GSM射頻性能指標(biāo)及調(diào)試

1、GSM 射頻性能指標(biāo)及調(diào)試目錄:1、 GSM 射頻電路原理22、 射頻(RF指標(biāo)的定義及要求33、 設(shè)計(jì)和調(diào)試方法84、實(shí)際電路調(diào)試舉例10 版本管理時(shí)間 狀態(tài) 版本2006.11.20 初稿1 GSM射頻電路原理GSM 系統(tǒng)是一個(gè) TDMA 系統(tǒng),它在一個(gè)寬帶的無(wú)線載波上,按時(shí)間(或稱 為時(shí)隙 劃分為若干時(shí)分信道, 每一用戶占用一個(gè)時(shí)隙, 只在這一指定的時(shí)隙內(nèi) 收(或發(fā)信號(hào)。具體來(lái)說(shuō),每一個(gè)用戶分配給一個(gè)時(shí)隙(在呼叫開始時(shí)分配 , 用戶與基站之間進(jìn)行同步通信, 并對(duì)時(shí)隙進(jìn)行計(jì)數(shù)。 當(dāng)自己的時(shí)隙到來(lái)時(shí), 手機(jī) 就啟動(dòng)接收和解調(diào)電路, 對(duì)基站發(fā)來(lái)的猝發(fā)式信息進(jìn)行解碼。 同樣, 當(dāng)用戶要發(fā) 送信息

2、時(shí),首先將信息進(jìn)行緩存,等到自己時(shí)隙的到來(lái)。在時(shí)隙開始后,再將信 息以加倍的速率發(fā)射出去,然后又開始積累下一次猝發(fā)式傳輸。GSM 系統(tǒng)中有具有功率控制技術(shù),該技術(shù)根據(jù)手機(jī)距離基站的距離來(lái)對(duì)發(fā) 射的功率進(jìn)行調(diào)解, 當(dāng)手機(jī)離基站較近時(shí), 需要降低發(fā)射功率, 減少對(duì)其它用戶 的干擾,當(dāng)手機(jī)離基站較遠(yuǎn)時(shí),就應(yīng)該增加功率,克服增加了的路徑衰耗。每個(gè) 發(fā)射的 Burst 信號(hào)如下圖 1所示:圖 1 GSM TDMA Power BurstGSM 系統(tǒng)采用 GMSK (Gaussian Minimun Shift Keying調(diào)制技術(shù),它將模 擬信號(hào)通過(guò)編碼轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào), 然后經(jīng)過(guò)相位調(diào)制器調(diào)制到較高的載

3、頻上, 然 后發(fā)射。手機(jī)射頻單元的發(fā)信通路將基帶單元產(chǎn)生的270.833kbit/ s 的TDMA 幀數(shù) 據(jù)流信號(hào)按GMSK調(diào)制方法形成I、 Q 信號(hào), 再調(diào)制到900MHz 或1800MHz射頻信號(hào), 經(jīng)射頻開關(guān), 由天線發(fā)射出去, 收信通路將天線接收的信號(hào)經(jīng)低噪聲放大、 解調(diào), 產(chǎn)生基帶I、 Q 信號(hào), 通過(guò)解調(diào)和均衡將模擬的I、 Q 信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化, 恢復(fù)出數(shù) 字基帶信號(hào), 送基帶電路處理。射頻單元的本振信號(hào)通常從時(shí)基電路獲得基準(zhǔn) 頻率, 然后采用鎖相環(huán)技術(shù)實(shí)現(xiàn)頻率合成。2 射頻 (RF指標(biāo)的定義及要求對(duì)于手機(jī)的射頻指標(biāo)來(lái)說(shuō),主要就是要滿足以下兩個(gè)方面的要求:第一、要 能夠維持自身鏈路的

4、完整和高質(zhì)量的連通; 第二、 不能影響其它通信設(shè)備或者使 用 RF 頻段的其他裝置。針對(duì)這兩個(gè)要求,于是有了關(guān)于手機(jī)射頻的眾多指標(biāo), 下面一一進(jìn)行介紹。2.1 接收靈敏度(Rx sensitivity RSSI(1定義接收靈敏度 是指 收信機(jī)在滿足一定的誤碼率性能條件下收信機(jī)輸入端需輸入的最小信 號(hào)電平 。衡量收信機(jī)誤碼性能主要有 幀刪除率 (FER、 殘余誤比特率 (RBER和 誤比特率 (BER三個(gè)參數(shù)。這里只介紹用殘余誤比特率 (RBER來(lái)測(cè)量接收靈敏度。殘余誤比特率 (RBER的定義為接收到的錯(cuò)誤比特與所有發(fā)送的的數(shù)據(jù)比特之比。 (2技術(shù)要求GSM900 RSSI <-102dB

5、mGSM800 RSSI <-102dBmGSM1800 RSSI <-102dBmGSM1900 RSSI <-102 dBm其中 GSM1800在某些情況下可以要求靈敏度小于 -100dBm ,以上所列的值均是可以接 受的最差值, 我們實(shí)際調(diào)試的接收靈敏度在傳導(dǎo)條件下應(yīng)該小于 -109dBm 為優(yōu), 在輻射條件 下 <-107dBm為優(yōu)。2.2頻率誤差 Fe 、相位誤差峰值 Pepeak 、相位誤差有效值 PeRMS(1定義測(cè)量發(fā)射信號(hào)的頻率和相位誤差是檢驗(yàn)發(fā)信機(jī)調(diào)制信號(hào)的質(zhì)量。 GSM 調(diào)制方案是高斯 最小移頻鍵控 (GMSK,歸一化帶寬為 BT =0.3。發(fā)射信

6、號(hào)的相位誤差 定義為:發(fā)信機(jī)發(fā)射信號(hào)的相位與理論上最好信號(hào)的相位之差。 理論上的相位軌跡可根據(jù)一個(gè)己知的偽隨機(jī)比特流通過(guò) GMSK 脈沖成形濾波器得到。 頻率誤差 定義為 考慮了調(diào)制和相位誤差的影響以后,發(fā)射信號(hào)的頻率與該絕對(duì)射頻頻 道號(hào) (ARFCH對(duì)應(yīng)的標(biāo)稱頻率之間的差。 它通過(guò)相應(yīng)誤差做線性回歸, 計(jì)算該回歸線的斜率 即可得到頻率誤差 (因?yàn)?/t相位誤差峰值 Pepeak 是離該回歸線最遠(yuǎn)的值。 相位誤差有 效值 PeRMS 即相位誤差均方根值, 是所有點(diǎn)的相位誤差和其線性回歸之間的差的均方根值。 (2技術(shù)要求對(duì)于頻率誤差:應(yīng)該小于 0.1ppm ,對(duì)于 GSM ,其頻率誤差為

7、7;90HZ ,對(duì)于 DCS 是±180HZ 。對(duì)于 PCS 是±190Hz 。對(duì)于相位誤差:Peak Phase Error不超過(guò) : ±20° RMS Phase Error不超過(guò) Limit: 5°以 GSM900MHz 頻段為例頻率誤差 Fe若 Fe <40Hz ,則頻率誤差為優(yōu);若 40Hz Fe6 60Hz ,則頻率誤差為良好;若 60Hz Fe 90Hz ,則頻率誤差為一般;若 Fe >90Hz ,則頻率誤差為不合格。相位誤差峰值 Pepeak若 Pepeak <7deg ,則相位誤差峰值為優(yōu);若 7deg Pe

8、peak l0deg ,則相位誤差峰值為良好;若 10deg Pepeak 20deg 則相位誤差峰值為一般;若 Pepesk >20deg ,則這項(xiàng)指標(biāo)為不合格。相位誤差有效值 PeRMS若 PeRMs <2. 5deg ,則相位誤差有效值為優(yōu);若 2. 5deg PeRMS 4deg ,則相位誤差有效值為良好;若 4deg PeRMS 5deg ,則相位誤差有效值為一般;若 PeRMS >5deg ,則這項(xiàng)指標(biāo)為不合格。2.3 射頻輸出功率 Po(1定義鑒于移動(dòng)通信組網(wǎng)時(shí)的遠(yuǎn)近效應(yīng), 在與基站通信過(guò)程中必須對(duì)移動(dòng)臺(tái)的發(fā)射功率進(jìn)行 控制 (動(dòng)態(tài)調(diào)整 ,以便能保證移動(dòng)臺(tái)與基站

9、之間一定的通信質(zhì)量而又不至于對(duì)其它移動(dòng)臺(tái)產(chǎn) 生明顯的干擾。 同樣, 也可以對(duì)基站的發(fā)射功率進(jìn)行射頻功率控制。 測(cè)試移動(dòng)臺(tái)的射頻輸出 功率在功率控制的每一級(jí)電平上是否滿足 ETSI 規(guī)定的功率要求。(2技術(shù)要求GSM950以及 GSM850見列表所示:Table1GSM 功率GSM 900 and GSM 850Power control level Nominal Outputpower (dBmTolerance (dB for conditions±2±2,5±3±4±3±4±3±4±3±4

10、±3±4±3±4±3±4±3±4±3±4±3±4±3±4±3±4±3±4±5±6±5±6±5±6±5±6DCS1800以及 PCS1900見列表所示:Table2 DCS/PCS功率DCS 1800 and PCS1900Power control level Nominal Output power(dBmTolerance (dB f

11、or conditions±3±4±3±4±3±4±3±4±3±4±3±4±3±4±3±4±3±4±4±5±4±5±4±5±4±5±4±5±5±6±5±62.4調(diào)制頻譜和開關(guān)頻譜(1定義由于 GSM 調(diào)制信號(hào)的突發(fā)特性,因此輸出射頻頻譜應(yīng)考慮由于調(diào)制和射頻功率電平切 換而引起的對(duì)

12、相鄰信道干擾。 在時(shí)間上, 連續(xù)調(diào)制頻譜和功率切換頻譜是不發(fā)生的, 因而輸 出射頻頻譜可分為連續(xù)調(diào)制頻譜和切換頻譜來(lái)分別地加以規(guī)定和測(cè)量。連續(xù)調(diào)制 是 測(cè)量由 GSM 調(diào)制處理而產(chǎn)生的在其標(biāo)稱載頻同頻偏處 (主要是在相鄰頻道 的射頻功率。開關(guān)頻譜 即切換瞬態(tài)頻譜, 是 測(cè)量由于調(diào)制突發(fā)的上下降沿而產(chǎn)生的在其標(biāo)稱載頻的不 同頻偏處 (主要是在相鄰頻道 的射頻功率 。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),調(diào)制頻譜是時(shí)間對(duì)應(yīng)信息比特時(shí)的頻 譜;而開關(guān)頻譜是時(shí)間對(duì)應(yīng)發(fā)射 burst 上升和下降沿時(shí)的頻譜。圖 2就是發(fā)射突發(fā)信號(hào)的波形圖:Submitted by haiyu RF Engineer of Techfaith 6海宇

13、 RF 硬件工程師圖 2發(fā)射突發(fā)信號(hào)波形圖(2技術(shù)要求對(duì)于 GSM900MHz 頻段 調(diào)制頻譜Table3 調(diào)制譜要求開關(guān)頻譜Submitted by haiyu RF Engineer of Techfaith 7海宇 RF 硬件工程師Table4 調(diào)制譜要求2.5 雜散輻射(1定義雜散輻射 是指 用標(biāo)推測(cè)試信號(hào)調(diào)制時(shí)在除載頻和由于正常調(diào)制和切換瞬態(tài)引起的邊帶以及鄰道以外離散頻率上的輻射 (即遠(yuǎn)端輻射 。雜散輻射按其來(lái)源的不同可分為傳導(dǎo)型和輻射型兩種。 傳導(dǎo)型雜散輻射 是指 天線連接器處或進(jìn)入電源引線 (僅指基站 引起的任何雜散輻射 ; 輻射型雜散輻射 是指 由于機(jī)箱 (或機(jī)柜 以及設(shè)備的結(jié)

14、構(gòu)而引起的任何雜散輻射。(2 技術(shù)要求功率電平設(shè)置為對(duì)應(yīng)頻段的最大功率等級(jí)指標(biāo)要求:Table5雜散要求對(duì)于在發(fā)射狀態(tài)的移動(dòng)臺(tái),傳導(dǎo)型雜散輻射在段頻 9KHz-1GHz 內(nèi)的雜散輻射功率電平應(yīng)小于 250nw(即 -36dBm ;在 1GHz 一 12.75GHz 頻段內(nèi)的傳導(dǎo)型雜散輻射功率電平應(yīng)小于 1uw(即號(hào) -30dBm 。對(duì)于空閑狀態(tài)的移動(dòng)臺(tái)來(lái)說(shuō), 9kHz-1GHz 頻段內(nèi)的傳導(dǎo)型雜散功率電平應(yīng)小于2nW(-57dBm; 1GHz-12.75GHz 頻段內(nèi)的傳導(dǎo)型雜散功率電平應(yīng)小于 20nW(即 -47dBm 。 3、設(shè)計(jì)和調(diào)試方法:3.1關(guān)于靈敏度指標(biāo)靈敏度的公式如下所示:Noi

15、se flow=-174+10logBW+NF(1若通過(guò)測(cè)量發(fā)現(xiàn) 靈敏度不高 , 則 問(wèn)題主要出現(xiàn)在接收機(jī)的高頻或中頻部分, 其次是模擬 I /Q 解調(diào)部分 。 可先通過(guò)測(cè)量模擬 I /Q 輸出端的電平和信噪比來(lái)判斷問(wèn)題是出現(xiàn)在哪一部 分。靈敏度指標(biāo)主要與接收機(jī)的中頻放大器特別是 RF 前端的 LNA 和第一混頻器有關(guān)。在 許多情況下, 影響和制約靈敏度的因素不在于增益而在于噪聲系數(shù) 。對(duì)于 GSM 移動(dòng)電話前 端 LNA 的要求是:噪聲系數(shù)小于 2dB 、 增益約 15dB /GSM900或 13dB /DCSl800, 第一混 頻器的增益約 10dB 。鍵控 AGC 的可控制范圍約 20d

16、B 。(1選擇高增益、低噪聲的 RF 前端電路。(2測(cè)試從前端到模擬 I /Q 輸出端的凈增益是否足夠。一般 GSM 移動(dòng)電話 I /Q 單端輸出的信號(hào)強(qiáng)度為 500mVpp=26.98dBm, 根據(jù) EYSI 標(biāo)準(zhǔn) 的技術(shù)要求凈增益應(yīng)大于 90dB 。如果增益不夠,考慮支路上可能有產(chǎn)生衰減的源,進(jìn)行消 除。(3對(duì)于 SAW 的分析, 在設(shè)計(jì)時(shí), 考慮 SAW 濾波器的選擇和輸入輸出匹配電路的設(shè)計(jì)。 第一射頻 SAW 濾波器應(yīng)主要考慮具有低的插損 :第二射頻 SAW 濾波器主要考慮具有高的 選擇性 ;在調(diào)試時(shí),考慮是否 SAW 來(lái)料不良或者焊接有問(wèn)題。(4考慮 RF Tx/RX 開關(guān) IC ,

17、要確認(rèn)控制邏輯以及相應(yīng)的電平是否正確。(6EMC的接地、屏蔽和濾波的措施是否得當(dāng)。(7工藝方面的考慮:應(yīng)注意 PCB layout設(shè)計(jì),特別是前端電路的布局設(shè)計(jì)和特征阻抗 匹配設(shè)計(jì); 應(yīng)注意到由于 SMT 工藝參數(shù)選擇不合適會(huì)造成 RF 部分特別是 SAW 濾波器虛焊。 3.2頻率誤差 /相位誤差的設(shè)計(jì)、調(diào)試方法我們知道公式=t ,對(duì)這個(gè)式子兩邊求導(dǎo)數(shù),得到公式d = t·d +·dt, = 2f (2由此,我們可以看出頻率誤差和相位誤差是相關(guān)的,而在實(shí)際的調(diào)試中,頻率誤差問(wèn) 題比較小,而相位誤差問(wèn)題比較大,我們對(duì)它進(jìn)行分析,看看影響它的因素究竟有哪些。 1、公式中有頻率項(xiàng)

18、 f ,因而頻率要精確,所以這就有兩項(xiàng)要求,第一是對(duì) VCO 頻率精確 度的要求,第二是對(duì) PLL 鎖相精度的要求;因而在方案的選擇中我們選擇 VCO 頻率精度高, PLL 鎖相精度高的 transiver 。2、 在公式中, 頻率誤差 d 相同的條件下, 降低頻率有利于減小d ,因而可以減小相位 誤差,而手機(jī)的頻率有13M和26M兩種,應(yīng)該選擇13M進(jìn)行工作。(在我們使用的手機(jī)設(shè)計(jì)方 案中,雖然外部時(shí)鐘為26M,但是經(jīng)過(guò)頻率轉(zhuǎn)換,內(nèi)部實(shí)際使用的時(shí)鐘仍然為13M。 3、公式中有時(shí)間項(xiàng),當(dāng)頻率一定時(shí),改變時(shí)間同樣可以改變相位,因而可以通過(guò)物理 層的時(shí)間進(jìn)行調(diào)節(jié)(通過(guò)平臺(tái)軟件參數(shù)對(duì)相位進(jìn)行補(bǔ)償。4

19、、采用雙端輸入方式I/Q正交調(diào)制器。與單端方式相比較,雙端方式可以降低串?dāng)_,減 小噪聲,而在單端到雙端的轉(zhuǎn)化上,我們采用Balun(一種平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器,其原理如 下圖所示:Submitted by haiyu RF Engineer of Techfaith 8海宇 RF 硬件工程師 圖3 Balun電路圖由L1、C1 組成LPF , 其輸出的電壓滯后于電流; L2 和C2 組成HPF , 其相位輸出特性 與LPF 相反, 即輸出電壓超前于電流; C3、C4 在工作頻率范圍內(nèi)呈現(xiàn)交流短路, 同時(shí)隔離 直流電壓;L3 對(duì)中心工作頻率的阻抗等于與它相匹配器件的阻抗。以GSM為例,根據(jù)公式Fc

20、= 1/ 2 (LC 1/ 2 = 915MHz (LPF(3Fc = 1/ 2 (LC 1/ 2 = 880MHz (HPF(4選取適當(dāng)?shù)?L , 從而確定 C , 也可以通過(guò)電路仿真軟件進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)具有較好 S21特性的參數(shù) 組,從而達(dá)到減小相位誤差的作用。5、I/ Q 正交調(diào)制器的直流偏置電平和交流輸入電平相當(dāng)于器件的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)工作點(diǎn)。 若工作點(diǎn)不對(duì), 則肯定會(huì)對(duì)指標(biāo)造成不良影響。因而我們?cè)谛酒膽?yīng)用上,電壓一定要按 SPEC進(jìn)行連接,同時(shí)要保證其有良好濾波。6、 PCB 布線影響其實(shí), PCB 布線對(duì)于相位誤差的影響就是 EMC 研究的課題,對(duì)于布線時(shí)候,對(duì)于差分 信號(hào)要進(jìn)行并行走線,

21、 同時(shí)要進(jìn)行良好的包地, 另外對(duì)于一些敏感信號(hào), 最好不要經(jīng)過(guò)射頻 區(qū)域。這在查線時(shí)候應(yīng)該予以考慮。7、電路匹配的影響包括 PA 匹配和 SAW 匹配以及其他傳送支路上的匹配,這些需要在調(diào)試中加以注意。 3.3發(fā)射功率指標(biāo)的改進(jìn)辦法功率的問(wèn)題一般有以下幾種,第一是最大功率出不來(lái),第二是功率未校準(zhǔn),第三是功 率不平坦。(1檢查 PA 的激勵(lì)功率是否足夠 ? 若有問(wèn)題,可加大激勵(lì)功率;(2再次檢查 PA 的輸入和輸出匹配電路設(shè)計(jì)是否正確;(3關(guān)鍵器件 PA 的技術(shù)參數(shù)是否滿足要求;(4檢查和測(cè)試 RF 開關(guān)、定向耦合器、天線端的 RF 測(cè)試接插件、 PA 供電電路是否正 常;(5APC控制 IC

22、、 APC 控制軟件中的 table 參數(shù)是否有問(wèn)題.3.4 調(diào)制譜線和切換譜線調(diào)制譜一般不會(huì)出現(xiàn)比較嚴(yán)重的問(wèn)題,如果問(wèn)題較大,可以考慮降低射頻 LNA 的增 益,如果仍然無(wú)效,可考慮電路的布局問(wèn)題;切換頻譜出現(xiàn) fail ,一般是伴隨著 Time Mask 而出現(xiàn)的,因?yàn)榍袚Q譜就是上升沿和下 降沿的 fourier 變換,所以兩者密切聯(lián)系,一般可以通過(guò)調(diào)節(jié)平臺(tái)的軟件參數(shù)得到解決。 3.5 雜散調(diào)試傳導(dǎo)雜散的調(diào)試一般考慮 PA 的匹配,其前端或者對(duì)于諧波的抑制電路;Submitted by haiyu RF Engineer of Techfaith 9海宇 RF 硬件工程師Submitted

23、 by haiyu RF Engineer of Techfaith 10海宇 RF 硬件工程師 輻射雜散的調(diào)試一般是 EMC 的問(wèn)題,考慮接地,屏蔽、濾波。 4、實(shí)際電路調(diào)試舉例:以某歐洲平臺(tái)的 GSM 手機(jī)為例,其射頻電路的系統(tǒng)框圖如下所示:圖 4射頻模塊圖如圖所示,天線為收發(fā)雙工天線。對(duì)于接收通路,信號(hào)從天線接收后,經(jīng)過(guò)天線匹配電路后進(jìn)入射頻調(diào)試 connector,然后通過(guò)開關(guān)匹配電路,進(jìn)入 Switch,此時(shí)接收通路由transiver 控制打開具體的接收頻段,信號(hào)進(jìn)入 transiver 經(jīng)過(guò)處理送入 CPU;對(duì)于發(fā)射通路,信號(hào)從 transiver 進(jìn)入 PA,然后通過(guò) Swit

24、ch,經(jīng)過(guò)開關(guān)匹配電路通過(guò)天線發(fā)射出去。4.1功率調(diào)節(jié)功率問(wèn)題:首先查一下各級(jí)的功率, 在哪級(jí)功率不夠就在哪里查, 功率可能出現(xiàn)的問(wèn)題一般發(fā)生在以下幾個(gè)地方:1、connector 接反導(dǎo)致功率出不來(lái)2、開關(guān)匹配電路圖 5 開關(guān)匹配電路3、開關(guān)邏輯發(fā)生問(wèn)題4、開關(guān)和 PA 的匹配北京德信無(wú)線通訊科技有限公司 Techfaith Wireless R&D Co., Ltd. 文件編號(hào)： 保密等級(jí)： 圖 6 PA Switch 匹配電路 有項(xiàng)目去掉 PI 型網(wǎng)絡(luò)的下面的電容和電感功率就可以出來(lái) 5、PA 的匹配 圖 7 PA Transiver 匹配電路 有項(xiàng)目將支路的電阻改為電容就可以將

25、功率調(diào)出來(lái)； 有項(xiàng)目將后面的電阻網(wǎng)絡(luò)的串聯(lián)值減小可以將功率調(diào)出來(lái)； 6，PA 的虛焊 7，AGC 的設(shè)置不當(dāng) 對(duì)功率的調(diào)節(jié)，參造下表： Submitted by haiyu RF Engineer of Techfaith 海宇 RF 硬件工程師 11 北京德信無(wú)線通訊科技有限公司 Techfaith Wireless R&D Co., Ltd. 文件編號(hào)： 保密等級(jí)： 圖 8 TAT 調(diào)試工具 4.2 Phase Error 調(diào)節(jié) I/Q 直流分量不平衡 調(diào)節(jié) Balun 電路的調(diào)節(jié)，一般調(diào)節(jié)兩路上的電容 開關(guān)控制信號(hào)的濾波電容調(diào)節(jié) Transiver 和 PA 之間的匹配電路調(diào)節(jié) PA 的輸出匹配調(diào)節(jié) 電源的濾波電容調(diào)節(jié) 接收支路對(duì)于發(fā)射電路的影響 （一般斷掉其中某路接收進(jìn)行判斷然后找到解決問(wèn)題的方 法） 4.3 切換譜