試
2．1 測試儀器及設備
　　RF指標測試一般所使用的儀器設備有：系統模擬器SS(或綜測儀)、頻譜儀FSA、移動臺MS、RF信號發生器、陷波器、射頻功率衰減器、模擬電池、測試SIM卡及與移動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指標測量。

a)．將移動臺和系統模擬器連接起來；
b)．按要求在相應的信道上建立一個呼叫；
c)．設置功率控制電臺為最大功率5(33dBm)；
d)．將RF輸入電平從-102dBm調節到-ll0 dBm(GSM900MHz)，觀察殘余誤比特率(RBER)，確定實際接收靈敏度性能；(對于DCSl800MHz，范圍為-l08一l00dBm；
e)．分別在低、中、高多個信道上進行上述測試。
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、調制頻譜、開關頻譜等指標的測量設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). 將移動臺、系統模擬器及頻譜儀連接；
b). 信道60一65之間的一個頻道上建立一個呼叫；
c)．設置功率控制電平為最大功率等級；
d)．設置頻譜儀的RBW和VBW；
e)，在l00KHz-1GHz、1-12.75GHz的頻率范圍內觀察雜散輻射指標。
　　若移動臺本身具有手動測試模式命令，則不需要系統模擬器，可直接進入測試模式進行發射，測試雜散輻射。
2.3 天線遠場測試
a)．用兩個測試天線分別連接綜測儀和頻譜儀；
b)．按圖4將它們放置在相應的位置，使兩個天線保持足夠的距離，并保證在整個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，用其它類型的移動臺和 標準移動臺進行測試；
f)．比較接到的輻射功率，可以確定不同機型天線輻射出去的功率大小和天線輻射效率。
3 射頻(RF)指標改進、提高的辦法
　　在通信產品的開發工程中，測量是一種基本的、必要的手段，但不是最后的目的。在開發過程中更重要的是通過對測量得到的數據進行分析、運用理論和經驗，找到解決問題和提高技術指標的辦法。下面我們把在GSM手機研究開發中采用的分析方法和經驗與同行作一交流。
3.1 如何提高接收機的靈敏度指標
　　若通過測量發現靈敏度不高，則問題主要出現在接收機的高頻或中頻部分，其次是模擬I／Q解調部分。可先通過測量模擬I／Q輸出端的電平和信噪比來判斷問題是出現在哪一部分。
　　靈敏度搶標主要與接收機的中頻放大器特別是RF前端的LNT和第一混頻器有關。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。對于GSM移動電話前端LNT的要求是：噪聲系數小于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。該項指標的改進方法如下：
　　(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移動電話I／Q單端輸出的信號強度為500mVpp，根據EYSI標準的技術要求凈增益應大于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計。第一射頻SAW濾波器應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也是一個很重要的高頻器件，應通過測量看其是否滿足電路設計的要求。
　　(5)RF Tx／RX開關IC和RF測試插座也必須通過指標測試，達到設計要求。
　　(6)EMC設計方面是否存在問題?應增強接地、屏蔽和濾波的措施。
　　(7)工藝方面的考慮：應注意PDB layout設計，特別是前端電路的布局設計和特征阻抗匹配設計；應注意到由 于SMT工藝參數選擇不合適會造成RF部分特別是SAW濾波器虛焊。
3.2頻率誤差指標的改進方法
　　(1)可通過測量判斷l3MHz TCX0是否達到設計要求，若不滿足要求則更換或重選配套的生產廠家。
　　(2)AFC控制軟件和控制環路濾波電路的設計是否存在問題
　　(3)TCXO的供電回路設計是否有問題
3.3 相位誤差指標的改進方法
　　(1)根據θ=ωt，我們知道：相位誤差與時間誤差和頻率誤差都有關系，因此，頻率合成器的相位噪聲和鎖定時間會對該項指標造成影響。若頻率合成器的鎖定時間縮短會導致相應噪聲加大，從而引起相位誤差加大，這一點在GPRS的應用中需引起足夠的重視。
　　(2)其他的改進辦法請見參考資料[3]。
3．4 發射功率指標的改進辦法
　　(1)檢查PA的激勵功率是否足夠?若有問題，可加大激勵功率；
　　(2)再次檢查PA的輸入和輸出匹配電路設計是否正確；
　　(3)關鍵器件PA的技術參數是否滿足要求；
　　(4)檢查和測試
RF開關、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參數和算法是否有問題．
3.5 小型螺旋天線(stubby antinna)的改進方法
　　天線是移動電話的終極元件當然非常重要。有時會出現這種情況：當采用電纜測試時，整機的RF指標很好，但在做場檢測時它的表現不好，可能出現的問題之一在于天線。
　　(1)正確設計天線與整機電路之間的LPF匹配電路型式和參數，并用網絡分析儀和標準測試天線進行測試評估。天線的設計應與整機電路設計、結構設計、EMC設計一體化考慮。
　　(2)在滿足結構強度的前提條件下，優先選擇電導率較高的材料作為天線的內導體。內裝天線筆者建議國內設計廠家不宜采用，因為設計、制造和測量都比較困難而且技術指標不高。
　　(3)天線內的填充材料介質和外部的封裝塑料應損耗較小的材料。
　　(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。(當然還要考慮到它對外觀ID方面的影響)。
3.6 電源功耗指標的改進方法
　　該項指標與移動電話的通話時間和待機時間密切相關，它是廣大用戶最為關心的技術指標之一。
(1)選擇低功耗的ASIC解決方案(在DCI．8V下能工作，能進入RTC下的深睡眠狀態)。
(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)精心設計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)合理地設計LED的布局、數量、和照明時間，照明時間選擇l0秒左右即可。
　　通過大量的實際測量我們發現：不同型號的GSM移動電話在通話狀態下的工作電流相差不大(約2lomA／at level5 GSM)；但在待機狀態下的直流平均電流相差很大(可采用示波器和在整機回路中串入一個低阻值的高精度電阻來測量波形，然后通過計算占空比得到平均功耗)因此待機時間指標相差很遠。在這一方面，目前表現最好的產品是菲利蒲生產的PH-989(約2．8mA)。
3．7 發射機雜散指標的改進
　　移動電話的發射雜散指標在國家無線電管理委員會的型號核準測試中，是一項非常重要的、同時也是一項比較難通過的技術指標，所以應引起設計工程師足夠的重視。改進的辦法如下：
(1)改善調制頻譜的質量；
(2)改善開關頻譜的質量；
(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，特別是要注意二次和三次諧波的抑制指標是否滿足整機的設計要求；
(5)PA的帶外抑制指標(主要是二次諧波)是否滿足設計要求；
(6)PA輸入特別是PA輸出端的BPF或LPF的指標是否滿足設計要求；
(7) 發信機整體的EMC設計方案是否合理。