TD-LTE基站發射機ON/OFF功率測試方法

愛立信（中國）通信有限公司無線接入網絡研發中心 李 新

TD-LTE基站發射機ON/OFF功率測試方法

愛立信（中國）通信有限公司無線接入網絡研發中心 李 新

TD-LTE基站發射ON/OFF功率用于衡量發射時隙對關閉時隙的干擾。本文描述了ON/OFF功率的測試裝置和方法，闡述了測試硬件組成和限幅器的選用，對于測試中的同步機制作出了介紹。結合實際測試應用，給出了測試結果。

TD-LTE發射機；ON/OFF功率；測試裝置

3G移動通信系統TD-LTE的頻譜利用率高，上下行非對稱傳輸，正在得到越來越多的應用，通信基站越來越密集，對于TDLTE基站發射機ON/OFF功率測試要求也越來越高，以避免通信系統內的干擾和基站自身的干擾，保證非對稱的發射和接收。

1.ON/OFF功率和要求

TD-LTE基站發射與接受共享無線頻率，采用時分復用，物理層幀長10ms，每幀包括10個子幀。為滿足移動數據的不對稱需求，下行和上行子幀可以靈活配置。3GPP定義了7種配置，以配置3為例，幀結構如圖1，子幀1是特殊子幀，包括DwPTS、UpPTS和保護間隔；子幀0、5、6、7、8、9是下行，它和DwPTS屬于發射機的發射時隙；而子幀2、3、4是上行，它和UpPTS、保護間隔屬于基站發射機的關斷時隙。發射時隙用于下行信號傳輸，關斷時隙用于上行信號傳輸。

由于上下行同頻，而且通常共用一個天線，發射機關斷時隙的功率需要足夠小，以不影響上行信號質量。3GPP標準TS36.141定義ON/OFF功率不僅是關斷時隙的功率，還包括了上下行時隙切換的時間，要求關斷時隙的功率最大值-85dBm/MHz，即-78dBm/5MHz，關斷和打開的切換時間最大不超過17μs。

從接收機來看，靈敏度最低要求是-100.8dBm/5MHz，-78dBm/5MHz的干擾遠遠大于靈敏度的限值，顯然，如果收發共用天線端口，發射機關斷時隙的功率要求還不夠，如果基站關斷時隙的發射功率達到-78dBm/5MHz，那么基站的覆蓋范圍和用戶容量都將大大降低。所以有必要提高發射機關斷時隙功率的要求，低于接收機靈敏度限值為好。

2.測試硬件組成

TD-LTE宏基站的發射時隙功率比較大，通常大于10W，一般的基站功率測試裝置是在發射機端口和測試儀表(頻譜儀)之間連接一個大功率衰減器，以保護測試儀表，這種通用的測試裝置不能滿足關斷時隙的功率測試要求。一方面大功率衰減器提高了測試儀表的噪聲，以10W的發射機為例，測試時使用20dB衰減器，會使頻譜儀底噪增大20dB，頻譜儀的底噪達到-75dBm/100KHz，不能滿足-78dBm/5MHz的要求，更別提-100.8dBm/5MHz了；另一方面頻譜儀的動態范圍有限，無法直接測試。ON/OFF功率測試需要一種新的測試硬件裝置。

圖2描述了兩種測試連接方式，a表示了一個可控的射頻開關裝置，關閉時隙觸發信號控制開關的切換，衰減器通路測試發射時隙功率，放大器通路測試關斷時隙功率，這種方式兼顧上下行功率的測試，但當觸發信號不準確時，或者上下行子幀配置調整時，放大器和測試儀表就有被損壞的風險；b則對a進行了改進，它是采用限幅器的測試裝置，除射頻開關和大功率衰減器外，還包括環形器、大功率限幅器、小功率限幅器、低噪聲放大器和射頻負載TE。環形器降低限幅器的反射信號，保護發射機；TE則吸收限幅器的反射信號；大功率限幅器把發射時隙功率降低到10dBm，而讓關閉時隙信號無損耗通過；小功率限幅器把發射時隙功率降低到-10dBm或更低；低噪放使關閉時隙信號放大20dB甚至更高。這樣，從基站天線端口到達頻譜儀的下行信號功率被限制到-10dBm以下，而上行信號則放大了20dB以上，頻譜儀很容易檢測到小信號功率，即發射機關閉時隙的功率。基帶幀觸發信號則控制了頻譜儀的測量開始時間。

表1 TD-LTE基站ON/OFF功率測試結果

圖1 TD-LTE幀格式配置格式3

圖2 TD-LTE發射機ON/OFF功率測試裝置

圖3 發射機上下切換時間

圖4 雙向限幅器輸入和輸出

圖5 TYPECAL LIMITER PULSE CHARACTERISTICS

圖6 無源雙向限幅器

3.測量方法

那么，怎樣測試ON/OFF功率呢？分別測量關斷時隙功率和發射時隙功率，然后比較兩個功率限值點的時間差。但不能這樣簡單的認為，這樣測量不能準確衡量時隙功率，切換時間的測量也不能用此方法。假設基站系統的基帶定時發生了偏移，而切換開關很快，上述方法測量出的切換時間很小，但不能反映系統出現的問題，所以準確的方法應該引入基帶幀觸發信號，基帶幀觸發信號控制頻譜分析儀開始測量的時間，用以比較基帶定時與時隙信號的偏差，如圖3所示，觸發信號通常位于子幀0的開始時刻，它是周期性脈沖或方波，其周期是基帶幀的整數倍。

以子幀配置3為例，下行發射時隙(Transmitter ON period)以子幀5開始，到子幀1的DwPTS時隙結束，關閉時隙的信號分列在圖3所示的發射時隙兩側。測量時調整幀脈沖觸發信號的延遲，這里觸發延遲5ms，那么頻譜儀開始測量的時刻就是發射時隙的開始，以此去計算關閉時隙的開始和結束時刻，關閉時隙的信號在頻譜儀上有了定時，頻譜儀讀取關閉時隙的任意時刻的功率值。同樣的方法測量發射時隙功率，發射時隙的信號在頻譜儀上也有了定時，發射時隙的任意時刻的功率值也顯示出來。切換上升時間是測量開始時刻到平均發射功率點的時間，切換下降時間是發射時隙結束點到關閉時隙功率限值的時間。

4.限幅器的原理和選用

PIN二極管限幅器將輸入信號的幅度削峰，降低了信號的最大輸出功率，但不改變小功率信號的幅度特性，為TD-LTE發射機空閑時隙的功率測試帶來了方便。圖4描述了限幅器的輸入和輸出。

在發射時隙，大功率的輸入使得限幅器產生了諧波、互調等產物，而且PIN二極管在導通和截止時刻會產生泄漏，但PIN二極管相應速度快、體積小、損耗小、可用較小的直流偏置控制功率較大的微波信號，它的快速響應特性使得這些非線性產物不會遺留在空閑時隙，瞬間的泄漏對測試影響較小。如圖5所示，PIN二極管的3dB恢復時間一般小于100ns，遠遠小于3GPP的要求17μs。限幅器采用PIN二極管級聯，多級限幅管逐級限幅，承受最大輸入功率并限制大功率信號輸出。限幅器能夠承受的最大輸入功率主要取決于第一級PIN管的能力。

測試時，第一級限幅器通常選取雙向限幅器，限幅幅度比單項更大。對于無源限幅器，根據不同頻率的 射頻信號，要根據信號的波長訂制，如圖6，λ/4是相鄰兩個PIN二極管之間的距離，達到雙向削峰的效果。

限幅器的指標有限幅電平、插入損耗、隔離度、頻帶特性，限幅電平即輸入的限幅門限，輸入功率超過此門限值后，輸出開始穩定；插入損耗是輸入信號小于限幅電平時，信號經過限幅器的衰減；隔離度是指輸入信號大于限幅電平時，限幅器的最大衰減值，表征了限幅器的最大輸入功率；頻帶特性是限幅器支持的信號頻率范圍，在此范圍內，輸出保持穩定。

5.測試結果

在實際測試中，TD-LTE ON/OFF功率測試選用了三級串聯限幅器，使10W的發射信號衰減到-10dBm以下，而小功率的關斷時隙信號衰減3dB以下；選用低噪放的增益35dB，噪聲系數小于1.1，工作頻率B40。實際的測試結果如表1，關斷時隙功率值-105.63dBm/5MHz，遠遠好于3GPP的限值要求，也好于接收機的靈敏度限值。

6.結論

TD-LTE基站ON/OFF功率測試要求較高，不能使用測試儀表直接測量，儀表外接衰減器和限幅器分別測量的方法很好的解決了這個問題，這個方法在實際測試中得到了驗證，不僅適用于產品驗證測試，更適用于產品研發測試。

[1]3GPP TS 36 104:E-UTRA Base Station(BS)radio trans mission and reception.

[2]3GPP TS 36.141 Evolved Universal Terrestrial Radio Access(E-UTRA)Base Station(BS)conformance testing.

[3]Eclipse microwave,Limiter application.

[4]羅偉峰.PI型電調衰減器的設計[J].