手機(jī)輻射功率和接收機(jī)特性測量技術(shù)

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

在現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)中，好的輻射特性是手機(jī)有效工作的關(guān)鍵。目前手機(jī)的尺寸越來越小，出現(xiàn)的經(jīng)常折衷輻射特性的情況，例如以一個很小的尺寸完成有效的天線并同時覆蓋蜂窩和PCS頻率是非常困難的。一個全面的精確的輻射特性，可以幫助設(shè)計師和制造商確定手機(jī)在限制的蜂窩網(wǎng)絡(luò)設(shè)計特性范圍內(nèi)工作。

通常手機(jī)的射頻指標(biāo)測量分為接收機(jī)和發(fā)射機(jī)兩部分。對于接收機(jī)來說，主要通過測量BER或FER來測量接收機(jī)的靈敏度，以及RXQual和RXLev等參數(shù)。

對于發(fā)射機(jī)來說主要測量發(fā)射功率以及發(fā)射頻譜，雜散等參數(shù)。這些指標(biāo)參數(shù)通常是先用一個手機(jī)天線適配器通過有線的連接方式連接到手機(jī)綜測儀上，呼叫連接的建立是通過有線的方式。這樣天線對于指標(biāo)的影響是不能體現(xiàn)的。

一般地，峰值EIRP不是手機(jī)特性的一個好的指標(biāo)說明。例如，如果手機(jī)天線系統(tǒng)的輻射方向圖是高有向性的，峰值EIRP則高(由于天線增益在某個方向上高)，其他方向則覆蓋不好。在蜂窩環(huán)境中，天線系統(tǒng)的空間覆蓋最大化是最好的。這樣用戶不用把天線指向某個特殊方向就可以得到好的呼叫特性。

另外，人的頭部會改變天線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(shè)備尺寸和天線設(shè)計非常有意義。從場的特性來看，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(biāo)準(zhǔn)要求測量球坐標(biāo)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(jī)的特性對于整個手機(jī)系統(tǒng)也很重要。差的接收機(jī)特性會使用戶收聽到很低質(zhì)量的聲音信號，甚至使用戶丟失基站信息并造成終止呼叫。差的接收機(jī)靈敏度經(jīng)常是由于發(fā)射機(jī)發(fā)射的內(nèi)部噪聲和雜散信號回饋到接收機(jī)內(nèi)部造成的。因此，CTIA標(biāo)準(zhǔn)要求：在發(fā)射機(jī)最大發(fā)射功率下測量接收機(jī)靈敏度。并要求測量球坐標(biāo)下的手機(jī)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(guī)定了一種稱為大環(huán)法的測量方法，如圖3所示。對于TIS測量，需要6個大環(huán)切面完成3D球坐標(biāo)的測量。角圍繞垂直轉(zhuǎn)臺平面的軸旋轉(zhuǎn)，每隔30度取一個測量點，起始點如圖4所示。同樣角圍繞水平轉(zhuǎn)臺平面的軸旋轉(zhuǎn)。

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

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

如果被測手機(jī)支持多空中接口技術(shù)，可以依此對每個標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測量。首先進(jìn)行空間損耗的測量，然后進(jìn)行系統(tǒng)信號通路的校準(zhǔn)，將校準(zhǔn)值記錄。

選擇相應(yīng)的通信標(biāo)準(zhǔn)，通過綜測儀與手機(jī)建立呼叫，然后在需要的頻率點上進(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(yīng)的通信標(biāo)準(zhǔn)，通過綜測儀與手機(jī)建立呼叫，然后在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的頻段內(nèi)取三個頻率點，分別為高，中，低，然而進(jìn)行FER或BER的測量。如果BER或FER超過規(guī)定值，增加綜測儀的輸出功率，直到達(dá)到規(guī)定的BER或FER。記錄相應(yīng)的被測手機(jī)的輸出電平。測試方法按照第二部分進(jìn)行，每個規(guī)定的位置上每個頻率點都要做靈敏度的測量。

TS9970是RS公司專門用于測量手機(jī)的RF特性的測量系統(tǒng)。在實際條件下，對手機(jī)發(fā)射和接收部分通過空中接口進(jìn)行RF指標(biāo)的測量。能夠按照上述的方法和定義自動TRP和TIS的測量。

TS9970可以支持如下標(biāo)準(zhǔn):

GSM 400， 850， 900， 1800， 1900

CDMA / CDMA2000 800， 1900

TDMA 800， 1900

AMPS

GPRS

Bluetooth

W-CDMA (UMTS)

同時可以測量固定電平下的BER或FER，以及要求達(dá)到的BER時的接收電平。測試系統(tǒng)由手機(jī)綜測儀CMU200、頻譜儀FSx、信號源SMx、RF分路開關(guān)以及轉(zhuǎn)臺控制器組成。其中手機(jī)綜測儀CMU200用于通過空中接口與被測手機(jī)建立連接，使被測手機(jī)處于實際工作狀態(tài)。頻譜儀用于測量當(dāng)通信連接建立后天線的方向圖以及信號通路和空中衰減的校準(zhǔn)。信號源用于信號

通路和空中衰減的校準(zhǔn)。系統(tǒng)構(gòu)成如下圖5所示。

TS9970的實際應(yīng)用

我們分別以GSM的輻射功率測量和CDMA的接收機(jī)測量為例，介紹TS9970的實際應(yīng)用。

1. GSM1900的輻射功率測量

由于GSM1900采用的是恒包絡(luò)調(diào)制技術(shù)(GMSK)的TDMA技術(shù)，最小的測量功率由一個有效的時隙中心的85%的線性平均給定。多于一個時隙的平均會減小測量精度。一個有效時隙的定義寬度為0。577(10%，頻譜分析儀必須設(shè)置到零跨度，同時使用視頻觸發(fā)，視頻帶寬設(shè)到300kHz，掃描時間設(shè)置到在脈沖中心85%的跨度上至少300個采樣點，通常0。65ms的設(shè)置對于頻譜儀來說是比較適合的。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的時隙電平接近觸發(fā)電平，會產(chǎn)生雜散觸發(fā)，這樣減小零數(shù)據(jù)引起的觸發(fā)。

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

按照圖3、圖4的配置設(shè)置好，分別在軸和軸進(jìn)行采樣測量，其中軸每旋轉(zhuǎn)一次采樣24個點，軸每旋轉(zhuǎn)一次采樣12個點。測量結(jié)束后將采樣測量數(shù)據(jù)帶入公式(1)中，計算出輻射功率和。每個頻率點都要做一次這樣的測量。

注：CDMA采用數(shù)字?jǐn)U譜技術(shù)，基站通過發(fā)送“升”和“降”來動態(tài)管理功率控制，以保持在要求的范圍內(nèi)的接收功率。最大發(fā)射功率是通過連續(xù)發(fā)送“升”位信號，幾ms后達(dá)到最大功率。

為覆蓋擴(kuò)譜的范圍，接收機(jī)前端采用寬的帶寬是必要的。數(shù)字包絡(luò)會引起峰值檢波器的讀數(shù)過高，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(shè)置到零跨度，分辨帶寬3MHz，視頻帶寬1kHz，掃描時間最小100ms，接收到的信號必須穩(wěn)定以得到可用的結(jié)果。

2. CDMA接收機(jī)特性的測量

CDMA接收機(jī)靈敏度的測量需要通過基站模擬器來定義接收機(jī)的靈敏度，當(dāng)接收機(jī)在0.5%的FER或95%的置信度時記錄最小前向聯(lián)結(jié)功率。設(shè)置按照如下參數(shù)設(shè)置：

(1) 前向聯(lián)結(jié)功率:-75dBm

(2) 功率控制:閉環(huán)控制

(3) 其他參數(shù)按照被測手機(jī)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)(IS95，CDMA0NE，CDMA2000)進(jìn)行設(shè)置。

如果測試點發(fā)生在零符號時，前向功率會增加，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(shù)字語音信道，調(diào)用FER測試。觀測到的幀數(shù)要和95%的置信電平一致，但最大不能超過2000幀。當(dāng)RF電平接近CDMA靈敏度電平時，調(diào)整的功率步進(jìn)值不能大于0。5dB。當(dāng)每個測試點的最終靈敏度找到后，功率控制設(shè)置為總升狀態(tài)(always up)。每次更換測量頻點前，前向聯(lián)結(jié)功率和功率控制必須設(shè)回初始狀態(tài)。

測試過程按第三部分?jǐn)⑹龅倪M(jìn)行。其中軸每旋轉(zhuǎn)一次采樣12個點，軸每旋轉(zhuǎn)一次采樣6個點。測量結(jié)束后將采樣測量數(shù)據(jù)帶入公式(2)中，計算出TIS。

3. GSM、3GPP雙模手機(jī)

目前國內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)GSM、3GPP雙模手機(jī)。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(jī)的研發(fā)和生產(chǎn)。因此TS9970可以支持GSM、3GPP雙模手機(jī)，系統(tǒng)的控制軟件正在開發(fā)中。

本文小結(jié)

TS9970不僅能夠測量手機(jī)的RF特性，幫助手機(jī)的設(shè)計師提高產(chǎn)品的性能指標(biāo)，增加手機(jī)的市場競爭力。同時能夠作為CTIA的標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證測試系統(tǒng)使用。在移動通信迅速發(fā)展的今天，綠色手機(jī)、環(huán)保手機(jī)越來越受到設(shè)計部門、制造廠商和用戶的重視，特別是電磁兼容的問題也更加突出，因此各種體制的手機(jī)的無線射頻指標(biāo)也將成為評價手機(jī)的重要部分。