5G基站关键射频参数的测量

 

本文篇幅较长，分成三部分：概述与5G信号通用解调设置、发射机射频参数测试、接收机测试。
 

基站是5G无线接入网络中的重要节点，其射频性能与5G网络覆盖范围、服务质量等指标高度相关。本文详细介绍了5G基站的射频测试标准和方法，给出了射频传导测试方法以及测试环境构建中的注意事项。

 

Chrent一、概述

基站作为网络接入的关键设备，其射频性能的优劣直接关系到网络容量、覆盖范围、吞吐量等指标，与用户体验息息相关。5G基站主要用于提供5G空口协议功能，支持与用户设备、核心网之间的通信。按照逻辑功能划分，5G基站可分为5G基带单元(CU/DU)与5G射频单元(RU)，二者之间可通过CPRI(Common Public Radio Interface，通用公共无线电接口)或eCPRI(enhanced Common Public Radio Interface，增强型通用公共无线电接口)接口连接。

5G基站的射频性能测试分为传导测试(Conducted)和空口辐射(Radiated或者OTA，Over The Air)测试两类。从射频测试的物理连接的角度，5G基站可以分为1-C、1-H、1-O、2-O四种类型。

TAB(Transceiver Array Boundary，收发信机阵列边界)

目前5G基站射频一致性测试标准主要有3GPP制定的国际标准和中国通信标准化协会(CCSA)制订的国内通信行业标准。3GPP组织制定的5G基站射频一致性标准包括：射频技术要求(38.104)、射频传导测试方法(38.141-1)和射频OTA测试方法(38.141-2)，是基站射频指标的基本要求。

国内5G基站的行业标准包括《5G数字蜂窝移动通信网6GHz以下频段基站设备技术要求》和《5G数字蜂窝移动通信网6GHz以下频段基站设备测试方法》两本。

 

Chrent二、发射机测试

发射机的射频传导测试包括如下图所示。

①基站输出功率项目主要测试基站在常温环境和极限环境下输出功率的准确性和稳定性，评估基站在不同环境长时间工作的性能。

②输出功率动态范围项目主要测试基站在最大功率输出模式和最小功率输出模式下的准确性，以保证在满负荷和最低负荷时均能进行准确的信号传输。

③发射机开/关功率测试项仅针对TDD(Time Division Duplexing，时分双工)制式的基站，主要测试在收发时隙切换的过程中，时隙开关打开和关闭的时机控制是否符合要求，以及时隙开关关闭后的底噪是否符合要求。

④信号质量测试包含频率误差、调制质量和时间对齐误差三个子项目，主要测试发射信号在频域、时域、调制域上的准确度。

⑤非期望辐射包含占用带宽、邻道抑制比、频谱发射模板、发射机杂散四个项目，主要保证基站发射信号时不对工作频带内或带外其他频段产生影响。

⑥发射机互调项目主要考察发射机抑制自身信号与干扰信号产生非线性产物的能力。当有干扰信号注入天线连接器时，干扰信号会与基站自身发射的信号产生非线性产物，该非线性产物可能会干扰其他频率的发射信号或接收信号。干扰信号来源可能是共址基站的共址发射互调，也可能是本基站其他发射单元的系统内发射互调。

  

2.1测试平台搭建和基本操作

2.1.1测试平台

测试平台如下图所示，频谱仪和配备的5G信号解调选件是发射机测试的主要设备，待测基站通过衰减器或者滤波器、限幅器与频谱仪射频输入端口相连，以保护频谱仪不被大功率信号损坏。测试过程中，为防止外界干扰对测试结果的影响，也可将测试系统搭建在屏蔽室中。根据测试需要，将被测基站的参考时钟、触发同步信号通过线缆连接至信号分析仪，并在信号分析仪上进行外部时钟、外部触发的相应设置，并采用单次解调测量的方式，使信号分析仪的解调更加准确、可读。 

图2.1发射机测试平台

发射机测试的基本流程如下：

①按照搭建测试链路，将基站天线连接器通过射频线缆经合适的衰减器连接至信号分析仪；

②配置基站按照最低工作频率、最大工作带宽、测试模式(test model)发射信号；

③在信号分析仪上，使用信道功率(channel power)测量模式读取基站发射功率的数值和邻道抑制比的数值，使用SEM模式完成频谱发射模板的测试，使用调制分析模式完成EVM和频率误差测试，等等。

④更改基站的测试模式，完成该模式对应项目的测试。

⑤更改基站工作的频率、带宽，重复进行步骤③、④，直到完成所有频率、带宽、测试模式的测试项目。

 

2.1.2 Test Model信号

3GPP 38.141中定义了不同测试项目所需的不同测试模版信号(Test Model)，并以数字编号，下面列举了常用的三种Test Model信号用于哪些测试项目
 

Test Model 1.1：

BS output power

Transmit ON/OFF power

TAE

Unwanted emissions

Occupied bandwidth

ACLR

Operating band unwanted emissions

Transmitter spurious emissions

Transmitter intermodulation

Receiver spurious emissions

Test Model 3.1/3.1a：

Output power dynamics

Total power dynamic range(upper OFDM symbol power limit at max power with all 64QAM PRBs allocated)

Transmitted signal quality

Frequency error

EVM for 64QAM(256QAM for 3.1a)modulation(at max power)

Test Model 2/2a：
 

Total power dynamic range(lower OFDM symbol power limit at min power)

EVM of single 64QAM256QAM for 2a)PRB allocation(at min power)

Frequency error(at min power)

 

2.1.6 5G信号通用解调设置

手动操作步骤：

①选择并启动5GNR解调测试软件 

②设置中心频率 

③选择基本信号参数和调制方式，也可以直接调用Test Model 

④设置参考电平，补偿外部衰减 

⑤开启“忽略DC子载波”功能(“DC打孔”) 

⑥PDSCH的时频资源的配置可以选择自动检测 

 

2.2发射功率测试

2.2.1最大发射功率
 

基站发射机会设计一个最大发射功率以进行区域覆盖。5G基站最大发射功率实测最大发射功率应在TS38.141-6.2.1章节所规定的指标范围之内，极端情况下不超过指标±3.2-3.5dB。下图是最大发射功率的频谱与信道功率读数。 

图2.2.1最大发射功率测指标 

  

2.2.2发射关断功率和发射机过渡时间

由于5G TDD采用时分的双工方式，导致采用的帧结构以及频谱利用率与FDD方式有差别。在发射机测试中，5G TDD引入了特殊的测试项目。如下图所示，发射机关断功率规定了当基站发射机处于关闭状态时由发射机器件噪声以及热噪声产生的功率指标。关断功率过高会导致整个系统出现过多的噪声，指标要求在关断功率谱密度小于-83dBm/MHz。 

发射机过渡时间是指发射机实现从关到开或者从开到关的转换所需要的时间。由于TDD系统以时隙作为收发转换的基本时间单位，理想情况下发射机过渡时间为0，此时TDD信号上下行之间不存在相互干扰。但在实际设备实现上无法达到此理想情况，所以应尽量保证不会因发射机开关转换时间过长而造成相邻时隙间相互串扰，从而导致降低系统性能。 

图2.2.2发射关断功率和发射机过渡时间示意图

如果待测基站之后接的射频衰减器的衰减量太大会增加发射机关闭时的基底噪声，湮没发射机自身的噪底。如果射频衰减器的衰减量太小，基站的大功率信号又会损坏频谱仪。

因此，该测试项目需要限幅器，作用是在发射机开启时把射频功率限制在一个恒定的较小功率，同时保持发射机关闭时基底噪声不变。环形器可选配，主要作用是避免限幅器反射的反向大功率损坏基站。 

图2.2.3发射关断功率和发射机过渡时间测试平台

测量结果如下图，不仅可以显示发射机关断时的功率与门限值，还可以显示过渡时间。 

图2.2.4发射关断功率和发射机过渡时间测试结果

 

2.3输出功率动态范围测试

2.3.1RE功率控制动态范围

RE功率控制动态范围是RE功率与平均RE功率之差。但协议没有为这个测试用例定义特定的测试目标。而采用误差矢量幅度(EVM)测试覆盖此测试。所以通常此测试不做。

 

2.3.2总功率动态范围

一个基站的总功率动态范围是最大值和最小值的差值OFDM符号在指定参考条件下的发射功率。动态范围的上限为在所有RB上传输时，BS在最大输出功率下的OFDM符号功率。下限为单个RB传动的平均功率。

测试步骤如下：

①第一次测试选择test model 3.1/3.1a(支持256QAM)

②第二次测试选择test model 2/2a(支持256QAM)

③总功率动态范围=OSTP(第一次测)－OSTP(第二次测) 

 

2.4无用发射测试

2.4.1邻信道泄漏比

邻信道泄漏/抑制比(ACLR或ACPR)是用于衡量发射机线性度的重要参数。以5G 100MHz信号为例，ACLR的定义是：信道功率与偏移中心频率100MHz(相邻信道)和200MHz(相隔信道)的功率的比值。 

由于5G信号产生的峰值因子(crest factor)很大(>8.5dB)，为了避免信号峰值进入功率放大器的非线性区而产生邻信道泄漏，只能提高放大器的回退空间和进行数字预失真(digital pre-distortion，DPD)。

下图是使用频谱仪测试的5G信号的ACLR，此时未开启DPD，可以看到邻道为-41dBc，隔道为-54dBc，无法满足测试协议要求。 

开启DPD，可以看到邻道为-47dBc，隔道为-49dBc，满足测试协议要求。 

图2.4.1 5G 100MHz信号的ACLR测试结果

 

2.4.2频谱发射模版

5G 100MHz信号频谱发射模板定义了一个以被测信号中心频率为中心，频率跨度为300MHz的模板，离载波近的地方用100kHz测量带宽。3GPP TS38.141规定使用Test model 1.1进行频谱模板的测量。允许的测试极限值与基站功率相关。

以下是使用频谱仪测试的5G TDD 100MHz信号的发射频谱模板： 

图2.4.2 5G 100MHz信号的频谱发射模版测试结果

 

2.4.3杂散发射

所谓杂散信号就是在某些频率观察范围内，除主信号外的其它任何频率的杂波能量。其中杂散信号包括了谐波、子谐波和非谐波成份。杂散对任何电路的影响都非常大，例如杂散信号影响输出有用信号的纯度，杂散信号造成其它无线通信系统的干扰等。

杂散发射包括发射机杂散和接收机杂散。基站产品测试杂散根据不同通信制式而不同，因为每个协议产品的通信带宽不一致，关注带内的杂散也不一致。各种协议也明确了各自的杂散要求，如5G 3GPP TS38.141对杂散的规定，即在9kHz-1GHz的频带内发射机为-36dBm；在1-12.75GHz的频带内发射机为-30dBm。 

测试杂散使用频谱仪，特别注意以下几点：

①受频谱仪动态范围的影响，带外的小杂散信号可能检测不到，得借助于陷波器(带阻滤波器)将发射信号滤除后再测试。

②杂散测试需要遵守测试规范所定义的测量带宽(RBW)。

 

2.4.4占用带宽

占用带宽(OBW)测量发射功率中一定比例(通常是99％)的所占用的带宽。计算占用带宽的办法是通常先用与信道功率计算相同的积分计算法计算在一定带宽内(该带宽大于占用带宽)的总功率，然后从该带宽的两边往中心进行功率的积分计算，直到两边积分的功率达到总功率的1％，则剩余的中间部分必为99％，相应的带宽就是占用带宽。对于5G 100MHz带宽信号，占用带宽应该小于100MHz，如下图所示的使用Test Model1.1信号测量结果。 

图2.4.4 5G 100MHz的占用带宽测试结果

 

2.5调制精度

2.5.1 频率误差和EVM

频率误差指实际发射频率与分配发射频率之差。 
 

 

调制精度通常采用EVM(Error Vector Magnitude)矢量误差幅度，它定义为测量值和理想值的均方根误差，误差是归一化误差。
 

EVM是各种移动通信制式基站的重要指标之一，3GPP中都明确规定了EVM值的要求。EVM实际反应的是通信系统调制精度的能力，可以反应系统的如下指标。

①IQ两路增益不平衡，用增益差来表示，单位为dB。

②IQ两路在正交调制器中相位的非正交性，单位为弧度或度。

③载波泄露也叫作原点漂移，等于信号平均功率与泄露的载波功率之比，单位为dB。

④频率误差，单位为HZ。

⑤峰均比CCDF，系统的非线性特性。

5G基站EVM测试指标： 

 

-256QAM选TM 3.1a
 

-64QAM选TM3.1
 

-64QAM选TM3.2
 

-QPSK选TM3.3
 

 

以5G基站EVM测试为例，从下面的表格中可以读出包括EVM在内的上述调制精度的指标。 

图2.5.1.1 5G信号的调制精度测量结果

5G测试中还会测量下行物理信道的参考信号的功率，在频谱仪的5G解调软件中可直接读取测量结果，如下图所示。 

 

图2.5.1.2 5G信号的物理信道测量结果

 

2.5.2时间一致性误差

5G和5G测试中还有一种较为特殊的测试项目——发射通道时间一致性误差(Time alignment error(TAE))测试。以5G为例，由于5G广泛采用发射分集或空分复用技术，因此会用到两个或更多发射天线。多根天线上发射的信号在时间上有一定的时间延时，定义为时间一致性误差，如下图所示的Δ2,1，Δ3,1，Δ4,1表示天线2、3、4上的信号和天线1之间的时间差。 
 

 

图2.5.2.1时间一致性误差定义示意图
 

测试平台搭建如下图所示，仅需一台频谱仪接收两路合路的天线发射信号即可，频谱仪上的5G解调软件会测量两个天线上的TM1.1参考信号DM-RS符号的时间差来计算发射通道时间一致性误差。测试规范TS38.141规定时间一致性误差应小于90ns。 
 

 

图2.5.2.2时间一致性误差测试平台(上)和测试结果要求(下)
 

 

2.6 发射互调测试
 

发射互调主要测试当有干扰信号混入基站天线时，基站的发射机对互调非线性产物的抑制能力，因此，测试平台会用到一台信号源作为干扰源。有用信号TM1.1与干扰信号经过合路之后送到频谱仪，使用频谱仪进行测量。

图2.6 发射互调测试平台(上)与测试结果(下)

 

2.7 测试结果汇总 

 

注1：发射功率误差的指标要求为不超过±2.5dB；
 

注2：频率误差的指标要求为不超过±0.05ppm，载波频率2595MHz的应指标为不超过129.75Hz，载波频率3450MHz的指标为不超过172.5Hz；
 

注3：EVM测试时的调制方式为64QAM，指标要求为≤8%；
 

注4：邻道抑制比的指标要求为≥45dB；
 

注5：BW为信道带宽，此处与基站配置的带宽相同，取值为100MHz
 

 

Chrent三、接收机测试3.1测试平台搭建

接收机测试项主要测试基站接收机对上行信号解调的能力以及滤波器对干扰的抑制能力。接收机测试主要包括的测试项如下图所示。 
 

①参考灵敏度电平是对基站上行解调性能的直接体现，良好的接收机灵敏度可有效降低终端上行信号的发射功率，使终端耗电更少；

②动态范围指接收信号能被检测且不失真的功率范围，该范围反映接收机接收强/弱信号的能力范围；

③邻道选择性体现接收机对邻道干扰的抑制能力，良好的邻道选择性将扩展基站的邻频组网能力；

④信道内选择性体现接收带内不同幅度信号的能力，其性能优劣将影响基站抑制蜂窝网络远近效应的能力；

⑤阻塞体现接收机抗带内带外连续波干扰的性能，主要考察接收机低噪放和滤波器的性能；

⑥接收机杂散是衡量接收机正常工作时对其他频段的影响，是共存共址应用场景的要求；

⑦接收机互调重点关注的是多个载波信号同时输入到接收机后，由于非线性产生的互调产物对接收机的影响。

 

接收传导测试连接示意图如下图所示，该配置可以进行除接收机杂散外的所有接收机项目的测试，其中参考灵敏度电平、信道内选择性只需要一个信号发生器即可完成测试，接收机互调需要用到三个信号发生器，其余测试项目用到两个信号发生器。 

 

3.2参考灵敏度与动态范围

接收机的参考灵敏度是指接收机在满足规范要求误码率的条件下，接收机输入的最小信号电平。该指标反映了接收机接收微弱信号的能力。接收机参考灵敏度测试是其它接收机测试项目的基础和参考指标。

数字通信系统接收信号质量评估的方法包括BER(BitErrorRate，误比特率)，BLER(BlockErrorRate，误块率)，FER(FrameEraseRate，帧删除率)，PER(PacketErrorRate，误包率)，或PER时的最小输入信号。

测试BLER、FER和PER一般通过CRC来判断接收的帧和包是否出现误码，因此接收端不需要知道发射端真实的发射数据。而BER是将接收的数据和发射的数据逐一比较，需要准确知道发射端的数据，一般采用固定的伪随机数据。因此需要使用信号源和基站解调软件来测试灵敏度。 

基站的动态范围与灵敏度测试类似，是指接收机在加入一定高斯白噪声(AWGN)作为干扰信号的条件下，满足规范要求最小误码率时接收机输入的最小信号电平。因此，矢量信号源发出的信号应具有AWGN模拟功能。 

图3.2参考灵敏度和动态范围测试平台

 

3.3邻道选择性与共信道选择性

选择性是指有用信号在干扰信号出现情况下，接收机满足规定误码率时输入的最小信号电平。在5G基站测试中，又分为邻道选择性与共信道选择性。二者不同点在于干扰信号出现的位置。如下图左所示，进行邻道选择性测试时，干扰信号出现在有用信号带宽外的邻道。下图右所示的共信道选择性测试，干扰信号以ResourceBlock(RB)的形式出现在有用信号带宽内，并与有用信号在频率上紧密连接。 

图3.3邻道选择性测试信号(左)、共信道选择性测试信号(右)

测试步骤如下：

①按图5所示连接测试链路，配置有用信号发生器在指定频点、带宽、速率和指定功率电平上发射射频信号；

②配置基站在指定频点、带宽、速率等参数下进行接收统计，确保链路畅通，误块率(BLER)符合要求；

③打开调制干扰信号发生器，按测试要求配置信号频率、带宽、功率电平等参数；

④再次对基站接收机的BLER进行统计，记录测试结果并进行判断。

为保证测试结果的准确，整个测试环境应在屏蔽室环境内进行，以杜绝外界干扰的影响。

 

 

3.4阻塞测试

接收机的阻塞测试是指在有用信号频率的一定范围内存在一个CW或者调制的干扰信号，从而使接收机误码率恶化到规定限值时的最小输入信号功率。阻塞用于描述接收机承受接收频点之外大信号干扰的能力。当存在阻塞信号时，接收机对有用信号的增益减小，这是因为当存在通常相对大得多的阻塞信号时，接收机大部分功率用于放大阻塞信号，对有用信号的放大减少。如下图所示： 
 

图3.4阻塞测试信号示意图

测试平台和3.2章节一致，通过合路器向基站输入有用信号和阻塞信号，为了避免阻塞信号源在有用信号频率上的杂散信号的影响，可以适当选择陷波器，陷波器中心频点选取为有用信号频率。

 

3.5接收机互调测试

用来测试接收机在抑制几个RF信号的交调产物的性能。当有用信道邻近存在两个不同频率的信号时，他们经过低噪声放大和混频的非线性作用就会产生这些频率的组合成分，即产生交调，对接收机最为有害的是三阶交调。在邻近信道加相同功率不同频率的单音信号和干扰信号(调制方式和有用信号相同)，使他们的三阶交调与有用信号频率相同，按照邻道选择性的测试方法进行测试。 
 

图3.5接收机互调测试信号示意图