TD-LTE基站发射机ON/OFF功率测试方法

0 引言

3G移动通信系统TD-LTE的频谱利用率高，上下行非对称传输，正在得到越来越多的应用，通信基站越来越密集，对于TDLTE基站发射机ON/OFF功率测试要求也越来越高，以避免通信系统内的干扰和基站自身的干扰，保证非对称的发射和接收。

1.ON/OFF功率和要求

TD-LTE基站发射与接受共享无线频率，采用时分复用，物理层帧长10ms,每帧包括10个子帧。为满足移动数据的不对称需求，下行和上行子帧可以灵活配置。

3GPP定义了7种配置，以配置3为例，帧结构如图1,子帧1是特殊子帧，包括DwPTS、UpPTS和保护间隔;子帧0、5、6、7、8、9是下行，它和DwPTS属于发射机的发射时隙;而子帧2、3、4是上行，它和UpPTS、保护间隔属于基站发射机的关断时隙。发射时隙用于下行信号传输，关断时隙用于上行信号传输。

由于上下行同频，而且通常共用一个天线，发射机关断时隙的功率需要足够小，以不影响上行信号质量。3GPP表准TS36.141定义ON/OFF功率不仅是关断时隙的功率，还包括了上下行时隙切换的时间，要求关断时隙的功率最大值-85dBm/MHz,即-78dBm/5MHz,关断和打开的切换时间最大不超过17μs.

从接收机来看，灵敏度最低要求是-100.8dBm/5MHz,-78dBm/5MHz的干扰远远大于灵敏度的限值，显然，如果收发共用天线端口，发射机关断时隙的功率要求还不够，如果基站关断时隙的发射功率达到-78dBm/5MHz,那么基站的覆盖范围和用户容量都将大大降低。所以有必要提高发射机关断时隙功率的要求，低于接收机灵敏度限值为好。

2.测试硬件组成

TD-LTE宏基站的发射时隙功率比较大，通常大于10W,一般的基站功率测试装置是在发射机端口和测试仪表(频谱仪)之间连接一个大功率衰减器，以保护测试仪表，这种通用的测试装置不能满足关断时隙的功率测试要求。一方面大功率衰减器提高了测试仪表的噪声，以10W的发射机为例，测试时使用20dB衰减器，会使频谱仪底噪增大20dB,频谱仪的底噪达到-75dBm/100KHz,不能满足- 7 8 d B m / 5 M H z 的要求， 更别提-100.8dBm/5MHz了;另一方面频谱仪的动态范围有限，无法直接测试。ON/OFF功率测试需要一种新的测试硬件装置。

图2描述了两种测试连接方式，a表示了一个可控的射频开关装置，关闭时隙触发信号控制开关的切换，衰减器通路测试发射时隙功率，放大器通路测试关断时隙功率，这种方式兼顾上下行功率的测试，但当触发信号不准确时，或者上下行子帧配置调整时，放大器和测试仪表就有被损坏的风险;b则对a进行了改进，它是采用限幅器的测试装置，除射频开关和大功率衰减器外，还包括环形器、大功率限幅器、小功率限幅器、低噪声放大器和射频负载TE.环形器降低限幅器的反射信号，保护发射机;TE则吸收限幅器的反射信号;大功率限幅器把发射时隙功率降低到10dBm,而让关闭时隙信号无损耗通过;小功率限幅器把发射时隙功率降低到-10dBm或更低;低噪放使关闭时隙信号放大20dB甚至更高。这样，从基站天线端口到达频谱仪的下行信号功率被限制到-10dBm以下，而上行信号则放大了20dB以上，频谱仪很容易检测到小信号功率，即发射机关闭时隙的功率。基带帧触发信号则控制了频谱仪的测量开始时间。

3.测量方法

那么，怎样测试ON/OFF功率呢?分别测量关断时隙功率和发射时隙功率，然后比较两个功率限值点的时间差。但不能这样简单的认为，这样测量不能准确衡量时隙功率，切换时间的测量也不能用此方法。假设基站系统的基带定时发生了偏移，而切换开关很快，上述方法测量出的切换时间很小，但不能反映系统出现的问题，所以准确的方法应该引入基带帧触发信号，基带帧触发信号控制频谱分析仪开始测量的时间，用以比较基带定时与时隙信号的偏差，如图3所示，触发信号通常位于子帧0的开始时刻，它是周期性脉冲或方波，其周期是基带帧的整数倍。

以子帧配置3 为例， 下行发射时隙(Transmitter ON period)以子帧5开始，到子帧1的DwPTS时隙结束，关闭时隙的信号分列在图3所示的发射时隙两侧。测量时调整帧脉冲触发信号的延迟，这里触发延迟5ms,那么频谱仪开始测量的时刻就是发射时隙的开始，以此去计算关闭时隙的开始和结束时刻，关闭时隙的信号在频谱仪上有了定时，频谱仪读取关闭时隙的任意时刻的功率值。同样的方法测量发射时隙功率，发射时隙的信号在频谱仪上也有了定时，发射时隙的任意时刻的功率值也显示出来。切换上升时间是测量开始时刻到平均发射功率点的时间，切换下降时间是发射时隙结束点到关闭时隙功率限值的时间。[!--empirenews.page--]

4.限幅器的原理和选用

PIN二极管限幅器将输入信号的幅度削峰，降低了信号的最大输出功率，但不改变小功率信号的幅度特性，为TD-LTE发射机空闲时隙的功率测试带来了方便。图4描述了限幅器的输入和输出。

在发射时隙，大功率的输入使得限幅器产生了谐波、互调等产物，而且PIN二极管在导通和截止时刻会产生泄漏，但PIN二极管相应速度快、体积小、损耗小、可用较小的直流偏置控制功率较大的微波信号，它的快速响应特性使得这些非线性产物不会遗留在空闲时隙，瞬间的泄漏对测试影响较小。如图5所示，PIN二极管的3dB恢复时间一般小于100ns,远远小于3GPP的要求17μs.限幅器采用PIN二极管级联，多级限幅管逐级限幅，承受最大输入功率并限制大功率信号输出。限幅器能够承受的最大输入功率主要取决于第一级PIN管的能力。

测试时，第一级限幅器通常选取双向限幅器，限幅幅度比单项更大。对于无源限幅器，根据不同频率的射频信号，要根据信号的波长订制，如图6,λ/4是相邻两个PIN二极管之间的距离，达到双向削峰的效果。

限幅器的指表有限幅电平、插入损耗、隔离度、频带特性，限幅电平即输入的限幅门限，输入功率超过此门限值后，输出开始稳定;插入损耗是输入信号小于限幅电平时，信号经过限幅器的衰减;隔离度是指输入信号大于限幅电平时，限幅器的最大衰减值，表征了限幅器的最大输入功率;频带特性是限幅器支持的信号频率范围，在此范围内，输出保持稳定。

5.测试结果

在实际测试中，TD-LTE ON/OFF功率测试选用了三级串联限幅器，使10W的发射信号衰减到-10dBm以下，而小功率的关断时隙信号衰减3dB以下;选用低噪放的增益35dB,噪声系数小于1.1,工作频率B40.实际的测试结果如表1,关断时隙功率值-105.63dBm/5MHz,远远好于3GPP的限值要求，也好于接收机的灵敏度限值。

6.结论

TD-LTE基站ON/OFF功率测试要求较高，不能使用测试仪表直接测量，仪表外接衰减器和限幅器分别测量的方法很好的解决了这个问题，这个方法在实际测试中得到了验证，不仅适用于产品验证测试，更适用于产品研发测试。