- 探討手機射頻特性測量解決方案及應(yīng)用
- 采用大環(huán)法的測量方法
- 采用TS9970能夠測量手機的RF特性
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(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有效工作的關(guān)鍵。目前手機的尺寸越來越小，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。對于接收機來說，主要通過測量BER或FER來測量接收機的靈敏度，以及RXQual和RXLev等參數(shù)。
對于發(fā)射機來說主要測量發(fā)射功率以及發(fā)射頻譜，雜散等參數(shù)。這些指標參數(shù)通常是先用一個手機天線適配器通過有線的連接方式連接到手機綜測儀上，呼叫連接的建立是通過有線的方式。這樣天線對于指標的影響是不能體現(xiàn)的。
一般地，峰值EIRP不是手機特性的一個好的指標說明。例如，如果手機天線系統(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手機系統(tǒng)也很重要。差的接收機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。差的接收機靈敏度經(jīng)常是由于發(fā)射機發(fā)射的內(nèi)部噪聲和雜散信號回饋到接收機內(nèi)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。
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，對于TIS測量，需要6個大環(huán)切面完成3D球坐標的測量。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。
手機的射頻特性測量不僅要求在無線連接模式下進行，同時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(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。
如果被測手機支持多空中接口技術(shù)，可以依此對每個標準進行測量。首先進行空間損耗的測量，然后進行系統(tǒng)信號通路的校準，將校準值記錄。
選擇相應(yīng)的通信標準，通過綜測儀與手機建立呼叫，然后在需要的頻率點上進行輻射功率的測量。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行。
選擇相應(yīng)的通信標準，通過綜測儀與手機建立呼叫，然后在標準規(guī)定的頻段內(nèi)取三個頻率點，分別為高，中，低，然而進行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，直到達到規(guī)定的BER或FER。記錄相應(yīng)的被測手機的輸出電平。測試方法按照第二部分進行，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R&S公司專門用于測量手機的RF特性的測量系統(tǒng)。在實際條件下，對手機發(fā)射和接收部分通過空中接口進行RF指標的測量。能夠按照上述的方法和定義自動TRP和TIS的測量。
TS9970可以支持如下標準:
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，以及要求達到的BER時的接收電平。測試系統(tǒng)由手機綜測儀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。其中手機綜測儀CMU200用于通過空中接口與被測手機建立連接，使被測手機處于實際工作狀態(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。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的實際應(yīng)用。
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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的相關(guān)參數(shù)，呼叫手機并命令其到語音通道。測試在手機支持的頻段上三個不同的頻率對進行，如下表定義的頻率點：
按照配置設(shè)置好，分別在軸和軸進行采樣測量，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。強化DVT團隊在產(chǎn)品開發(fā)流程中功能和作用的建議.
關(guān)鍵詞：DVT (Design Validation Test,設(shè)計確認測試),DVET（Design Verification Test,設(shè)計驗證測試）
TR（Technology Review,技術(shù)評審） LLD（Low Level Design,詳細設(shè)計） 模塊測試 單板測試 系統(tǒng)測試 設(shè)計驗證 系統(tǒng)驗證DVT (Design Validation Test,設(shè)計確認測試)團隊在公司目前的產(chǎn)品開發(fā)流程中的作用和功能主要集中于內(nèi)部系統(tǒng)驗證測試（功能類）和外部認證（外部組織測試所有性能類指標），BETA用戶驗證。它的功能表現(xiàn)主要是各種認證測試方面，內(nèi)部驗證的功能淺表化，對產(chǎn)品設(shè)計的支持作用不明顯或者非常小，也可以說這是一個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(shè)計驗證測試）團隊模式，可以大大改善產(chǎn)品開發(fā)過程中的設(shè)計驗證能力，極大提高產(chǎn)品開發(fā)效率，增強產(chǎn)品開發(fā)中的設(shè)計規(guī)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(fù)率。
職能定義
首先明確的是，這種新的DVET團隊不是一個單純的測試團隊，也可以說它不是一個以測試為目的的團隊，測試是它的一部分手段，DVET的側(cè)重點在于發(fā)現(xiàn)問題和改進問題，制定相應(yīng)的設(shè)計規(guī)則形成開發(fā)慣性，減少重復(fù)錯誤，從而提高開發(fā)效率。這個團隊的定義要比先前的DVT功能更加廣泛，在組織形式需要時可以包含先前的DVT團隊功能。所謂的DVET（Design Verification Test, 設(shè)計驗證測試），即是對產(chǎn)品或項目在開發(fā)過程中的設(shè)計項目（包括所有的軟硬件模塊/單板/整機系統(tǒng)等）進行性能和功能的測試驗證，并對出現(xiàn)的問題進行總結(jié)，提出相應(yīng)的改進建議，制定相應(yīng)的設(shè)計規(guī)則，把所有的開發(fā)問題和隱藏缺陷最大可能的解決在開發(fā)過程中，避免在設(shè)計成形后進行漫長的測試和調(diào)試過程。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
組織結(jié)構(gòu)
從組織形式上來說，DVET是一個設(shè)計開發(fā)類或者一個高級測試類團隊，它要求團隊成員具有豐富的設(shè)計經(jīng)驗和測試經(jīng)驗。一個能夠勝任DVET團隊工作的軟件類成員應(yīng)該首先是一個優(yōu)秀的軟件工程師，其次還應(yīng)該具有非常好的測試知識，他能夠在每一個軟件模塊中找到錯誤與缺陷（不管其編寫者是誰），指出其改進方法，甚至能在相應(yīng)的編程規(guī)范和設(shè)計要求下自主改進相應(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)計要求的能力。同樣，一個能夠勝任DVET團隊工作的硬件類成員應(yīng)該首先是一個優(yōu)秀的硬件工程師，同時還應(yīng)該具有非常豐富的模塊和系統(tǒng)測試知識，他能夠在硬件設(shè)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，指出其改進方法，并能制定相應(yīng)的硬件設(shè)計規(guī)范。這樣看來，一個最小化的DVET團隊?wèi)?yīng)該是3個人，一個SVE軟件驗證工程師（Software Verification Engineer）,一個HVE硬件驗證工程師（Hardware Verification Engineer）,一個SAE系統(tǒng)認證工程師(System Authentication
Engineer)。所有的DVET工程師都應(yīng)該獨立于設(shè)計和QA之外，它是一個處在QA和設(shè)計工程師之間的流程，它負責(zé)向設(shè)計工程師提供改進建議和設(shè)計規(guī)范，也負責(zé)向QA工程師提供符合設(shè)計規(guī)格的產(chǎn)品，并向QA工程師尋求產(chǎn)品開發(fā)過程中的質(zhì)量保證。在這里建議DVET從原DVT團隊上拓展而來，行政上屬于Test & Quality control Dept.，業(yè)務(wù)上主要與項目經(jīng)理、設(shè)計工程師、QATeam
聯(lián)系。最重要的一點，所有的項目開發(fā)都必須邀請DVET團隊參加，而且相應(yīng)的DVET團隊成員還應(yīng)該是項目開發(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)計規(guī)則的制定
2．軟硬件設(shè)計過程中的支持
3．軟硬件模塊測試/關(guān)鍵器件評估測試
4．模塊設(shè)計改進建議/設(shè)計規(guī)則改進與制定
5．組織QA團隊和設(shè)計團隊進行階段性模塊設(shè)計評審
6．整機系統(tǒng)測試
7．系統(tǒng)設(shè)計改進建議/設(shè)計規(guī)則改進與制定
8．PR1測試問題分析（測試由TE負責(zé)）與改進（不負責(zé)試產(chǎn)跟進）
9．參與整機技術(shù)評審
10．組織整機系統(tǒng)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(guī)則的直接碰撞
3． 設(shè)計規(guī)范的建立可以形成良好的開發(fā)慣性
4． 設(shè)計規(guī)范可確保技術(shù)的延續(xù)性，減少人才流失風(fēng)險
5． 將設(shè)計問題盡量暴露在設(shè)計階段，避免后期費時費力的認證
6． 有助于提高整體技術(shù)實力，從功能設(shè)計到性能設(shè)計的轉(zhuǎn)變
7． 有助于提高產(chǎn)品開發(fā)效率，減少開發(fā)投入
注：CDMA采用數(shù)字擴譜技術(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(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接收機特性的測量
CDMA接收機靈敏度的測量需要通過基站模擬器來定義接收機的靈敏度，當(dāng)接收機在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)按照被測手機相應(yīng)的標準(IS95，CDMA0NE，CDMA2000)進行設(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敘述的進行。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
目前國內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)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(tǒng)的控制軟件正在開發(fā)中。
本文小結(jié)
TS9970不僅能夠測量手機的RF特性，幫助手機的設(shè)計師提高產(chǎn)品的性能指標，增加手機的市場競爭力。同時能夠作為CTIA的標準認證測試系統(tǒng)使用。在移動通信迅速發(fā)展的今天，綠色手機、環(huán)保手機越來越受到設(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的無線射頻指標也將成為評價手機的重要部分。
