- 探討手機(jī)射頻特性測(cè)量解決方案及應(yīng)用
- 采用大環(huán)法的測(cè)量方法
- 采用TS9970能夠測(cè)量手機(jī)的RF特性
手機(jī)射頻特性測(cè)量解決方案包括輻射功率和接收機(jī)特性的測(cè)量，本文介紹了測(cè)試原理和測(cè)試系統(tǒng)的組成以及測(cè)試過(guò)程，同時(shí)介紹了在GSM、CDMA等測(cè)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(lái)越小，出現(xiàn)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(shè)計(jì)師和制造商確定手機(jī)在限制的蜂窩網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)特性范圍內(nèi)工作。
通常手機(jī)的射頻指標(biāo)測(cè)量分為接收機(jī)和發(fā)射機(jī)兩部分。對(duì)于接收機(jī)來(lái)說(shuō)，主要通過(guò)測(cè)量BER或FER來(lái)測(cè)量接收機(jī)的靈敏度，以及RXQual和RXLev等參數(shù)。
對(duì)于發(fā)射機(jī)來(lái)說(shuō)主要測(cè)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(gè)手機(jī)天線適配器通過(guò)有線的連接方式連接到手機(jī)綜測(cè)儀上，呼叫連接的建立是通過(guò)有線的方式。這樣天線對(duì)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(gè)好的指標(biāo)說(shuō)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(gè)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(gè)特殊方向就可以得到好的呼叫特性。
另外，人的頭部會(huì)改變天線的輻射方向圖的形狀和峰值。因此頭部引起的損耗對(duì)于頻率，設(shè)備尺寸和天線設(shè)計(jì)非常有意義。從場(chǎng)的特性來(lái)看，測(cè)量頭部模型下的平均和峰值EIRP比在空間條件下測(cè)量峰值EIRP更有意義。CTIA標(biāo)準(zhǔn)要求測(cè)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(duì)于整個(gè)手機(jī)系統(tǒng)也很重要。差的接收機(jī)特性會(huì)使用戶收聽(tīng)到很低質(zhì)量的聲音信號(hào)，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(hào)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(cè)量接收機(jī)靈敏度。
大環(huán)法的測(cè)量方法
CTIA規(guī)定了一種稱為大環(huán)法的測(cè)量方法，對(duì)于TIS測(cè)量，需要6個(gè)大環(huán)切面完成3D球坐標(biāo)的測(cè)量。角圍繞垂直轉(zhuǎn)臺(tái)平面的軸旋轉(zhuǎn)，每隔30度取一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，起始點(diǎn)如圖4所示。同樣角圍繞水平轉(zhuǎn)臺(tái)平面的軸旋轉(zhuǎn)。
對(duì)于TRP測(cè)量，需要6個(gè)大環(huán)切面完成3D球坐標(biāo)的測(cè)量。圍繞垂直轉(zhuǎn)臺(tái)平面的軸旋轉(zhuǎn)，每隔15度取一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，起始點(diǎn)如圖4所示。
手機(jī)的射頻特性測(cè)量不僅要求在無(wú)線連接模式下進(jìn)行，同時(shí)要求模擬人的頭部對(duì)各項(xiàng)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(duì)電磁輻射場(chǎng)的影響。表1是填充液的比例。
如果被測(cè)手機(jī)支持多空中接口技術(shù)，可以依此對(duì)每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)量。首先進(jìn)行空間損耗的測(cè)量，然后進(jìn)行系統(tǒng)信號(hào)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(guò)綜測(cè)儀與手機(jī)建立呼叫，然后在需要的頻率點(diǎn)上進(jìn)行輻射功率的測(cè)量。測(cè)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(guò)綜測(cè)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(gè)頻率點(diǎn)，分別為高，中，低，然而進(jìn)行FER或BER的測(cè)量。如果BER或FER超過(guò)規(guī)定值，增加綜測(cè)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(cè)手機(jī)的輸出電平。測(cè)試方法按照第二部分進(jìn)行，每個(gè)規(guī)定的位置上每個(gè)頻率點(diǎn)都要做靈敏度的測(cè)量。
TS9970是R&S公司專門(mén)用于測(cè)量手機(jī)的RF特性的測(cè)量系統(tǒng)。在實(shí)際條件下，對(duì)手機(jī)發(fā)射和接收部分通過(guò)空中接口進(jìn)行RF指標(biāo)的測(cè)量。能夠按照上述的方法和定義自動(dòng)TRP和TIS的測(cè)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(shí)可以測(cè)量固定電平下的BER或FER，以及要求達(dá)到的BER時(shí)的接收電平。測(cè)試系統(tǒng)由手機(jī)綜測(cè)儀CMU200、頻譜儀FSx、信號(hào)源SMx、RF分路開(kāi)關(guān)以及轉(zhuǎn)臺(tái)控制器組成。其中手機(jī)綜測(cè)儀CMU200用于通過(guò)空中接口與被測(cè)手機(jī)建立連接，使被測(cè)手機(jī)處于實(shí)際工作狀態(tài)。頻譜儀用于測(cè)量當(dāng)通信連接建立后天線的方向圖以及信號(hào)通路和空中衰減的校準(zhǔn)。信號(hào)源用于信號(hào)通路和空中衰減的校準(zhǔn)。
我們分別以GSM的輻射功率測(cè)量和CDMA的接收機(jī)測(cè)量為例，介紹TS9970的實(shí)際應(yīng)用。
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1. GSM1900的輻射功率測(cè)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(cè)量功率由一個(gè)有效的時(shí)隙中心的85%的線性平均給定。多于一個(gè)時(shí)隙的平均會(huì)減小測(cè)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(shè)置到零跨度，同時(shí)使用視頻觸發(fā)，視頻帶寬設(shè)到300kHz，掃描時(shí)間設(shè)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(shè)置對(duì)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?yàn)槿绻鸊SM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(shù)據(jù)引起的觸發(fā)。
通過(guò)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(yǔ)音通道。測(cè)試在手機(jī)支持的頻段上三個(gè)不同的頻率對(duì)進(jìn)行，如下表定義的頻率點(diǎn)：
按照配置設(shè)置好，分別在軸和軸進(jìn)行采樣測(cè)量，其中軸每旋轉(zhuǎn)一次采樣24個(gè)點(diǎn)，軸每旋轉(zhuǎn)一次采樣12個(gè)點(diǎn)。測(cè)量結(jié)束后將采樣測(cè)量數(shù)據(jù)帶入公式(1)中，計(jì)算出輻射功率和。每個(gè)頻率點(diǎn)都要做一次這樣的測(cè)量。強(qiáng)化DVT團(tuán)隊(duì)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(shè)計(jì)確認(rèn)測(cè)試),DVET（Design Verification Test,設(shè)計(jì)驗(yàn)證測(cè)試）
TR（Technology Review,技術(shù)評(píng)審） LLD（Low Level Design,詳細(xì)設(shè)計(jì)） 模塊測(cè)試 單板測(cè)試 系統(tǒng)測(cè)試 設(shè)計(jì)驗(yàn)證 系統(tǒng)驗(yàn)證DVT (Design Validation Test,設(shè)計(jì)確認(rèn)測(cè)試)團(tuán)隊(duì)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(nèi)部系統(tǒng)驗(yàn)證測(cè)試（功能類(lèi)）和外部認(rèn)證（外部組織測(cè)試所有性能類(lèi)指標(biāo)），BETA用戶驗(yàn)證。它的功能表現(xiàn)主要是各種認(rèn)證測(cè)試方面，內(nèi)部驗(yàn)證的功能淺表化，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(rèn)證測(cè)試的組織。這里提出一種新的研發(fā)DVET（Design Verification Test,設(shè)計(jì)驗(yàn)證測(cè)試）團(tuán)隊(duì)模式，可以大大改善產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中的設(shè)計(jì)驗(yàn)證能力，極大提高產(chǎn)品開(kāi)發(fā)效率，增強(qiáng)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的設(shè)計(jì)規(guī)范性和透明度，減少在認(rèn)證測(cè)試階段和BETA驗(yàn)證階段的出錯(cuò)率和重復(fù)率。
職能定義
首先明確的是，這種新的DVET團(tuán)隊(duì)不是一個(gè)單純的測(cè)試團(tuán)隊(duì)，也可以說(shuō)它不是一個(gè)以測(cè)試為目的的團(tuán)隊(duì)，測(cè)試是它的一部分手段，DVET的側(cè)重點(diǎn)在于發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和改進(jìn)問(wèn)題，制定相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)則形成開(kāi)發(fā)慣性，減少重復(fù)錯(cuò)誤，從而提高開(kāi)發(fā)效率。這個(gè)團(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)功能。所謂的DVET（Design Verification Test, 設(shè)計(jì)驗(yàn)證測(cè)試），即是對(duì)產(chǎn)品或項(xiàng)目在開(kāi)發(fā)過(guò)程中的設(shè)計(jì)項(xiàng)目（包括所有的軟硬件模塊/單板/整機(jī)系統(tǒng)等）進(jìn)行性能和功能的測(cè)試驗(yàn)證，并對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行總結(jié)，提出相應(yīng)的改進(jìn)建議，制定相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)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(shè)計(jì)成形后進(jìn)行漫長(zhǎng)的測(cè)試和調(diào)試過(guò)程。它也可以包括后期的BETA測(cè)試和認(rèn)證測(cè)試功能。圖2,功能分類(lèi)
組織結(jié)構(gòu)
從組織形式上來(lái)說(shuō)，DVET是一個(gè)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)類(lèi)或者一個(gè)高級(jí)測(cè)試類(lèi)團(tuán)隊(duì)，它要求團(tuán)隊(duì)成員具有豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和測(cè)試經(jīng)驗(yàn)。一個(gè)能夠勝任DVET團(tuán)隊(duì)工作的軟件類(lèi)成員應(yīng)該首先是一個(gè)優(yōu)秀的軟件工程師，其次還應(yīng)該具有非常好的測(cè)試知識(shí)，他能夠在每一個(gè)軟件模塊中找到錯(cuò)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(yīng)的編程規(guī)范和設(shè)計(jì)要求下自主改進(jìn)相應(yīng)的程序，當(dāng)然也必須具有制定相應(yīng)的編程規(guī)范和設(shè)計(jì)要求的能力。同樣，一個(gè)能夠勝任DVET團(tuán)隊(duì)工作的硬件類(lèi)成員應(yīng)該首先是一個(gè)優(yōu)秀的硬件工程師，同時(shí)還應(yīng)該具有非常豐富的模塊和系統(tǒng)測(cè)試知識(shí)，他能夠在硬件設(shè)計(jì)的每一步中（不管是原理圖，PCB制板或半成品單板或整機(jī)）中找到錯(cuò)誤與缺陷，指出其改進(jìn)方法，并能制定相應(yīng)的硬件設(shè)計(jì)規(guī)范。這樣看來(lái)，一個(gè)最小化的DVET團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)該是3個(gè)人，一個(gè)SVE軟件驗(yàn)證工程師（Software Verification Engineer）,一個(gè)HVE硬件驗(yàn)證工程師（Hardware Verification Engineer）,一個(gè)SAE系統(tǒng)認(rèn)證工程師(System Authentication
Engineer)。所有的DVET工程師都應(yīng)該獨(dú)立于設(shè)計(jì)和QA之外，它是一個(gè)處在QA和設(shè)計(jì)工程師之間的流程，它負(fù)責(zé)向設(shè)計(jì)工程師提供改進(jìn)建議和設(shè)計(jì)規(guī)范，也負(fù)責(zé)向QA工程師提供符合設(shè)計(jì)規(guī)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(tuán)隊(duì)上拓展而來(lái)，行政上屬于Test & Quality control Dept.，業(yè)務(wù)上主要與項(xiàng)目經(jīng)理、設(shè)計(jì)工程師、QATeam
聯(lián)系。最重要的一點(diǎn)，所有的項(xiàng)目開(kāi)發(fā)都必須邀請(qǐng)DVET團(tuán)隊(duì)參加，而且相應(yīng)的DVET團(tuán)隊(duì)成員還應(yīng)該是項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的核心小組成員。圖3，組織結(jié)構(gòu)形式；圖4,行政與業(yè)務(wù)流程。
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工作內(nèi)容
工作流程
1．設(shè)計(jì)規(guī)則的制定
2．軟硬件設(shè)計(jì)過(guò)程中的支持
3．軟硬件模塊測(cè)試/關(guān)鍵器件評(píng)估測(cè)試
4．模塊設(shè)計(jì)改進(jìn)建議/設(shè)計(jì)規(guī)則改進(jìn)與制定
5．組織QA團(tuán)隊(duì)和設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行階段性模塊設(shè)計(jì)評(píng)審
6．整機(jī)系統(tǒng)測(cè)試
7．系統(tǒng)設(shè)計(jì)改進(jìn)建議/設(shè)計(jì)規(guī)則改進(jìn)與制定
8．PR1測(cè)試問(wèn)題分析（測(cè)試由TE負(fù)責(zé)）與改進(jìn)（不負(fù)責(zé)試產(chǎn)跟進(jìn)）
9．參與整機(jī)技術(shù)評(píng)審
10．組織整機(jī)系統(tǒng)認(rèn)證測(cè)試
流程優(yōu)勢(shì)評(píng)估
1． 流程細(xì)化，易于控制
2． 避免技術(shù)與規(guī)則的直接碰撞
3． 設(shè)計(jì)規(guī)范的建立可以形成良好的開(kāi)發(fā)慣性
4． 設(shè)計(jì)規(guī)范可確保技術(shù)的延續(xù)性，減少人才流失風(fēng)險(xiǎn)
5． 將設(shè)計(jì)問(wèn)題盡量暴露在設(shè)計(jì)階段，避免后期費(fèi)時(shí)費(fèi)力的認(rèn)證
6． 有助于提高整體技術(shù)實(shí)力，從功能設(shè)計(jì)到性能設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)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(shù)字?jǐn)U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(nèi)的接收功率。最大發(fā)射功率是通過(guò)連續(xù)發(fā)送“升”位信號(hào)，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(huì)引起峰值檢波器的讀數(shù)過(guò)高，因此必須使用窄的視頻帶寬和視頻平均以測(cè)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(shí)間最小100ms，接收到的信號(hào)必須穩(wěn)定以得到可用的結(jié)果。
2. CDMA接收機(jī)特性的測(cè)量
CDMA接收機(jī)靈敏度的測(cè)量需要通過(guò)基站模擬器來(lái)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(shí)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(cè)手機(jī)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)(IS95，CDMA0NE，CDMA2000)進(jìn)行設(shè)置。
如果測(cè)試點(diǎn)發(fā)生在零符號(hào)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(cè)試信道，建立數(shù)字語(yǔ)音信道，調(diào)用FER測(cè)試。觀測(cè)到的幀數(shù)要和９５％的置信電平一致，但最大不能超過(guò)2000幀。當(dāng)RF電平接近CDMA靈敏度電平時(shí)，調(diào)整的功率步進(jìn)值不能大于0.5dB。當(dāng)每個(gè)測(cè)試點(diǎn)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(cè)量頻點(diǎn)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(cè)試過(guò)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(gè)點(diǎn)，軸每旋轉(zhuǎn)一次采樣6個(gè)點(diǎn)。測(cè)量結(jié)束后將采樣測(cè)量數(shù)據(jù)帶入公式(2)中，計(jì)算出TIS。
3. GSM、3GPP雙模手機(jī)
目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)GSM、3GPP雙模手機(jī)。對(duì)于3GPP的測(cè)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(kāi)發(fā)中。
本文小結(jié)
TS9970不僅能夠測(cè)量手機(jī)的RF特性，幫助手機(jī)的設(shè)計(jì)師提高產(chǎn)品的性能指標(biāo)，增加手機(jī)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。同時(shí)能夠作為CTIA的標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證測(cè)試系統(tǒng)使用。在移動(dòng)通信迅速發(fā)展的今天，綠色手機(jī)、環(huán)保手機(jī)越來(lái)越受到設(shè)計(jì)部門(mén)、制造廠商和用戶的重視，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(jī)的無(wú)線射頻指標(biāo)也將成為評(píng)價(jià)手機(jī)的重要部分。
