GSM射频性能指标及调试

1、GSM 射频性能指标及调试目录:1、 GSM 射频电路原理22、 射频(RF指标的定义及要求33、 设计和调试方法84、实际电路调试举例10 版本管理时间 状态 版本1 GSM射频电路原理GSM 系统是一个 TDMA 系统,它在一个宽带的无线载波上,按时间(或称 为时隙 划分为若干时分信道, 每一用户占用一个时隙, 只在这一指定的时隙内 收(或发信号。具体来说,每一个用户分配给一个时隙(在呼叫开始时分配 , 用户与基站之间进行同步通信, 并对时隙进行计数。 当自己的时隙到来时, 手机 就启动接收和解调电路, 对基站发来的猝发式信息进行解码。 同样, 当用户要发 送信息时,首先将信息进行缓存,等

2、到自己时隙的到来。在时隙开始后,再将信 息以加倍的速率发射出去,然后又开始积累下一次猝发式传输。GSM 系统中有具有功率控制技术,该技术根据手机距离基站的距离来对发 射的功率进行调解, 当手机离基站较近时, 需要降低发射功率, 减少对其它用户 的干扰,当手机离基站较远时,就应该增加功率,克服增加了的路径衰耗。每个 发射的 Burst 信号如下图 1所示:图 1 GSM TDMA Power BurstGSM 系统采用 GMSK (Gaussian Minimun Shift Keying调制技术,它将模 拟信号通过编码转化为数字信号, 然后经过相位调制器调制到较高的载频上, 然 后发射。手机射

3、频单元的发信通路将基带单元产生的270.833kbit/ s 的TDMA 帧数 据流信号按GMSK调制方法形成I、 Q 信号, 再调制到900MHz 或1800MHz射频信号, 经射频开关, 由天线发射出去, 收信通路将天线接收的信号经低噪声放大、 解调, 产生基带I、 Q 信号, 通过解调和均衡将模拟的I、 Q 信号进行数字化, 恢复出数 字基带信号, 送基带电路处理。射频单元的本振信号通常从时基电路获得基准 频率, 然后采用锁相环技术实现频率合成。2 射频 (RF指标的定义及要求对于手机的射频指标来说,主要就是要满足以下两个方面的要求:第一、要 能够维持自身链路的完整和高质量的连通; 第二

4、、 不能影响其它通信设备或者使 用 RF 频段的其他装置。针对这两个要求,于是有了关于手机射频的众多指标, 下面一一进行介绍。2.1 接收灵敏度(Rx sensitivity RSSI(1定义接收灵敏度 是指 收信机在满足一定的误码率性能条件下收信机输入端需输入的最小信 号电平 。衡量收信机误码性能主要有 帧删除率 (FER、 残余误比特率 (RBER和 误比特率 (BER三个参数。这里只介绍用残余误比特率 (RBER来测量接收灵敏度。残余误比特率 (RBER的定义为接收到的错误比特与所有发送的的数据比特之比。 (2技术要求GSM900 RSSI -102dBmGSM800 RSSI -102

5、dBmGSM1800 RSSI -102dBmGSM1900 RSSI -102 dBm其中 GSM1800在某些情况下可以要求灵敏度小于 -100dBm ,以上所列的值均是可以接 受的最差值, 我们实际调试的接收灵敏度在传导条件下应该小于 -109dBm 为优, 在辐射条件 下 -107dBm为优。2.2频率误差 Fe 、相位误差峰值 Pepeak 、相位误差有效值 PeRMS(1定义测量发射信号的频率和相位误差是检验发信机调制信号的质量。 GSM 调制方案是高斯 最小移频键控 (GMSK,归一化带宽为 BT =0.3。发射信号的相位误差 定义为:发信机发射信号的相位与理论上最好信号的相位之

6、差。 理论上的相位轨迹可根据一个己知的伪随机比特流通过 GMSK 脉冲成形滤波器得到。 频率误差 定义为 考虑了调制和相位误差的影响以后,发射信号的频率与该绝对射频频 道号 (ARFCH对应的标称频率之间的差。 它通过相应误差做线性回归, 计算该回归线的斜率 即可得到频率误差 (因为=/t相位误差峰值 Pepeak 是离该回归线最远的值。 相位误差有 效值 PeRMS 即相位误差均方根值, 是所有点的相位误差和其线性回归之间的差的均方根值。 (2技术要求对于频率误差:应该小于 0.1ppm ,对于 GSM ,其频率误差为90HZ ,对于 DCS 是180HZ 。对于 PCS 是190Hz 。对

7、于相位误差:Peak Phase Error不超过 : 20; RMS Phase Error不超过 Limit: 5以 GSM900MHz 频段为例频率误差 Fe若 Fe 90Hz ,则频率误差为不合格。相位误差峰值 Pepeak若 Pepeak 20deg ,则这项指标为不合格。相位误差有效值 PeRMS若 PeRMs 5deg ,则这项指标为不合格。2.3 射频输出功率 Po(1定义鉴于移动通信组网时的远近效应, 在与基站通信过程中必须对移动台的发射功率进行 控制 (动态调整 ,以便能保证移动台与基站之间一定的通信质量而又不至于对其它移动台产 生明显的干扰。 同样, 也可以对基站的发射功

8、率进行射频功率控制。 测试移动台的射频输出 功率在功率控制的每一级电平上是否满足 ETSI 规定的功率要求。(2技术要求GSM950以及 GSM850见列表所示:Table1GSM 功率GSM 900 and GSM 850Power control level Nominal Outputpower (dBmTolerance (dB for conditions22,53434343434343434343434343456565656DCS1800以及 PCS1900见列表所示:Table2 DCS/PCS功率DCS 1800 and PCS1900Power control level

9、 Nominal Output power(dBmTolerance (dB for conditions343434343434343434454545454556562.4调制频谱和开关频谱(1定义由于 GSM 调制信号的突发特性,因此输出射频频谱应考虑由于调制和射频功率电平切 换而引起的对相邻信道干扰。 在时间上, 连续调制频谱和功率切换频谱是不发生的, 因而输 出射频频谱可分为连续调制频谱和切换频谱来分别地加以规定和测量。连续调制 是 测量由 GSM 调制处理而产生的在其标称载频同频偏处 (主要是在相邻频道 的射频功率。开关频谱 即切换瞬态频谱, 是 测量由于调制突发的上下降沿而产生的

10、在其标称载频的不 同频偏处 (主要是在相邻频道 的射频功率 。简单来说,调制频谱是时间对应信息比特时的频 谱;而开关频谱是时间对应发射 burst 上升和下降沿时的频谱。图 2就是发射突发信号的波形图:Submitted by haiyu RF Engineer of Techfaith 6海宇 RF 硬件工程师图 2发射突发信号波形图(2技术要求对于 GSM900MHz 频段 调制频谱Table3 调制谱要求开关频谱Submitted by haiyu RF Engineer of Techfaith 7海宇 RF 硬件工程师Table4 调制谱要求2.5 杂散辐射(1定义杂散辐射 是指 用

11、标推测试信号调制时在除载频和由于正常调制和切换瞬态引起的边带以及邻道以外离散频率上的辐射 (即远端辐射 。杂散辐射按其来源的不同可分为传导型和辐射型两种。 传导型杂散辐射 是指 天线连接器处或进入电源引线 (仅指基站 引起的任何杂散辐射 ; 辐射型杂散辐射 是指 由于机箱 (或机柜 以及设备的结构而引起的任何杂散辐射。(2 技术要求功率电平设置为对应频段的最大功率等级指标要求:Table5杂散要求对于在发射状态的移动台,传导型杂散辐射在段频 9KHz-1GHz 内的杂散辐射功率电平应小于 250nw(即 -36dBm ;在 1GHz 一 12.75GHz 频段内的传导型杂散辐射功率电平应小于

12、1uw(即号 -30dBm 。对于空闲状态的移动台来说, 9kHz-1GHz 频段内的传导型杂散功率电平应小于2nW(-57dBm; 1GHz-12.75GHz 频段内的传导型杂散功率电平应小于 20nW(即 -47dBm 。 3、设计和调试方法:3.1关于灵敏度指标灵敏度的公式如下所示:Noise flow=-174+10logBW+NF(1若通过测量发现 灵敏度不高 , 则 问题主要出现在接收机的高频或中频部分, 其次是模拟 I /Q 解调部分 。 可先通过测量模拟 I /Q 输出端的电平和信噪比来判断问题是出现在哪一部 分。灵敏度指标主要与接收机的中频放大器特别是 RF 前端的 LNA

13、和第一混频器有关。在 许多情况下, 影响和制约灵敏度的因素不在于增益而在于噪声系数 。对于 GSM 移动电话前 端 LNA 的要求是:噪声系数小于 2dB 、 增益约 15dB /GSM900或 13dB /DCSl800, 第一混 频器的增益约 10dB 。键控 AGC 的可控制范围约 20dB 。(1选择高增益、低噪声的 RF 前端电路。(2测试从前端到模拟 I /Q 输出端的净增益是否足够。一般 GSM 移动电话 I /Q 单端输出的信号强度为 500mVpp=26.98dBm, 根据 EYSI 标准 的技术要求净增益应大于 90dB 。如果增益不够,考虑支路上可能有产生衰减的源,进行消

14、 除。(3对于 SAW 的分析, 在设计时, 考虑 SAW 滤波器的选择和输入输出匹配电路的设计。 第一射频 SAW 滤波器应主要考虑具有低的插损 :第二射频 SAW 滤波器主要考虑具有高的 选择性 ;在调试时,考虑是否 SAW 来料不良或者焊接有问题。(4考虑 RF Tx/RX 开关 IC ,要确认控制逻辑以及相应的电平是否正确。(6EMC的接地、屏蔽和滤波的措施是否得当。(7工艺方面的考虑:应注意 PCB layout设计,特别是前端电路的布局设计和特征阻抗 匹配设计; 应注意到由于 SMT 工艺参数选择不合适会造成 RF 部分特别是 SAW 滤波器虚焊。 3.2频率误差 /相位误差的设计

15、、调试方法我们知道公式=t ,对这个式子两边求导数,得到公式d = td +dt, = 2f (2由此,我们可以看出频率误差和相位误差是相关的,而在实际的调试中,频率误差问 题比较小,而相位误差问题比较大,我们对它进行分析,看看影响它的因素究竟有哪些。 1、公式中有频率项 f ,因而频率要精确,所以这就有两项要求,第一是对 VCO 频率精确 度的要求,第二是对 PLL 锁相精度的要求;因而在方案的选择中我们选择 VCO 频率精度高, PLL 锁相精度高的 transiver 。2、 在公式中, 频率误差 d 相同的条件下, 降低频率有利于减小d ,因而可以减小相位 误差,而手机的频率有13M和

16、26M两种,应该选择13M进行工作。(在我们使用的手机设计方 案中,虽然外部时钟为26M,但是经过频率转换,内部实际使用的时钟仍然为13M。 3、公式中有时间项,当频率一定时,改变时间同样可以改变相位,因而可以通过物理 层的时间进行调节(通过平台软件参数对相位进行补偿。4、采用双端输入方式I/Q正交调制器。与单端方式相比较,双端方式可以降低串扰,减 小噪声,而在单端到双端的转化上,我们采用Balun(一种平衡-不平衡转换器,其原理如 下图所示:Submitted by haiyu RF Engineer of Techfaith 8海宇 RF 硬件工程师 图3 Balun电路图由L1、C1 组

17、成LPF , 其输出的电压滞后于电流; L2 和C2 组成HPF , 其相位输出特性 与LPF 相反, 即输出电压超前于电流; C3、C4 在工作频率范围内呈现交流短路, 同时隔离 直流电压;L3 对中心工作频率的阻抗等于与它相匹配器件的阻抗。以GSM为例,根据公式Fc = 1/ 2 (LC 1/ 2 = 915MHz (LPF(3Fc = 1/ 2 (LC 1/ 2 = 880MHz (HPF(4选取适当的 L , 从而确定 C , 也可以通过电路仿真软件进行仿真设计具有较好 S21特性的参数 组,从而达到减小相位误差的作用。5、I/ Q 正交调制器的直流偏置电平和交流输入电平相当于器件的静

18、态和动态工作点。 若工作点不对, 则肯定会对指标造成不良影响。因而我们在芯片的应用上,电压一定要按 SPEC进行连接,同时要保证其有良好滤波。6、 PCB 布线影响其实, PCB 布线对于相位误差的影响就是 EMC 研究的课题,对于布线时候,对于差分 信号要进行并行走线, 同时要进行良好的包地, 另外对于一些敏感信号, 最好不要经过射频 区域。这在查线时候应该予以考虑。7、电路匹配的影响包括 PA 匹配和 SAW 匹配以及其他传送支路上的匹配,这些需要在调试中加以注意。 3.3发射功率指标的改进办法功率的问题一般有以下几种,第一是最大功率出不来,第二是功率未校准,第三是功 率不平坦。(1检查

19、PA 的激励功率是否足够 ? 若有问题,可加大激励功率;(2再次检查 PA 的输入和输出匹配电路设计是否正确;(3关键器件 PA 的技术参数是否满足要求;(4检查和测试 RF 开关、定向耦合器、天线端的 RF 测试接插件、 PA 供电电路是否正 常;(5APC控制 IC 、 APC 控制软件中的 table 参数是否有问题.3.4 调制谱线和切换谱线调制谱一般不会出现比较严重的问题,如果问题较大,可以考虑降低射频 LNA 的增 益,如果仍然无效,可考虑电路的布局问题;切换频谱出现 fail ,一般是伴随着 Time Mask 而出现的,因为切换谱就是上升沿和下 降沿的 fourier 变换,所

20、以两者密切联系,一般可以通过调节平台的软件参数得到解决。 3.5 杂散调试传导杂散的调试一般考虑 PA 的匹配,其前端或者对于谐波的抑制电路;Submitted by haiyu RF Engineer of Techfaith 9海宇 RF 硬件工程师Submitted by haiyu RF Engineer of Techfaith 10海宇 RF 硬件工程师 辐射杂散的调试一般是 EMC 的问题,考虑接地,屏蔽、滤波。 4、实际电路调试举例:以某欧洲平台的 GSM 手机为例,其射频电路的系统框图如下所示:图 4射频模块图如图所示,天线为收发双工天线。对于接收通路,信号从天线接收后,经过

21、天线匹配电路后进入射频调试 connector,然后通过开关匹配电路,进入 Switch,此时接收通路由transiver 控制打开具体的接收频段,信号进入 transiver 经过处理送入 CPU;对于发射通路,信号从 transiver 进入 PA,然后通过 Switch,经过开关匹配电路通过天线发射出去。4.1功率调节功率问题:首先查一下各级的功率, 在哪级功率不够就在哪里查, 功率可能出现的问题一般发生在以下几个地方:1、connector 接反导致功率出不来2、开关匹配电路图 5 开关匹配电路3、开关逻辑发生问题4、开关和 PA 的匹配北京德信无线通讯科技有限公司 Techfaith

22、 Wireless R&D Co., Ltd. 文件编号： 保密等级： 图 6 PA Switch 匹配电路 有项目去掉 PI 型网络的下面的电容和电感功率就可以出来 5、PA 的匹配 图 7 PA Transiver 匹配电路 有项目将支路的电阻改为电容就可以将功率调出来； 有项目将后面的电阻网络的串联值减小可以将功率调出来； 6，PA 的虚焊 7，AGC 的设置不当 对功率的调节，参造下表： Submitted by haiyu RF Engineer of Techfaith 海宇 RF 硬件工程师 11 北京德信无线通讯科技有限公司 Techfaith Wireless R&D Co., Ltd. 文件编号： 保密等级： 图 8 TAT 调试工具 4.2 Phase Error 调节 I/Q 直流分量不平衡 调节 Balun 电路的调节，一般调节两路上的电容 开关控制信号的滤波电容调节 Transiver 和 PA 之间的匹配电路调节 PA 的输出匹配调节 电源的滤波电容调节 接收支路对于发射电路的影响 （一般断掉其中某路接收进行判断然后找到解决问题的方 法） 4.3 切换谱调节 调节软件上升沿幅度 DAC 值 4.4 灵敏度调节 电源感温引脚接 0.1uf 的电容来改善 5 信道传导灵敏度。 MCLK PCLK 上接