Microsoft Word - WCDMA MS Proposal - 2.doc

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1 WCDMA MS 测试建议书 ( 二 ) 第 2 章 WCDMA 用户设备 (UE) 测试要求 2.1 WCDMA 测试挑战 WCDMA 设备根据空中接口的结构可以分为三层 : 物理层 数据链路层和网络层 物理层是由射频 ( 中频 ) 和数字基带构成 在发射部分中, 数字基带完成 WCDMA 的各种信源编码 信道编码 交织 加密 同步 传送信道变换 物理信道变换 OVSF 扩展 复扰码变换以及调制符号建立和数字调制 基带滤波等一系列过程 ; 射频 ( 中频 ) 完成 A/D 变换 混频 滤波和放大等过程最终产生 WCDMA 信号 接收部分是它的逆过程 数据链路层和网络层实现了对物理层所提供资源的控制, 使 WCDMA 设备最终完成通信, 这种控制是通过信令层的各种功能来定义的, 并通过信令 ( 手机和基站之间的控制命令 ) 来实现 如图所示 : 图 5 WCDMA 空中接口 根据上述结构分类,WCDMA 测试可分为射频测试 基带数字测试和信令测试三类 射频测试又分为整机测试和器件 ( 部件 ) 测试 因为 WCDMA 手机和基站最终通过空中接口发射和接收信号, 所以整机测试 ( 也称为 Final Test) 都是通过射频接口测试发射机和接收机的总体质量 WCDMA 规范 是针对 WCDMA 手机, 称为用户设备 (User Equipment), 简称 UE 的一致性测试规范, 是针对 WCDMA 基站, 也称为节点 B (Node B) 的一致性测试规范 这两个规范主要针对整机测试, 是衡量 WCDMA 手机和 1

2 基站总体质量的最终依据 其中有关发射机和接收机性能的主要测试项目不仅用于整机测试, 也大量用于器件 ( 部件 ) 测试 其它有关接收机解调性能以及功能性方面的测试则需要射频和基带 ( 高层协议 ) 联合工作, 因此主要用于整机测试 射频器件和部件 ( 如放大器 混频器 双工器 滤波器等 ) 传统上采用网络分析仪测量带内线性失真, 采用频谱分析仪加 CW 信号源测量带外非线性失真, 如图所示 : 图 6 传统矢量网络分析基于连续波激励 但是针对在 WCDMA 设备中器件的要求与传统设备中器件的要求有很大的区别 WCDMA 信号由于采用直接序列扩频, 具有内在的类噪声特性, 信号波动剧烈, 峰均比远高于传统模拟系统的稳定信号和一般的非扩频数字调制信号, 而且波动特性 ( 信号幅度概率分布 ) 与基带编码 ( 码道数量和组合 ) 有直接关系 而传统网络分析仪的激励信号都是 CW 稳定信号, 虽然可以反映器件的传统静态指标 ( 如用于器件筛选和维修诊断 ), 但无法反映器件在实际应用过程中通过真实 WCDMA 信号所产生的质量变化 因此现在在 WCDMA 研发过程中大量采用数字信号源产生 WCDMA 调制信号配合矢量信号分析仪测试器件和部件性能, 可以看作是新型网络分析的模型 2

3 图 7 采用数字信号源和矢量信号分析仪配合的器件分析 基带数字测试是针对 CPU DSP 和时钟等各种基带控制电路逻辑和性能的测试, 主要应用逻辑分析仪和数字存储示波器等 图 8 Agilent 新型 6GHz 数字存储示波器可针对各种数字电路进行测试 信令测试是针对协议层定义和流程的检验, 是 WCDMA 研发过程中不可忽视的重要部分 信令测试 ( 包括功能性验证 ) 不仅验证设计软件对于 WCDMA 规范的理解和实现, 还是软件测试和设备联调过程中重要的诊断工具 如图所示 : 3

4 图 9 WCDMA UE 信令分析 这两部分将另文阐述, 在本文中将主要讨论 WCDMA 和 规范中的测试要求以及解决方案 4

5 2.2 WCDMA UE 测试要求和实现 终端一致性指标, 无线传输和接收 Terminal conformance specification;radio transmission and reception (FDD) 是 WCDMA UE( 手机 ) 的测试规范, 包括 9 个章节 : 第 1 章概述第 2 章参考文献第 3 章定义 符号 缩写和公式第 4 章频段和信道定义 (Frequency bands and channel arrangement) 第 5 章发射机性能 (Transmitter Characteristics) 第 6 章接收机性能 (Receiver Characteristics) 第 7 章接收机解调性能 (Performance requirements) 第 8 章无线资源管理 (RRM) 的支持 ( 信令和功能测试 ) 第 9 章 HSDPA 性能要求 (Release 5 新增 ) 其中第 5 章针对发射机测试, 第 6 章和第 7 章针对接收机测试 发射功率测试 发射功率是 WCDMA UE 重要的测试项目, 在 WCDMA UE 测试规范中第五章有多个项目涉及发射功率测试 包括 : 5.2 最大发射功率 (Maximum Output Power) 是通过连续上升功率控制命令驱动 UE 发射最大功率电平衡量手机符合相应功率级别的最大发射功率要求 ; 开环功率控制 (Open Loop Power Control in the Uplink) 衡量 UE 根据接收信号电平和基站控制参数计算的开环发射功率符合规范要求 ; 闭环功率控制 (Inner Loop Power Control in the Uplink) 测量 UE 根据基站下行功率控制命令 TPC 相应调整发射功率 ; 最小发射功率 (Minimum Output Power) 是通过连续下降功率控制命令驱动 UE 发射最小功率电平 5.5 发射功率开关比 (Transmit ON/OFF Power) 是衡量 UE 的接入信道 PRACH 的功率开关特性 根据测量动态范围不同, 发射功率测试分为两种方法 : 宽带功率测试和信道功率测试 宽带功率测试针对大信号测试, 用于最大发射功率测试 由于 WCDMA 信号为类噪声信号, 峰均比远高于一般数字调制信号, 也就是说, 信号波动更为剧烈, 应该采用具有热耦特性的高精度功率计测量真平均功率 对于动态功率 ( 开环功率和闭环功率 ) 和最小功率测试要求测量动态范围大, 按规范要求应使用带滚降系数为 0.22 根升余弦滤波器的信道功率计 8960 E6703A 具有两种功率测试方法 针对最大发射功率测试,8960 采用宽带热耦功率计测量 UE 发射功率, 精度高达 ±6.5%; 测量速度极快,10ms 帧平均功率测量时间小于 50ms 针对动态功率 ( 开环功率和闭环功率 ) 和最小功率测试,8960 采用信道功率计 5

6 图 10 图 11 图 10 通过 8960 测量 WCDMA UE 最大发射功率, 图 11 通过 8960 测量 WCDMA UE 根据特定 C 命令产生的闭环功率控制 8960 不仅显示数字结果用于标准检查, 而且具有图形结果用于分析现象和原因 6

7 2.2.2 发射频谱测试 发射频谱测试是 WCDMA UE 重要的测试项目, 主要衡量由调制器和射频器件所产生的信道外和频段外的能量泄露和非线性失真 在 WCDMA UE 测试规范中定义了多个相关的测试项目, 包括 : 5.8 占用带宽 (Occupied Bandwidth,OBW) 测量 WCDMA UE 发射信号 99% 的累积功率所占带宽, 是针对带内信号的频谱测试 ; 5.9 频谱杂散模板 (Spectrum Emission Mask,SEM) 测量偏移载频 2.5MHz 12.75MHz 范围的频谱杂散能量, 是针对 WCDMA 频段内的频谱测试 ; 5.10 邻道泄露功率比 (Adjacent Channel Leakage Power Ratio,ACLR) 测量 WCDMA UE 发射信号功率相对于偏离载频 ±5MHz 和 ±10MHz 的第一和第二邻道泄露功率的比值, 是衡量 WCDMA UE 对相邻信道的干扰 ; 5.11 杂散辐射 (Spurious Emissions) 测量 9KHz 12.75GHz 范围的频谱杂散能量, 是衡量 WCDMA UE 对频段外的频谱干扰 8960 E6703A 支持规范规定的频段范围包括 IMT2000 GSM/EDGE DCS US Cellular US PCS 等频段, 可以直接测量占用带宽, 邻道泄露功率比和频谱杂散模板, 针对频带要求更宽的杂散辐射测量, 可以采用 PSA 系列高性能频谱分析仪进行测量 图 12 通过 8960 测量 WCDMA UE 邻道泄露功率比, 7

8 图 13 通过 PSA 测量 WCDMA UE 频谱杂散模板 调制质量测试 调制质量测试是 WCDMA UE 重要的测试项目, 主要衡量由调制器产生的调制误差以及射频器件质量对调制信号的影响 WCDMA 采用直接序列扩频方式, 信号具有类噪声和自相关特性, 一般针对这类信号由两种调制质量测试方法 :CDMA2000 采用的波形质量 Rho 和 WCDMA 采用的误差矢量幅度 EVM 这两种指标都是针对码分多址信号的综合指标, 反映调制的总体质量 波形质量 Rho 是通过计算相关度的方法衡量整个信号由于调制误差引起的能量损失, 即可以用于射频测量, 也可以用于基带验证, 是码分多址研发中的主要测试项目 ; 误差矢量幅度 EVM 直接通过测量误差矢量反映调制质量, 在 WCDMA UE 测试规范中采用这种方法反映 WCDMA UE 调制质量 由于 EVM 衡量总体调制质量, 为进一步分析影响调制质量的因素, 还需要测量频率误差和码域误差 在 WCDMA UE 测试规范中定义了多个调制质量测试项目, 包括 : 5.3 频率误差 (Frequency Error) 测量 WCDMA 调制信号载波频率与规定频道频率之间的差值 ; 误差矢量幅度 (Error Vector Magnitude,EVM) 测量实际信号波形与理论参考信号波形之间的矢量差, 定义为误差矢量幅度与参考信号幅度比值的 RMS 值 ; 峰值码域误差 (Peak Code Domain Error) 是 WCDMA 规范定义的码域误差测试项目, 是码分多址信号独特的分析方法 码域分析通过 OVSF 解扩可以测量每个码道的有用信号能量, 误差信号能量, 时间和相位容限 WCDMA 定义的码域误差 (Code Domain Error) 是指被测码道的误差矢量幅度相对于参考信号波形的比值, 而峰值码域误差是各个码道码域误差的最大值 8

9 相位不连续度 (UE Phase Discontinuity) 是 Release5 新增的测试项目, 衡量 WCDMA 信号两个相邻时隙之间的相位差 相位的不连续性会引起频谱再生, 产生过多的频谱杂散 PRACH 前置码质量 (PRACH Preamble Quality) 是 Release5 新增的测试项目, 衡量 WCDMA UE 上行随机接入信道 PRACH 前置码的调制质量以便基站能够正确解调这个 UE 最重要的控制信道信息 由于 WCDMA 信号既是数字调制信号, 又是码分多址信号, 具有类噪声特性, 因此调制质量测试必须应用具有解调 解扩和解码过程的参考测量方法, 而一些传统测量方法不能精确测量 WCDMA 信号调制质量 例如频率误差测试如果采用传统的频率计数器 (Frequency Counter) 就会出现频率偏小, 误差很大 由于传统的频率计数器是通过计算信号震荡波形过零点数目的方法测量频率, 对于连续波等稳定信号有很高的测量精度, 但 WCDMA 信号具有类噪声特性, 信号没有稳定的过零点, 因此测量频率的结果会大大偏小 图 14 9

10 图 15 图 16 图 17 图 14 通过 8960 测量 WCDMA UE 误差矢量幅度 EVM 和频率误差, 图 15 通过 8960 码域分析 (Code Domain Analysis) 测量 WCDMA UE 峰值码域误差 PCDE, 图 16 通过

11 测量 WCDMA UE 相位不连续度, 图 17 通过 8960 测量 WCDMA UE PRACH 前置码质量 接收机性能测试 (Receiver Characteristics) 接收机性能测试主要针对接收机硬件部分, 是衡量在不同接收信号条件下接收机自身所产生的噪声和失真对接收质量的影响, 是 WCDMA UE 重要的测试项目 接收机性能测试采用统一的基带参数, 即 12.2K 参考测量信道 (RMC), 也就是说, 接收机性能测试并不需要变换数据信道设置和基带解码算法, 而是依靠器件和电路质量保证接收机性能 接收机性能指标是通过数据环回误码率 (Loopback Bit Error Ratio) 来进行衡量的 数据环回方式是 WCDMA 规范 (Terminal logical test interface; Special conformance testing functions) 中定义用于接收机测试的连接模式, 在建立通话的过程中, 通过信令控制 UE 进入环回, 测量仪器通过比较环回比特计算误码率 在 WCDMA UE 测试规范中第六章定义了多项接收机性能测试项目, 其中 可直接通过 8960 测试,6.4-7 需另加干扰信号源 : 6.2 参考灵敏度 (Reference Sensitivity Level) 是测量 UE 在指定误码率 BER 门限之下的最小接收信号电平 参考灵敏度是接收机设计的重要指标, 接收机前端器件和模块的噪声系数是影响参考灵敏度的主要因素 同时参考灵敏度电平也是各项接收机性能测试的基本参数设置 6.3 最大输入电平 (Maximum Input Level) 是测量 UE 在指定误码率 BER 门限之下的最大接收信号电平, 也成为可用输入范围或动态范围, 是衡量接收机在大信号电平输入条件下产生非线性失真对接收 BER 的影响 6.4 邻道选择性 (Adjacent Channel Selectivity,ACS) 是衡量在有较强邻道干扰的条件下 WCDMA UE 的接收性能 ITU 定义了超过百兆的 WCDMA 频段, 一个 WCDMA 载波带宽为 5MHz, 可以通过频分的方法连续使用多个 WCDMA 载波以提高系统容量, 因此网络中会出现 WCDMA 载波相邻且电平相差很大的情况 邻道选择性测试是为了保证 WCDMA UE 在未来复杂的网络环境中能够实现需要的接收质量 除了综合测试仪, 还需要采用数字信号源产生 WCDMA 调制信号模拟邻道干扰源 6.5 阻塞特性 (Blocking Characteristics) 是衡量在 WCDMA 频段内或频段外存在强信号干扰的条件下 WCDMA UE 的接收性能 阻塞特性一般用于模拟特定发射机针对 WCDMA UE 的干扰, 例如 GSM 发射机 除了综合测试仪, 还需要采用数字信号源产生指定调制信号模拟阻塞干扰源 6.6 杂散响应特性 (Spurious Response) 是衡量在 WCDMA 频段内或频段外存在强信号干扰的条件下 WCDMA UE 的接收性能 杂散响应特性与阻塞特性的区别是它模拟频谱内存在的一般杂散信号, 干扰信号形式是单纯的连续波 除了综合测试仪, 还需要采用射频信号源产生连续波信号模拟杂散干扰源 6.7 交调特性 (Intermodulation Characteristics), 准确地说, 是交调响应抑制特性 (Intermodulation Response Rejection) 如果接收机输入信号中包含多个信道外强干扰信号, 有接收机内部非线性器件产生的三阶交调产物 ( 一般是能量最大的产物 ) 会直接落在信道内造成解调干扰 高质量的器件能够极大地抑制交调产物 交调特性测试是接收机测试中配置较复杂的测试项目, 除了综合测试仪, 还需要采用两个额外的信号源 ( 一个数字信号源产生 WCDMA 调制信号, 另一个射频信号源产生连续波信号 ) 产生干扰信号 11

12 图 18 数据环回误码率测试 接收机解调质量测试 (Performance requirements) 接收机解调质量测试是衡量 WCDMA UE 在噪声 衰落等各种复杂接收条件以及在切换 发射分集等各种工作状态下的解调质量 WCDMA 规范在设计上平衡了手机成本和收发信质量上的矛盾, 针对复杂接收条件的信号解调并不是主要依靠硬件质量, 而是大量使用基带算法 最基本的例子就是码分多址系统都利用解扩带来的处理增益获得解调信号所需的信噪比, 而处理增益是在基带处理中获得的, 因此要想真正测试解调性能, 必须将射频和基带连接起来, 并且在输入信号中加入噪声信号以压缩接收信噪比, 才能够真正衡量基带处理增益是否达到要求 接收机解调质量测试在参数和硬件配置上相对复杂 由于更着重在基带和整机性能, 规范要求测试多种参考信道 (RMC) 包括 12.2K 64K 144K 和 384K, 并且通过数据块错误率 BLER 来衡量而不是 BER BLER 也是 WCDMA 规范 (Terminal logical test interface; Special conformance testing functions) 中定义的用于接收机测试的连接模式 原因主要有两点 :1)WCDMA 基带解调更注重数据信道, 与语音信道不同的是, 数据信道都有差错重传机制, 理论上可以通过多次重传修正误码, 因此 BER 并不能够直接反映解调性能, 而 BLER 直接反映了 RLC 层上对差错重传的要求, 更适合测试解调性能 ;2) WCDMA 的高速率数据信道在实际使用中上下行速率一般是不对称的, 而 BER 测试要求对称的数据环回 在硬件方面, 除了综合测试仪, 还需要各种辅助仪器和附属软件用于产生噪声 衰落等干扰信号 在 WCDMA UE 测试规范中第七章定义了多项接收机解调质量测试项目, 包括 : 静态传播条件下 DCH 信道解调质量 (Demodulation in Static Propagation conditions,dch) 所谓静态传播条件是指单纯加性白高斯噪声(AWGN) 信道而没有由移动速度引起的快衰落条件 静态传播条件下 DCH 信道解调质量是 WCDMA UE 重要的接收机测试项目, 衡量基带处理增益的偏差, 规范要求 AWGN 电平高于 DPCH 电平, 使接收信噪比被压缩到门限水平, 然后测量 BLER 动态传播条件下 DCH 信道解调质量, 包括多径衰落 (Multipath Fading) 运动 (Moving) 和 Berth-Death 等条件 需要使用信道仿真器进行测试 7.7 软切换条件下 DCH 信道解调质量以及在软切换过程中对不同功率控制比特的处理 ; 7.9 下行压缩模式下 DCH 信道解调质量 (Downlink Compressed Mode) 压缩模式 12

13 (Compressed Mode) 是 WCDMA 系统与 GSM 系统兼容的重要实现方式, 通过在下行信号特定帧中提高数据速率形成空闲间隔, 使 UE 有时间进行 GSM 载频的搜索和测量, 从而实现 WCDMA 到 GSM 的切换 规范的 7.9 是衡量 WCDMA UE 在压缩模式下接收机解调质量没有受到影响 图 19 图 20 13

14 图 21 图 19 通过 8960 测量 WCDMA UE 块错误率 BLER, 可以通过设置软切换过程测量手机在软切换状态下的解调质量 ; 图 20 通过 8960 软切换参数设置, 可以看到通过 8960 可以设置完整的软切换过程参数 ; 图 21 在压缩模式下通过 8960 测量的 WCDMA UE 发射信号时域包络, 通过 8960 可以设置 UE 进入压缩模式, 获得 GSM RSSI 报告, 还可以测量 UE 在压缩模式下的接收机解调质量 BLER 14

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