UMTS測試背後的射頻測試原理

本文旨在通過一些UMTS的部分測試用例來介紹UMTS測試項目背後的一些測試原理以及系統原理。希望大家能通過本文了解一些測試項目背後的系統原理以及測試原理。

1、綜述

本文主要針對UMTS終端射頻測試規範介紹部分重要測試項目的測試原理，主要針對TS34.121規範中規定的射頻測試項目進行介紹。由於UMTS規範從R99發展到R5、R6、R7、R8、R9等協議版本，信道結構等物理層基本結構都有較大變化，因此針對同一個測試項目，如最大功率測試，規範針對不同版本的終端也定義了不同的子測試項目。如最大功率測試就定義了5.2、5.2A、5.2AA和5.2B等幾個測試項目。UMTS測試的複雜性也正來自於這些信道的過程、信道之間的時延關係。

本文以幾個基本的UMTS測試項目為例，盡力表達清楚這些測試項目背後的系統原理以及測試原理。

1.1、觸發方式的選取

在規範中經常能看到如下的兩種描述，如5.2A中的描述：

The maximum output power with HS-DPCCH is ameasure of the maximum power the UE can transmit when HS-DPCCH is fully orpartially transmitted during a DPCCH timeslot.

5.2B中的描述：

The maximum output power with HS-DPCCH andE-DCH is a measure of the maximum power the UE can transmit when HS-DPCCH andE-DCH is fully or partially transmitted during a DPCCH timeslot.

這兩段描述的含義是要求我們在做TX測試的時候，參考圖4.1，可知HS-DPCCH和E-DCH的發射具有非連續的特點，因此要求我們在這兩個信道激活的情況下進行發射，此時可以驗證相關信道激活情況下的射頻性能。因此上述規範的描述就變成了一個找到相應上行物理信道的問題，該問題的答案我們可以在3GPP TS 25.211 7.7章中找到。

圖1.1、上行信道時間關係

根據圖1.1的描述，上行HS-DPCCH與上行DPCH之間的時間差為m*256 chips ,記為T1

其中m = (TTX_diff/256) + 101，該時延在CMU200中約為1024 chips。上行DPCH與下行DPCH之間的時間差即為DPCH在信道傳輸的空口時延，記為T2，下行DPCH同CPICH之間的時延為T_dpch_offset,記為T3，該參數以256chips為單位，在CMU200和CMW500中都可以直接配置。因此上行HS-DPCCH同CPICH的時延即為T1+T2+T3。

綜測儀會根據下行的幀邊界，即CPICH信道的時間和一系列系統的參數在一定範圍內找上行的HS-DPCCH信道。在固定了第一個HS-DPCCH之後，由於該信道的周期為12ms，因此後續可以通過時間來確定HS-DPCCH信道實際的出現時間。

在實際操作中，直接在綜測儀中選取HS-DPCCHTrigger即可！E-DCH的原理同HSDPA的原理類似，就不在這裡詳細介紹了！

1.2、動態的終端功率測試

在LTE系統中，一部分系統的特性會導致終端功率發生變化，比如TFC變化(包括DTX)，壓縮模式下的Power Boosting，開環功率控制中PRACH的接入，閉環功率控制中DPCH的TPC響應，信道增益因子變化等。針對UMTS的功率變化過程，3GPP TS34.121規範制定了響應的測試項目，如表1.1：

2、最大功率測試

2.1、R99的最大功率測試

由於R99的上行只有DPCCH和DPDCH兩個信道，因此R99的最大功率測試相對HSDPA和HSUPA而言，複雜程度是最低的。SS通過下行DPCCH信道發送TPC指令，上行DPCCH信道會根據TPC來提高本信道的功率，而上行DPDCH信道則會根據增益因子βc和βd相應調整本信道的功率，如βc=8，βd=15

DPCCH/DPDCH功率比

=20*log(βc/ βd)=-5.46dB

直到終端的功放飽和達到最大功率位置。此時測量終端的功率，測量帶寬至少為(1+α)*chiprate = 1.22*3.84Mhz=4.68Mhz。

βc和βd的決定取決於TFC，即業務速率越高，DPDCH信道的功率越高，業務速率越低，DPDCH信道的功率越低，如極限的例子，即如果在DTX的情況下，即無數據發射，DPDCH信道可以選擇不發送。在這裡我們不過多的討論實際網絡中增益因子的運用，而更加關注UE的射頻測量方法。

2.2、HSDPA的最大功率測試

為了下面更好的理解HSDPA和HSUPA的最大功率測量方法，我們來說明一下增益因子的定義。首先3Gpp規範針對WCDMA上行發射功率給每個上行信道定義了一個增益因子，即βc、βd、βhs、βec、βed等參數，用於獨立控制各個信道的功率。為了系統消息傳輸方便，最終又將這些參數映射成為βc、βd和DACK，DNACK，DCQI以及DE-DPCCH和DE-DPDCH，通過這些參數，最終可以決定DPDCH、HS-DPCCH、E-DPCCH和E-DPDCH信道相對DPCCH信道的功率。

WCDMA系統中的增益因子

3GPP TS34.121 Release 10規範針對HSDPA規範定義了5.2A和5.2AA兩個測試項目，區別在於終端是否支持Release 6版本。HSDPA的最大功率測試有兩個關鍵點：

1)、HS-DPCCH信道在激活狀態，發送ACK/NACK或者CQI，5.2AA測試項目需要HS-DPCCH激活狀態才可以，因此測量儀器需要特定的觸發時機來捕獲HS-DPCCH信道同DPDCH、DPCCH共同發射。

2)、變化的βc/βd比值，DACK，DNACK，DCQI在測試中固定為8,8,8。因此測試的時候變化βc/βd比值來測量HSDPA終端的最大功率。

規範根據βc/βd比值定義了4個subtest來測試HSDPA終端的最大功率，分別是βc/βd的四個範圍內的典型值，分別是βc/βd=2/15,12/15,15/8,15/4這幾個比值情況下的終端最大功率。此時DACK，DNACK，DCQI設置為固定值8。

2.3、HSUPA的最大功率測試

HSUPA的最大功率測試方法相對複雜，但是當我們清楚了這個測試項目背後含義的話，實際上對於測試的理解就變得簡單了許多！

首先，HSUPA的最大功率測試(TS34.121,5.2B)需要在規定的RMC和FRC(FRCH-Set 1, QPSK)下約定各個信道的相對功率，如下表格所示：

其中有些特別的是subtest 5，subtest 5測試中DPDCH不發送，因此測試模式選擇SRB 2.5kbps +HSPA(βd=0)，而不是subtest1~4所採用的RMC 12.2kbps +HSPA 34.108。

對於HSUPA的最大功率測試，我們需要理解的HSUPA的上行功率控制原則，HSUPA的目的是為了上行提供更高的數據傳輸速率，更高的上行速率需要更高的上行E-DCH信道功率以提供更好的信噪比。反之，當E-DPDCH信道功率不足時，就相應的降低E-TFCI以保證一定速率下的可靠傳輸。

基於上述原則，我們就很容易理解5.2B subtest這個測試項目的設計原則，首先對於每個subtest定義了一系列的E-TFCI以及相應的E-TFCIPower offset，通過DL-DPCCH下發TPC控制UL-DPCCH提高功率，而DPDCH、HS-DPCCH、E-DPCCH、E-DPDCH根據信道增益表格相應的提高信道功率，當功率提升1dB之後，如果還有空間繼續提升，則E-TFCI不降低，繼續提升功率直到不能繼續提升位置，此時E-DPDCH功率被調低，相應的E-TFCI也會降低，此時發送一個1dB的功率降低指令給E-DPDCH留出一定的空間，此時的功率足夠保持TargetE-TFCI，這時測量終端的最大功率，在這樣的邏輯下測量到的功率實際可以理解為在特定的E-TFCI發送的情況下終端的最大發射功率。

HSUPA最大功率測試流程

其中有些特別的是subtest 5，由於subtest 5 只定義了一種參考E-TFCI，因此E-TFCI不會隨著功率變化，僅僅發送TPC Up控制UL-DPCCH功率，其它信道功率相對固定，即可測量得到終端的最大功率。

3、頻譜雜散測試

3.1、Out of band emission

3.1.1、Spectrumemission mask (SEM)

SEM測試門限有兩個，一個是絕對門限，規範中稱為Absolute Requirement，一個是相對門限，規範中稱為RelativeRequirement。規範要求測量區域內的測量點不超過兩個門限中功率較高的那個(即要求較松的門限)。絕對門限是根據終端的最小功率要求制定，根據TS 34.121表5.4.3的要求，使用RRC濾波器在3.84MHz帶寬內測量得到的UE最小功率應該低於-50dBm。根據此要求，使用不同RBW進行等效換算，SEM的絕對門限應為：

在高功率情況下，相對門限更加寬鬆，在低功率條件下，絕對門限更加寬鬆。由於一般SEM測試在終端最大發射功率下進行，因此普遍採用相對門限的標準測試。

3.1.2、AdjacentChannel Leakage power Ratio (ACLR)

同SEM測試一樣，ACLR測試也有絕對門限和相對門限兩個標準，絕對門限也是採用最小功率的要求，即-50dBm，相對門限參考TS 34.121 表5.10.1的要求。同SEM一致，高功率情況下一般參考更加寬鬆的相對門限。

ACLR同SEM的區別主要在於，ACLR主要是基於RRC濾波的平均功率的比值，而SEM是對測量範圍內的每個測量點進行測量。

3.2、Spurious emissions

嚴格的說，雜散發射(Spurious emissions)不屬於帶外雜散，雜散發射同帶外雜散的生成原因不同，雜散發射主要是由諧波、互調、變頻產物等造成的。因此測試範圍也不同。帶外雜散的測試範圍我們稱之為Out-of-Banddomain, 雜散發射的測試範圍我們稱之為Spurious domain。

基於Spurious emissions的成因，決定了Spuriousemissions 需要測量到更加寬的頻率範圍，根據Rec.ITU-R SM.329-12規範的要求，UMTS的基礎頻率範圍在600MHz~5.2GHz範圍之內，根據UMTS頻段的最高頻率，需要測試到5次諧波的範圍，因此我們得到了規範TS 34.121，表5.11.2a中要求的通用測試範圍。

Table 5.11.2a: Generalspurious emissions test requirements

由於上表所測試頻率範圍內有存在各種通信制式以及廣播電視等無線頻率佔用，因此又針對不同的UMTS頻段制定了表5.11.2b的額外標準。由於通用的綜測儀無法達到13GHz的頻率範圍，因此一般採用綜測儀和頻譜儀(如R&SFSQ或FSW)的測試系統來完成這個測試項目的測試。如圖3.1所示：

圖3.1、Spurious emission 測試連接圖

4、發射調製

　　發射調製測量項目包括EVM，相對碼域誤差，相位非連續以及隨機接入探針質量

　　4.1、EVM withHS-DPCCH

　　在HS-DPCCH信道相關的測試中我們經常看到如圖4.1的測試點描述，如規範5.13.1A（EVM with HS-DPCCH） ，5.2C（UE relative codedomain power accuracy），5.7A（HS-DPCCH Power Control），首先這個圖的橫軸的時間是6個子幀，即12ms，而不是一個10ms無線幀。

　　

　　圖4.1、HS-DPCCH非連續發送示例

　　這個時間關係是由HARQ的周期決定的，由於在HS-DPCCH相關測試中，終端上行發射會有DPCCH、DPDCH和HS-DPCCH三個信道，由於DPCCH和DPDCH是連續發射的信道，因此非連續發射的HS-DPCCH就決定了整個功率圖案的周期。根據圖4.2，整個HARQ的周期=2+3+7.5+3+2*空間傳輸時間，這個時間略小於12ms，因此HARQ的周期定義為12ms，即從系統開始給終端調度數據發送，到收到終端反饋的ACK/NACK，整個時間是在12ms之內完成的。因此在圖4.1中的測試是以12ms為周期的。

　　

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