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使用频谱分析仪测量WCDMA基站发射机传导杂散的技术要点

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泰尔测试………………………・ V1_rI-Test 频输出口处测量。3GPP标准要求基站杂散发射的测 量从基站工作的第一个和最后一个载波偏移 移动通信网无线接入网络设备技术要求》中的 8.2.4.2.3,其中规定除了要满足B类要求外还应满 足表2中的要求。 12.5 MHz以外开始测量。而在基站工作频率偏移 ±12.5 MHz以内的无意发射,我们把它称为带外发 射。带外发射是由调制过程和发射机非线性引起的, 带外发射的测量参数包括频谱发射模版(spectrum emission mask)和邻道功率比(ACPR:Adjacent Chan— nel Power Ratio)。 2使用频谱分析仪测量杂散发射 需要考虑的问题 杂散发射使用频谱分析仪测量,从限值的要求我 们可以看出,WCDMA基站杂散的测试,要求频谱分析 仪具有良好的动态范围,尤其是在1 710—1 785 MHz 频段,WCDMA基站杂散的限值达到了一98 dBm,这 是一个很严酷的指标,而基站的发射功率最大为 杂散发射的测量频率范围是从9 kHz一12.75 GHz。3GPP TS25.104列出了两类基站杂散测量限 值。A类是通用和较为宽松的限值,B类限值适用于 欧洲,如表1中A类和B类两种限值的差别是23 dB。杂散限值都用dBm表示。 47 dBm,对于频谱分析仪来说,需要合理地进行设 置,才能完成测量。 除非特殊声明,杂散使用平均功率测量。3GPP 对于基站的一致性测试定义了4种测试模式,杂散 频谱分析仪的动态范围主要受以下几个因素的 测试使用测试模式1。除了3GPP的B类限值外,杂 散还应满足各国/地区的要求。同时,杂散的限值和 基站的工作频率有关,国内WCDMA使用的频段 为:(上行:移动台发射,基站接收) 影响:仪器固有的噪声本底,频谱分析仪测量低电平 的相噪特性和测量高电平时的压缩,其中,由于杂散 测量离载波的频偏较大,相噪特性对测量的影响较 小。 1922.4—1977.6MHz(下行:基站发射,移动台接 收)2112.4~2167.6 MHz。 通过分析频谱分析仪的技术指标,可以计算出 在杂散的不同测量频段,仪表的动态范围和本底是 否能满足测试要求。另外,杂散测试要求测量平均功 率,在测量时也要注意检波方式和测量点数的选择。 在我国,WCDMA型号核准的杂散测试依据的 限值是YD/T 1552—2007((2GHz WCDMA数字蜂窝 表1杂散限值 频带 9kHz-1 50kHz 1 50kHz一30HHz 30M Hz-1GHz 最大值 -36 dBm -36 dBm -36 dBm 测量带宽 1 kHz l0 kHz lO0 kHz 说明 Bandwidth as in ITU—R SM.329—7.s4.1 Bandwidth as 1n ITU—R SM.329—7.s4.1 Bandwidth as in ITU—R SM.329—7.s4.1 1GHz—Fcl一60MHz或21OOMHz(两者中的最大值) [Fcl一60MHz或21OOMHz](两者中的最大值) -30 dBm 25 dBm 1 MHz i MHz Bandwidth as in ITU—R SM.329—7.s4.1 Specification 1n accordance th ITU—R 到[Fcl一50MHz或21 OOMHz](两者中的最大值) [Fc1—50HHz或21OOMHz](两者中的最大值) 到[Fc2+5OMHz或2180MHz](两者中的最小值) [Fc2+5OMHz或2180MHz](两者中的最小值) SM.329-8,s4.3and Annex 7 1 5 dBm 1 MHz Specification in accordance with ITU—R SM.329—8,s4.3and Annex 7 25 dBm 1 MHz Specification in accordance with ITU—R 到[Fc2+6OMHz或2180MHz](两者中的最小值) SM.329—8,s4.3and Annex 7 Bandwidth as{n ITU—R SM.329—7.s4.1. [Fc2+6OMHz或2180 r-IHz](两者中的最小值)到1 2.75GH -30 dBm 1 MHz Upper frequency as in ITU—R SM.329—8, s2.5 table 1 注:Fcl为BS发射的第一个载波的中心频率 Fc2为BS发射的最后一个载波的中心频率  ̄,._。 M¥17August 2011……一……一一……一… 。...。 —…………………M粼 N0 v0FT 0MM UNI洲0Ns (1)最大混频器电平 看出,该频谱分析仪使用三级变频,每级混频器的 I dB压缩点不同。每一级混频器后都有一个带通滤 波器来抑制镜像信号。第一级滤波器的带宽是 50 MHz,这样,离输入信号(载波)50 MHz以外的信 号不会进入到第二级混频器,类似地,第二级混频器 后的带通滤波器的带宽是10 MHz,离输入信号(载 波)10 MHz以外的信号不会进入到第三级混频器, 在第三级中频上,滤波器为200 kHz一5 MHz。之后, 首先,从动态范围的高端考虑,在进行杂散测试 时,为了获得最大的动态范围,频谱分析仪的混频器 处的电平应在不压缩输入信号的情况下尽可能的 大。输入混频器处的电平等于输入信号的电平减去 频谱分析仪输入衰减器的值。换句话说,测量时,频 谱分析仪的输人衰减应设置得尽量小(在不发生信 号过载和功率压缩的前提下)。 最大混频器平实际上和测量的频点有关,测量 频率距输入信号的频偏会导致最大混频器平的变 化。这和频谱分析仪的结构有关,由图1为例进行说 明。 信号被对数放大和数字化。 图1中标出了每一级混频器的1 dB压缩点。偏 离载波频率50 MHz的信号只会加载到第一混频器 上。当测量频率离载波频率越来越近时 图1为某个型号的频谱分析仪(不同的频谱分 析仪,混频级数和频点不同)的简化框图,图中可以 (50 MHz一20 MHz之间),加载到第二混频器上的功 率电平越来越大,第一级滤波器不再对测试信号进 行衰减。当测试频率小 于20 MHz时候,第三级 混频器上加载的信号功 率电平也会越来越大, 此时,最大混频器电平 P1,z=13 dBm P ̄=10 dBm P1∞=3 dBm 也应该考虑第三级混频 器的1 dB压缩点。 图1频谱分析仪前端简化框图 表2特殊频段的抑制保护 频段 最大电平 测量带宽 备注 1 920-1 980MHz 1 920-1 980MHz 921-960MHz 876—91 5MHz 1 805—1 850MHz 1 710一I 755MHz 1 755—1 785MHz -96 dBm -49 dBm -57 dBm -98 dBm -47 dBm -98 dBm -96 dBm 1OO kHz 1 MHz 1OO kHz 1O0 kHz 1OO kHz l0O kHz lO0 kHz BS接收频段,或与cdma2000 BS共站时 与cdma2000 BS共存时 与GSM900共存时 GSM900 BTS与UTRA Node B共址时 与DSCl800共存时 DSC1800 BTS与UTRA Node B共址时 2GHz频段BS与补充频段BS共址时 1 850—1 880MHz -52 dBm 1 MHz 2GHz频段UTRA—FDD与补充频段UTRA—FDD共存时 1 893.5—1 91 9.6MHz 2 100—2 105MHz -41 dBm 一30+3.4(f-21OOMHz)dBm 300 kHz 1 MHz 与PHS共存时 与邻频带业务共存时 2 l 75—2 I80MHz 1 88O一1 920MHz -30+3.4(2l80MHz—f)dBm 1 MHz 与邻频带业务共存时 2 010—2 025MHz 52 dBm 1 MHz 与TD—SCDMA BS共存时 l 88O一1 920MHz 2 0lO一2 025MHz 2 300-2 400MHz 2 300—2 400MHz -86 dBm -52 dBm -86 dBm 1 MHz 1 MHz i MHz 与TD—SCDMA BS共址时 与TD—SCDMA BS共存时 与TD—SCDMA BS共址时 …… 曼曼塑堡墨 9 泰尔测试………………………・ VTTL Test 为了正确地进行杂散测量,输入信号应设置成 低于频谱分析仪1 dB压缩点的某个值。0.2 dB去敏 点(desensitization point)是一个合理的值。desensi— 正。例如:当仪表的技术指标给出的DANL指标为 lO Hz下的值时,实际测量的噪声电平应该根据下 式计算: tization point的意思是对低电平信号测量影响低于 0.2 dB时的混频器处的电平。 DANE(n Hz)=DANL(10Hz)+10.1og RBW/Hz l(1) 当使用1 MHz的RBW时候,噪声电平会比技 术指标里给出的lO Hz下的DNAL高5O dB。仪表技 —’__- _ —~ -I 1-’’-_ 、 、 、 、 ''∞■电 1 I f f | l | f \ ofI‘.^ a婚‘■>lt o_* ∞l舱、 峨hPf¨ 婶o’II -30 -25 -20 —15 —10 —5 0 5 ’O ————————— 混频器电平/dBm 图2某个型号频谱分析仪的去敏点/混频器电平曲线 结合一个实际的例子来分析。如图2所示,是某 个型号频谱分析仪的去敏点/混频器电平曲线。图 中可以看出,测量偏离载波20 MHz的CW信号时, 输入混频器处的电平为大约3 dBm时候会对测量 结果带来约0.2 dB的影响。换句话说,当混频器处 电平为3 dBm时候,杂散的测量结果会因为频谱仪 的压缩降低约0.2 dB,在实际测试中,这是一个可以 接受的测量误差,尤其是考虑到由于频谱仪的固有 噪声会使杂散测量的显示电平结果增大。另外,应注 意WCDMA信号的峰值功率比平均功率高(因子 8一l0 dB)很多,当测量离载波很近的信号时候,峰值 信号可能会带来仪表的“overload”显示。 (2)噪声门限 频谱分析仪的噪声门限是影响动态范围低端值 的一个重要因素。为了使频谱分析仪的热噪声对测 量结果的影响小于0.5 B,被测信号应具有至少1O dB的信噪比,也就意味着测量杂散信号时,频谱分 析仪的噪声门限电平最好应比杂散的限值低l0 B。 频谱分析仪的噪声门限电平(DANL)在仪表的技术 手册中可以查到。测量杂散时的频谱分析仪实际噪 声电平需要根据测量时的分辨力带宽RBW进行修 《 兰 Q三 ………………… 术手册里给出的DANL值是在取样(sample)检波下 进行视频或轨迹平均测试得的,考虑到对数和平均 过程,DANL实际比噪声功率低2.51 dB,在计算杂 散测试的仪表本底是否能满足测试要求时,要考虑 这个转换系数。 频谱分析仪的固有噪声功率和分辨力带宽 RBW和参考电平有关。不同RBW下的噪声特性会 ^ ●●●●● 6 5 4 3 2 1 O 1 O 一 影响频谱分析仪的固有噪声功率;而改变参考电平, 会对最后中频部分的中频放大的增益带来影响,同 样会影响频谱分析仪的固有噪声功率。 相对噪声电平/dB 01 0.1 1 10 100 1000 10000 100000 RBWnHz 图3固有的噪声功率电平相对于RBW的变化 (以1OkHzRBW为参考) 图3显示了某个型号频谱分析仪不同RBW下 频谱分析仪噪声的变化,三角形的点是3GPP杂散 测量时候用到的RBW。通常,由于A/D转换器的噪 声,100 kHz以下的数字滤波器(RBw)比模拟滤波 器带来更多的噪声。 在衰减固定的条件下,通常参考电平越高,频谱 分析仪噪声也越高。图4中显示了某个型号频谱分 析仪的噪声一参考电平曲线。 由图4可以看出,为了获得更低的频谱分析仪 本底噪声,应该尽可能的降低参考电平。 (3)频谱仪的失真 …………………■■f●,●●●●.●●●●●●●● ∞ 嚣 船 幅 坩 5 0 固有噪声门限电平/dB RB ,I =3O 电 / 一一 ‘ 一一 一一 一一 一一 一一 一 _ : 'l ^H Z 。锄 40 -伸 参考电平/dBm 图4固有噪声门限电平相对于参考电平的关系 (以一30dBm参考电平下的噪声为参考值) 如前所述,杂散的测量需要频谱仪的动态范围 尽可能的高。为了达到高动态范围,要提高混频器电 平,但是很高的电平会带来频谱分析仪内部的非线 性失真,这同样也会影响测量结果,降低杂散测量的 动态范围。主要的杂散产物有三阶互调产物和谐波 产物。互调产物靠近载波,会影响ACPR等测量,而 谐波失真产物对杂散测量影响较大。 杂散测试中不仅受到输入信号谐波的影响,输 入信号和频谱分析仪内部本振混频产生的谐波失真 产物也会对杂散测试带来影响。在混频器处对产生 杂散信号贡献最大的是输入信号和第一本振的二, 三次谐波,输入信号和第一本振的二次谐波所产生 的杂散信号的频率如下式: 1el 0uS舵 (z2)=2xF (2) … Spurious rfequency(2,2)为产生的杂散信号频 率,F in=输入信号的频率,1st IF=频谱分析仪的 第一中频频率,次要的杂散信号是输入信号的三次 谐波和本振的二次谐波产生的: Spuriousfrequency(3,2)=1.5×F .1stIF2(3) Spurious rfequency(3,2)为产生的杂散信号频 室 Fin=输入信号的频率 1st IF=频谱分析仪的第一中频频率 这些杂散信号的电平与输入信号的功率有关。 M N0啪v0FTELEc0MMuN Ns 根据这一特性,适当降低输入信号功率可以优化动 态范围,使频谱分析仪内部产生的失真低于或者等 于噪声本底。 (4)平均功率测量和RMS检波 杂散发射测量要求测量平均功率。对于噪声和 调制信号,峰值检波是不合适的,因为峰值功率并不 代表信号平均功率。我们可以使用取样或RMS检波 器进行测量。 现在的频谱分析仪在CRT上显示信号的频谱 波形,他的特点是无论是频率轴还是时间轴,显示的 样点数都是有限的,有限的频率分辨率会导致“丢失 信号”尤其是象杂散测试这样在一个很宽的频率范 围(sPAN)下用很窄的RBW进行测量时。对于每一 个显示在屏幕上像素点功率值的取值,是和检波和 平均方式有关的。对于取样检波器,在一个像素点 内,对信号包络只进行一次采样,对于RMS检波,对 信号包络以采样速率进行采样,所有采样的点的电 平进行RMS计算。 :Pixei N :Pixel N+I:Pixel N+2: f 图5取样(sample)和RMS检波方式的不同 图5显示了RBW的宽度远小于像素点宽度的 情况。像素点宽度可以通过下式计算:像素点宽度 =SPAN/样点数 使用取样检波器时,A/D转换器在每个像素宽 度内只取样一次,例如像素宽度内的最后一个点。这 样当然会导致信息的丢失,因为一个像素宽度内的 所有信号功率被最后一个点的功率所代替,最后显 …~ 墨曼曼塑垦 璧 i0 示的信号波形也取决于像素的个数。但是很多频谱 分析仪在进行非连续波(Cw)测试时,如进行噪声或 V1_rL Test 泰尔测试………………………・ 者数字调制信号测试时只能选择取样检波器。使用 RMS检波器的时候,频谱分析仪显示的像素点的功 率值是像素宽度内所有信号的RMS功率值。RMS 计算的电平测量误差与像素点宽度/RBW有关,图 3杂散限值与频谱分析仪动态范 围的估算 如前所述,频谱分析的动态范围可以估计出来, 6显示的是某个型号频谱仪电平误差和像素点宽度 他主要受限于这两点:混频器不产生信号压缩的电 /RBW的关系。 U —— ‘~ 电平 \、 --误差 0.1 ,dB -0.2 \ -0.3 X —0.4 \ -0.5 -0.6 \ .7 \ -0.8 \ —0.9 \ 0 0・1 0.2 0.3 : 像素点宽度/ItBw 图6电平误差和像素点宽度/RBW的关系 以图6为例,像素点宽度/RBW比大约0.23的 时候,会带来电平测量误差0.2dB。在仪表默认的情 况下,都有一个标准的测试点数,SPAN会受限于在 此情况下的功率测量误差。RBW为1 MHz,测量点 数为625的时候,最大的SPAN为140 MHz。所以, 测量一个很宽的频率范围的时候,为了保证测量精 度,最好分成几个频率子段进行测试。或者,手动设 置增加频谱分析仪每次扫描的的测量点数(例如, R&S公司FSU标准测量点数为625,最大为10001, Agilent公司的E444OA最大测量点数为8192),这 样,测试频率跨度很大时,就算进行全频段一次扫描 测量,用RMS检波也不会出现问题。根据允许的测 量误差,所需要的测量点数可以如下计算出来。 (1)先决定一个可接受的测量误差,如O.2 dB。 (2)对照上图,发现此时的像素点宽度/RBW 比大约需要0.23 (3)根据下式计算需要的测量点数: 测量点数=SPAN/O.23 x RBW 例如,对此型号的频谱仪,1 GHz的SPAN,1 MHz 的RBW的条件下,需要最小4348的测量点数。  ̄MSTTAugust2Oll……一……一……一 1——_iii冀iiiiiiir………平,大信号情况下的噪声本底。 我们以某个型号的频谱仪为例进行说明,根据 技术指标,该频谱仪的混频器ldB压缩点为2 dBm, 相对于47 dBm的基站发射功率,要求45dB的衰减 (基站输出47 dBm一45 dB=2 dBm)。但是,由于 WCDMA信号具有很高峰值功率的特性,此时,频谱 分析仪会出现overload的过载提示,虽然这基本不 会对最终测试结果产生影响。为了避免出现过载提 示,可以将输入衰减增加5 dB左右。我们以FSU为 例(DANL=一145 dBm/10 Hz)来计算频谱分析仪 1 MHz的RBW时的本底(基站输出功率为47 dBm, 衰减设置为45 dB): DAN-L=一145dBm+50dB+2.5dB=.92.5dBm (4) 式中,DANL=显示平均噪声门限电平 一145 dBm=FSU的DNAIJ,10Hz 5O dB=10 x log(1 MHz/10 Hz) 2.5 dB=DNAL到RMS功率的转换系数 考虑到使用了45 dB的衰减器,它同时衰减了 载波信号和杂散信号,频谱分析仪测量杂散的实 际本底为一92.5+45=一47.5 dBm。这离B类限值 里1 MHz最严酷的要求一30 dBm还有l7.5 dB的裕 量,显然,只用频谱分析仪是可以完成测试的。接下 来我们考虑最严酷的情况,系统间共存时的杂散限 值要求如表3所示。 表3系统共存的杂散限值要求 频段 限值 最大值 测量带宽 876GSMg00 BTS与 UTRA -915 MHz -98d Bm lO0 kHz Node B共址时 1805-1850 MHz -47 dBm 1O0 kHz 与DCSl800共存时 l 7l0一l 755 blHz -98 dBm lO0 kHz N与DCS1800 BTS与UTRA ode B共址时 ……………………M №啪v0FT 此时的动态范围要求是频谱分析仪达不到的。 表4不同扫频段的最低样点数 Band 9kHz<一>150kHz 1 50kHz<一>30MHz 30M Hz<一>1GHz 1G Hz<一>2.1GHz 2.18G Hz<一>12.75GHz Minimum number of point 613 12 979 421 73 4 783 45 957 所以必须使用陷波滤波器。现在频谱分析仪都具有 预放选件,由于限值很低,此项测试还需要打开预 放。我们仍以前面的条件为例: DANL=一157dBm+40dB+2.5dB=一114_5dBm DANL=显示平均噪声门限电平,一152 dBm =FSU的DNAL/10Hz,打开预放(Preamp ON),40 dB =10 X log(100 kHz/10 Hz),2.5 dB=DNAL到 RMS功率的转换系数,又假设实际测试用使用1O dB 的衰减器,频谱分析仪测量杂散的实际本底为 一下的测量结果,测量样点数是应该仔细考虑的。以前 节所述为例,测量时每次扫描频谱分析仪的样点数 不应低于下表4中数据。 l14.5+10=一104.5 dBm,离一98 dBm的限值为 6.5 dB。考虑到FSU在开预放时,输入功率为最高 一频谱分析仪的点数是有上限的,一般都比 10000低,因此应注意,在测量点数达不到上表要求 下,为了准确测量,测试时应分段进行扫描。 衄 20 dBm,基站输出信号47dBm经过10dB衰减后为 37 dBm,此时陷波滤波器对载波的衰减最小应为 37 dBm一(一20 dBm)=57 dB 参考文献 [1】张睿,周峰,郭隆庆.无线通信仪表与测试应用[M】.北京:人民邮电 出版社,2010. 4杂散测试系统示例 图7为杂散测试的实际系统。基站的输出口需 [21 Agilent公司.更好地进行频谱分析的8项提示. 【3]罗德与施瓦茨有限公司.频谱分析仪原理. [4】泰克公司.使用实时频谱分析仪调试和检定宽带RF系统. [5】罗德与施瓦茨有限公司.用频谱分析仪测量脉冲信号功率操作说 明书. 要很好的负载匹配,来保证输出放大器的稳定工作。 因此,基站输出首先连接到10 dB的衰减器,来为基 站提供宽带负载并且起到衰减基站信号的作用。根 据前面的计算,发射频带和基站接收带外的杂散可 以用频谱分析仪和衰减器直接测量,此时候,除掉通 路中已有的40 dB衰减,频谱分析仪的输入衰减还 应该合理设置以保证混频器和预放不过载。当测量 共存频带的杂散时,需要使用带阻滤波器。 共存频段之外频段的杂散测量频率跨度很大, (9 kHz to12.75 GHz),为了更准确地获得RMS检波 图7杂散测试系统 …一 墨 塑 塑 0 

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