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測試與測量  

EDGE網路為手機製造商提出新測量挑戰

上網時間: 2006年11月10日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:EDGE  手機  測試  GMSK接收器  ADI 

許多廠商正將他們現有的2G GSM/GPRS網路升級為2.75G蜂巢式標準,如EDGE(增強數據率GSM服務)標準。EDGE實際最高數據數率為384Kbps,是GPRS標準最高數據數率(115Kbps,具有適當糾錯功能)的3.3倍。在EDGE標準中,選擇偏移8-PSK(8移相鍵控)代替GMSK(高斯最小移頻鍵控)調變方式。圖1展示8-PSK星座圖的EDGE收發器積體電路AD6546的輸出。


圖1:AD6546 EDGE發射機輸出

EDGE標準特性

手機設計射頻(RF)部份,高品質GMSK接收器的設計無需做任何修改即可用來解調8-PSK。雖然8-PSK的星座圖包含更多的點,但足可以滿足目前高整合度接收器、合成器的相位噪音和噪音指數要求,而且當訊息通道頻寬不變時,濾波要求可保持不變。


圖2:極化調變器的架構

不過,必須對發射機的架構做修改。最根本的問題在於GMSK訊號是恆包絡調變,所以只需發射相位資訊,因而限制了一部份發射機訊號鏈。而另一方面,8-PSK需要相位和幅度資訊滿足所有的必要指標。可透過一種稱為極化迴路調變方案的技術來改進現有GMSK發射機架構。在本設計中,幅度資訊由另外一條鏈路處理,並且在功率放大器(PA)處重新組合幅度和相位資訊。實際上8-PSK的相位處理與GMSK相同,但它們在調幅(AM)到相位調變(PM)的失真、PA效率以及驅動方式方面有所不同。

修改3GPP發射機技術指標可適應採用8-PSK調變方式的手機,並可用誤差向量幅度(EVM)代替相位誤差指標來表示8-PSK的附加調幅(AM)能力。這將增加原點偏移抑制,它是表示發射機品質的重要度量。由於考慮到發射機和主要調變方案中的附加複雜度,放鬆了對調變頻譜的限制。然而除此之外,所有其它的GSM射頻發射和接收測試都可用於EDGE終端。這是因為在正常的語音通話中,手機採用傳統的GMSK模式,所以該模式的性能仍然非常重要。


3GPP附件G中RMS EVM的數學定義為:

該式中的E(k)是誤差向量,S(k)是理想的發射機訊號。

觀察星座圖中的發射機數據點,也可透過圖形表示EVM概念。根據圖3中所示的黑點,我們可以計算並且繪製出理想點。這幅圖中紅線表示所測數據點示例,其相位和幅度都偏離理想值。相位和幅度誤差構成了誤差向量的分量。發射機的不完美性,例如鎖相環(PLL)噪音、PA失真效應、熱噪音以及調變器設計都會產生EVM。


圖3:A用 EVM分量表示的8-PSK星座圖,B用原點偏移表示的8-PSK星座圖

3GPP中原點偏移抑制訂義為:

式中C0表示載波饋通的恆定偏移,S(k)是理想發射機訊號。

在3GPP指標中,計算EVM之前的誤差訊號不需考慮C0,但在原點偏移抑制指標中需考慮。原點偏移也可透過繪製星座圖來直觀描述。理想的星座圖位於正中心,非理想星座圖與中心點存在‘偏移’。原點偏移是由發射機訊號鏈中的直流偏移引起的。

由於測試必須遵照3GPP規格,所以我們可以使用具有EDGE選項或類似選項的羅德史瓦茲(R&S)公司CMU 200射頻通訊測試裝置。該裝置能夠根據GSM規格快速精確地測量參數。這些參數包括前面提到的EVM、原點偏移抑制以及調變頻譜。但對於覆蓋975個訊息通道的四波段無線電收發機而言,每個訊息通道都需要進行幾項測試。如果沒有自動測試設備則不可能完成這些任務。自動測試裝置也可用來控制待測元件(DUT)的溫度和電壓條件,因而確保達到快速、可重覆和精確特性。圖5中所示是測量系統。


圖5. 測試系統

控制器是具有HPIB介面的個人電腦(PC)。HPIB介面匯流排用來連接所有的儀器,當通話設立後,透過行動射頻(RF)訊息通道發射訊號控制DUT。如果DUT具有RF連接器,則與測試裝置連接很簡單;否則必須使用消聲室。若沒有完整尺寸的消聲室或者方案不可行,則可以使用具有合適天線耦合器的RF屏蔽盒,例如R&S CMU Z10。在這種情況下,必須仔細校正輻射損耗。

PC上執行的是儀表儀器控制器程式。NI公司的LabVIEW或安捷倫公司的VEE開發環境可提供理想的工具,且其儀器驅動器也簡單易用。最終的程式應包括3個關鍵部份:圖形用戶介面(GUI);測量程式;數據採集、組織和表示。

主介面允許用戶配置測試的高階參數,例如:測試的頻率波段;訊息通道階躍寬度或專用測試訊息通道;測量;輸出數據文件位置。該軟體也包括‘設置’介面,在這裡可配置詳細參數,包括網路類型、GSM/EDGE選擇以及進一步設置GPRS/EGPRS模式。在該介面中,可鍵入RF損耗,它需要根據特定的測試環境校準。當配置設置後,其可保存測試配置以備將來使用。

當用戶點選F1:OK按鈕後(圖6),通訊測試裝置要與DUT連接。


圖6 ADI公司開發的GUI主介面

如果連接成功,將提示用戶設立通話。當通話設立後,所有的訊號傳輸自動進行。然後將透過儀器控制程式收集數據及儲存在電子表格中,並在該環境中加以處理,以提供組織良好的圖表、最小值-最大值數據表以及用戶設置限制通過或失敗的資訊。


圖7 ADI公司組合測試程式產生的表格輸出介面

幾種方案測試結果

使用上述ADI公司的測試環境可簡化EDGE和GMSK模式下手機設計EDGE標準檢驗過程,並且獲得清晰的性能圖片。以下將對市場上最近推出的大量產的多波段EDGE手機和晶片組提供的測試結果進行總結。雖然我們可提供許多數據點,但下面的測試結果只總結了本文所討論的四類關鍵參數:

● GMSK調變頻譜

● 8-PSK調變頻譜

● 原點偏移

● EVM

第一種手機設計(圖8)能很好滿足了8-PSK頻譜、EVM和原點偏移指標。但在GMSK模式下調變頻譜正好位於其技術指標的極限值上。這是一個EDGE模式如何折衷GMSK性能的例子。只使用GMSK調變方式的典型手機可提供6dB的裕量。


圖8 第一種設計測試結果數據點

第二種設計(圖9)中兩種調變頻譜顯示其在規格上具有適當的裕量,但有些訊息通道的峰值EVM分佈相當高並且接近30%。這可能是由調變器的拙劣設計或發射機頻率規劃問題引起的。


圖9 第二種設計測試結果數據點

第三種設計(圖10)顯示GMAK模式下部份訊息通道的調變頻譜接近於規格極限值。在8-PSK模式下,PCS波段高階的調變頻譜增加到超過規格。部份訊息通道的峰值EVM也很差。這是一種三波段設計,但其在高頻存在一些嚴重的一致性問題。


圖10 第三種設計測試結果數據點

第四種設計(圖11)顯示了很好的EVM和原點偏移,它們具有規格之上的大裕量,但在臨界400kHz偏移的調變頻譜顯示其存在一些問題。在GMSK模式下,個別訊息通道顯示具有非一致性,這可能是與上變頻處理耦合時的一些中頻(IF)雜散發射引起的。在8-PSK模式下,基本遮罩值很小,或沒有規格之上的裕量。


圖11 第四種設計測試結果數據點

第五種設計(圖12)使用Othello AD6546極性迴路EDGE收發器IC。GMSK和8 PSK模式下的調變頻譜顯示其具有60/54dBc規格之上的良好裕量。正如原點偏移和EVM所示,調變品質也顯示具有很好的裕量。


圖12 第五種設計測試結果數據點

本文小結

EDGE增強型標準為手機供應商和設計工程師提出了新的挑戰。3GPP 45.005技術規格描述了生產符合標準的手機所需的附加測試。隨著大量產能夠支援EDGE標準的手機明顯增多,滿足手機指標對成本敏感的消費性市場極其重要。由高整合度收發器(例如AD6546)組成的解決方案,並加上優秀設計和架構選擇是確保低的偏差和高產量的關鍵。然而,為了驗證設計,IC和手機測試都非常重要。本文所描述的工具和方法論可提供理想的測試解決方案。

本文由ADI公司供稿




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