TD—LTE移动基站杂散发射测试方案
何占儿 王慧 陈伟
【摘 要】杂散发射是衡量移动基站通信性能的重要指标之一，是指不必要的发射机引起的发射，主要包含谐波发射、寄生发射、互调产物以及变频产物，但带外发射除外。从杂散发射的测试原理入手，提出一种双工滤波器和低噪放相结合的测试方法，并在此基礎上实现了一种新型的共址杂散发射测试方案，该方案能够有效避免频谱仪灵敏度和动态范围不足的局限性，同时提高了杂散发射测试的准确性。
【关键词】移动基站；杂散发射；测试
A Solution to Spurious Emission Testing of TD-LTE BTS Transmitter
HE Zhaner1， WANG Hui1， CHEN Wei2
[Abstract]
Spurious emission is one of the most important performance metrics of mobile base station， which are caused by unwanted transmitter effects such as harmonics emission， parasitic emission， intermodulation products and frequency conversion products except for out-of-band emissions. According to the principle of spurious emission testing， a method combined diplexer DPF with low noise amplifier （LNA） is proposed. Then， a novel solution to co-location spurious emission testing is implemented. It can not only effectively deal with the limitations of sensitivity and dynamic range of spurious analyzer， but also enhance the accuracy of spurious emission testing.
[Key words]BTS； spurious emission； testing
1 引言
随着移动通信技术的高速发展，无线基站密度大幅提升，电磁环境愈加复杂，而其中的无线干扰问题尤为突出，已经成为影响移动基站通信性能和客户满意度的重要因素。特别是随着5G移动通信技术的发展，未来更多频段的无线基站系统将被建设起来。由于射频发射机的内部元器件并非理想器件，存在或多或少的非线性，因此在发射载波信号的过程中，会产生诸多非规定频率范围内的信号，即所谓的杂散发射，会对工作在其他频段的基站产生干扰。如何准确地测试杂散发射对于净化通信环境，提升通信质量具有重要的意义。
当前TD-LTE基站的射频测试已具有完善的标准测试体系和指标。杂散发射作为移动基站射频性能的重要测试项之一，一般情况下，其辐射指标为-36 dBm。而当LTE基站与其他GSM、WCDMA等基站共址时，其辐射指标要求很高，为-96 dBm甚至更低。本文根据3GPP射频一致性测试协议36.141（LTE； Evolved Universal Terrestrial Radio Access （E-UTRA）； Base Station （BS） conformance testing）章节6.6.4，以TD-LTE band40为例，提出一种由双工滤波器和低噪放相结合的测试方法，并在此基础上实现了一种新型的共址杂散发射测试方案。
2 杂散发射测试标准
根据3GPP射频一致性测试协议36.141章节6.6.4（Transmitter Spurious Emissions），移动基站杂散发射指标适用频段为9 kHz—12.75 GHz，除发射机本身工作频段外各10 MHz，实际测试频段为：9 kHz-Freqlow—10 MHz，Freqhigh+10 MHz—12.75 GHz。
杂散发射测试指标如表1所示。常规杂散发射测试类型的指标很低，类型A功率幅度上限为-13 dBm，类型B功率幅度上限为-36 dBm。这两种类型由常规的测试方案和普通的频谱分析仪就能完成测试。但是当移动基站与其他基站共存共址时，测试要求会变得非常严格，其最高电平要求为-98 dBm。杂散发射测试的主要目的是测量移动基站本身发射的大功率载波信号在其他基站频段上对相应的共址基站的影响（如GSM900、DCS1800、PCS1900、GSM850、CDMA850、UTRA FDD、UTRA TDD或者其他E-UTRA基站）。如果考虑载波聚合的影响，测试要求将更加严格，最高电平为：-98 dBm-9 dB（载波聚合因子）=-107 dBm。
在这种情况下，对测试方案的选择和频率分析仪的性能都提出了很高的要求。
3 杂散发射测试方案
3.1 传统杂散测试方案
以TD-LTE band40移动基站的发射机部分为例，其下行Tx射频性能基本情况如下：
最大输出功率：20 W=43 dBm；
载波频率：2 300 MHz—2 400 MHz；
载波带宽：20 MHz。
根据TD-LTE的输出功率以及上一章节中提及的测试标准，常规测试类型A和B对频谱分析仪的动态范围要求为：
常规类型A：43 dBm-（-13 dBm）=56 dBc；
常规类型B：43 dBm-（-36 dBm）=79 dBc。
以上两种类型由传统测试方案和频谱分析仪就能满足测试要求，如图1所示：
而当测试共址杂散发射时（最高电平指标为-98 dBm），对频谱仪提出了较高的动态范围要求。例如，最大输出功率-杂散发射电平要求上限=43 dBm-（-98 dBm）=141 dBc。
再考虑9 dB的载波聚合因子，最终动态范围为150 dBc，加上测试余量，这就要求频谱仪的动态范围要达到150 dBc以上才能满足测试要求。同时为了实现杂散发射的低电平测试，要求频谱仪的灵敏度即底噪水平应优于：-107 dBm/100 kHz= -157 dBm/Hz。
考虑到路径损耗和测量余量，在实际测试中频谱仪灵敏度应大于-170 dBm/Hz。如果利用传统测试方案，就目前的频谱仪性能水平来说，很难实现对共址杂散发射的准确测量。
3.2 新型杂散测试方案
（1）测试原理
鉴于上述情况，为了解决频谱仪动态范围和灵敏度不足的问题，本文提出了一种新型的测试方案。本方案采用如图2所示的吸收法：即利用双工器将滤波器的载波信号通过负载吸收，解决测试过程中频谱仪动态范围不足的问题。同时LNA提高了杂散发射电平，使其位于频谱仪的底噪之上，解决测试过程中频谱仪灵敏度不足的问题。
整个测试方案的关键器件是双工器，采用CREOWAVE高性能双工器，频率范围覆盖2 GHz—4 GHz，其性能指标如表2所示。
在图2所示方案中，TD-LTE基站发射的信号，用传输测试法将天线口连接射频同轴线，然后通过CREOWAVE高性能双工器将输出信号一分为二，对于B路带通滤波器2（Pass band2）来说，所经信号最后由负载吸收，不需要被测试。由于双工器是共址杂散发射测试链路的一部分，低互调指标（IM3：-150 dBc）
也是需要考虑的因素。对于A路带通滤波器1（Pass band1）来说，载波信号band 40（2 300 MHz—2 400 MHz）经过-80 dBc抑制后经Microcomp Nordic高性能LNA（0.1 GHz—6 GHz，28 dB增益）低噪放再由频谱分析仪测试（路径特性曲线如图3所示），此时大功率电平为：43 dBm-4 dB-80 dB+28 dB=-13 dBm。
而频谱仪动态范围需求为：-13 dBm-（-98 dBm）=85 dBc，处于频谱仪的测试动态范围内，频谱仪动态范围不足的问题得以解决。
接下来需要考虑的是频谱分析仪的灵敏度能否满足共址杂散发射的测试要求。将推算杂散发射在链路（A路）上的信号电平。
本文选用的频谱仪是罗德与施瓦茨R&S; FSW26，根据其性能指标，底噪在频率范围（1 GHz—3 GHz）：DANL-154 dBm/Hz，typ.-159 dBm。
归一化底噪转化为-109 dBm/100 kHz，考虑双工器4 dB插损和1 dB线损和低噪放增益为28 dB，则系统可以测到的底噪为-109 dBm/100 kHz+5 dB -28 dB=-132 dBm/100 kHz，具体如图4所示。
杂散辐射测试在载波聚合情况下最高电平要求是-107 dBm/100 kHz，同时保证频谱仪底噪比测试电平低20 dB的测试余量。-132 dBm大于测试要求：-127 dBm= -107 dBm-20 dB，所以测试方案满足测试需求。
（2）测试步骤
1）将基站配置为TM1.1状态，输出功率为20 W=
43 dBm；
2）R&S;频谱仪FSW重置，设置MEAS→SPURIOUS EMISSION→SWEEP LIST→EDIT SWEEP LIST；
3）设置RMS方式；
4）频谱仪设置频点，以E-UTRA band39为例，频段为1 880 MHz—1 920 MHz，结果如图5所示；
5）设置RBW=100 kHz，VBW=300 kHz；
6）设置Sweep Time，Detect Mode进行测试。
其他测试杂散发射测试的基站类型只需重复上述步骤即可，最后的测试结果如表3所示。
（3）测试结果分析
根据移动测试标准3GPP TS 36.104以band40为例，基于传统的共址杂散测试方案，探讨了一种新型的共址杂散测试方案，采用了双工器和低噪放相结合的方法。在此方案中，双工器的主要作用是将载波信号和杂散发射区分开来，解决频谱仪的动态范围不足的问题。低噪放的主要作用是提高杂散发射电平，解决了频谱仪底噪过高的问题。通过解决以上两个关键问题，实现了测试结果的准确性，从表3的测试结果可以看出，在测试带宽100 kHz的条件下共址杂散发射的结果优于-102 dBm，满足测试要求。系统达到设计目标，完成了杂散发射的测试任务。
4 结束语
本文探讨了一种新型的共址杂散测试方案，改进了频谱仪动态范围有限和底噪過高的问题，最后的测试结果符合3GPP测试标准。同时通过集成与Labview相结合，可实现杂散发射的自动化测量，在实际应用中前景广阔。
参考文献：
[1] 甘本袚，吴万春. 现代微波滤波器的结构与设计[M]. 北京： 科学出版社， 1974.
[2] He zhaner， Wang XiLiang， Han shihu， et al. The Synthesis and Design For New Classic Dual-Band Wave-Guide Band-Stop Filters[J]. Journal of Electromagnetic Waves and Applications， 2008，22（1）： 119-130.
[3] 刘二平. 关于无线电发射设备杂散发射的测试方法研究[J]. 科技经济导刊， 2016（7）.
[4] 3GPP TS 36 104. E-UTRA Base Station （BS） radio transmission and reception[S]. 2016.
[5] 3GPP TS 36 141. LTE； Evolved Universal Terrestrial Radio Access （E-UTRA）； Base Station （BS） conformance testing[S]. 2016.
[6] 黄有根，陈天华，朱建刚. 移动通信基站的辐射杂散测试[J]. 上海计量测试， 2009，36（5）： 18-20.
[7] 高荣，王海燕，石美宪，等. FDD LTE与TD-LTE基站邻频杂散辐射的研究[J]. 电信网技术， 2011（8）： 51-55.
[8] 高峻. TD-LTE基站杂散辐射测试方法的研究[J]. 现代科学仪器， 2013（2）： 49-53.
[9] 王俊青. 移动终端辐射杂散测试系统的软件实现方法[J]. 现代电信科技， 2013（6）： 52-55.
[10] 邬东屹. 关于3C测试中移动通信产品的辐射杂散骚扰测试[J]. 电子质量， 2002（8）： 87-89.
【摘 要】杂散发射是衡量移动基站通信性能的重要指标之一，是指不必要的发射机引起的发射，主要包含谐波发射、寄生发射、互调产物以及变频产物，但带外发射除外。从杂散发射的测试原理入手，提出一种双工滤波器和低噪放相结合的测试方法，并在此基礎上实现了一种新型的共址杂散发射测试方案，该方案能够有效避免频谱仪灵敏度和动态范围不足的局限性，同时提高了杂散发射测试的准确性。
【关键词】移动基站；杂散发射；测试
A Solution to Spurious Emission Testing of TD-LTE BTS Transmitter
HE Zhaner1， WANG Hui1， CHEN Wei2
[Abstract]
Spurious emission is one of the most important performance metrics of mobile base station， which are caused by unwanted transmitter effects such as harmonics emission， parasitic emission， intermodulation products and frequency conversion products except for out-of-band emissions. According to the principle of spurious emission testing， a method combined diplexer DPF with low noise amplifier （LNA） is proposed. Then， a novel solution to co-location spurious emission testing is implemented. It can not only effectively deal with the limitations of sensitivity and dynamic range of spurious analyzer， but also enhance the accuracy of spurious emission testing.
[Key words]BTS； spurious emission； testing
1 引言
随着移动通信技术的高速发展，无线基站密度大幅提升，电磁环境愈加复杂，而其中的无线干扰问题尤为突出，已经成为影响移动基站通信性能和客户满意度的重要因素。特别是随着5G移动通信技术的发展，未来更多频段的无线基站系统将被建设起来。由于射频发射机的内部元器件并非理想器件，存在或多或少的非线性，因此在发射载波信号的过程中，会产生诸多非规定频率范围内的信号，即所谓的杂散发射，会对工作在其他频段的基站产生干扰。如何准确地测试杂散发射对于净化通信环境，提升通信质量具有重要的意义。
当前TD-LTE基站的射频测试已具有完善的标准测试体系和指标。杂散发射作为移动基站射频性能的重要测试项之一，一般情况下，其辐射指标为-36 dBm。而当LTE基站与其他GSM、WCDMA等基站共址时，其辐射指标要求很高，为-96 dBm甚至更低。本文根据3GPP射频一致性测试协议36.141（LTE； Evolved Universal Terrestrial Radio Access （E-UTRA）； Base Station （BS） conformance testing）章节6.6.4，以TD-LTE band40为例，提出一种由双工滤波器和低噪放相结合的测试方法，并在此基础上实现了一种新型的共址杂散发射测试方案。
2 杂散发射测试标准
根据3GPP射频一致性测试协议36.141章节6.6.4（Transmitter Spurious Emissions），移动基站杂散发射指标适用频段为9 kHz—12.75 GHz，除发射机本身工作频段外各10 MHz，实际测试频段为：9 kHz-Freqlow—10 MHz，Freqhigh+10 MHz—12.75 GHz。
杂散发射测试指标如表1所示。常规杂散发射测试类型的指标很低，类型A功率幅度上限为-13 dBm，类型B功率幅度上限为-36 dBm。这两种类型由常规的测试方案和普通的频谱分析仪就能完成测试。但是当移动基站与其他基站共存共址时，测试要求会变得非常严格，其最高电平要求为-98 dBm。杂散发射测试的主要目的是测量移动基站本身发射的大功率载波信号在其他基站频段上对相应的共址基站的影响（如GSM900、DCS1800、PCS1900、GSM850、CDMA850、UTRA FDD、UTRA TDD或者其他E-UTRA基站）。如果考虑载波聚合的影响，测试要求将更加严格，最高电平为：-98 dBm-9 dB（载波聚合因子）=-107 dBm。
在这种情况下，对测试方案的选择和频率分析仪的性能都提出了很高的要求。
3 杂散发射测试方案
3.1 传统杂散测试方案
以TD-LTE band40移动基站的发射机部分为例，其下行Tx射频性能基本情况如下：
最大输出功率：20 W=43 dBm；
载波频率：2 300 MHz—2 400 MHz；
载波带宽：20 MHz。
根据TD-LTE的输出功率以及上一章节中提及的测试标准，常规测试类型A和B对频谱分析仪的动态范围要求为：
常规类型A：43 dBm-（-13 dBm）=56 dBc；
常规类型B：43 dBm-（-36 dBm）=79 dBc。
以上两种类型由传统测试方案和频谱分析仪就能满足测试要求，如图1所示：
而当测试共址杂散发射时（最高电平指标为-98 dBm），对频谱仪提出了较高的动态范围要求。例如，最大输出功率-杂散发射电平要求上限=43 dBm-（-98 dBm）=141 dBc。
再考虑9 dB的载波聚合因子，最终动态范围为150 dBc，加上测试余量，这就要求频谱仪的动态范围要达到150 dBc以上才能满足测试要求。同时为了实现杂散发射的低电平测试，要求频谱仪的灵敏度即底噪水平应优于：-107 dBm/100 kHz= -157 dBm/Hz。
考虑到路径损耗和测量余量，在实际测试中频谱仪灵敏度应大于-170 dBm/Hz。如果利用传统测试方案，就目前的频谱仪性能水平来说，很难实现对共址杂散发射的准确测量。
3.2 新型杂散测试方案
（1）测试原理
鉴于上述情况，为了解决频谱仪动态范围和灵敏度不足的问题，本文提出了一种新型的测试方案。本方案采用如图2所示的吸收法：即利用双工器将滤波器的载波信号通过负载吸收，解决测试过程中频谱仪动态范围不足的问题。同时LNA提高了杂散发射电平，使其位于频谱仪的底噪之上，解决测试过程中频谱仪灵敏度不足的问题。
整个测试方案的关键器件是双工器，采用CREOWAVE高性能双工器，频率范围覆盖2 GHz—4 GHz，其性能指标如表2所示。
在图2所示方案中，TD-LTE基站发射的信号，用传输测试法将天线口连接射频同轴线，然后通过CREOWAVE高性能双工器将输出信号一分为二，对于B路带通滤波器2（Pass band2）来说，所经信号最后由负载吸收，不需要被测试。由于双工器是共址杂散发射测试链路的一部分，低互调指标（IM3：-150 dBc）
也是需要考虑的因素。对于A路带通滤波器1（Pass band1）来说，载波信号band 40（2 300 MHz—2 400 MHz）经过-80 dBc抑制后经Microcomp Nordic高性能LNA（0.1 GHz—6 GHz，28 dB增益）低噪放再由频谱分析仪测试（路径特性曲线如图3所示），此时大功率电平为：43 dBm-4 dB-80 dB+28 dB=-13 dBm。
而频谱仪动态范围需求为：-13 dBm-（-98 dBm）=85 dBc，处于频谱仪的测试动态范围内，频谱仪动态范围不足的问题得以解决。
接下来需要考虑的是频谱分析仪的灵敏度能否满足共址杂散发射的测试要求。将推算杂散发射在链路（A路）上的信号电平。
本文选用的频谱仪是罗德与施瓦茨R&S; FSW26，根据其性能指标，底噪在频率范围（1 GHz—3 GHz）：DANL-154 dBm/Hz，typ.-159 dBm。
归一化底噪转化为-109 dBm/100 kHz，考虑双工器4 dB插损和1 dB线损和低噪放增益为28 dB，则系统可以测到的底噪为-109 dBm/100 kHz+5 dB -28 dB=-132 dBm/100 kHz，具体如图4所示。
杂散辐射测试在载波聚合情况下最高电平要求是-107 dBm/100 kHz，同时保证频谱仪底噪比测试电平低20 dB的测试余量。-132 dBm大于测试要求：-127 dBm= -107 dBm-20 dB，所以测试方案满足测试需求。
（2）测试步骤
1）将基站配置为TM1.1状态，输出功率为20 W=
43 dBm；
2）R&S;频谱仪FSW重置，设置MEAS→SPURIOUS EMISSION→SWEEP LIST→EDIT SWEEP LIST；
3）设置RMS方式；
4）频谱仪设置频点，以E-UTRA band39为例，频段为1 880 MHz—1 920 MHz，结果如图5所示；
5）设置RBW=100 kHz，VBW=300 kHz；
6）设置Sweep Time，Detect Mode进行测试。
其他测试杂散发射测试的基站类型只需重复上述步骤即可，最后的测试结果如表3所示。
（3）测试结果分析
根据移动测试标准3GPP TS 36.104以band40为例，基于传统的共址杂散测试方案，探讨了一种新型的共址杂散测试方案，采用了双工器和低噪放相结合的方法。在此方案中，双工器的主要作用是将载波信号和杂散发射区分开来，解决频谱仪的动态范围不足的问题。低噪放的主要作用是提高杂散发射电平，解决了频谱仪底噪过高的问题。通过解决以上两个关键问题，实现了测试结果的准确性，从表3的测试结果可以看出，在测试带宽100 kHz的条件下共址杂散发射的结果优于-102 dBm，满足测试要求。系统达到设计目标，完成了杂散发射的测试任务。
4 结束语
本文探讨了一种新型的共址杂散测试方案，改进了频谱仪动态范围有限和底噪過高的问题，最后的测试结果符合3GPP测试标准。同时通过集成与Labview相结合，可实现杂散发射的自动化测量，在实际应用中前景广阔。
参考文献：
[1] 甘本袚，吴万春. 现代微波滤波器的结构与设计[M]. 北京： 科学出版社， 1974.
[2] He zhaner， Wang XiLiang， Han shihu， et al. The Synthesis and Design For New Classic Dual-Band Wave-Guide Band-Stop Filters[J]. Journal of Electromagnetic Waves and Applications， 2008，22（1）： 119-130.
[3] 刘二平. 关于无线电发射设备杂散发射的测试方法研究[J]. 科技经济导刊， 2016（7）.
[4] 3GPP TS 36 104. E-UTRA Base Station （BS） radio transmission and reception[S]. 2016.
[5] 3GPP TS 36 141. LTE； Evolved Universal Terrestrial Radio Access （E-UTRA）； Base Station （BS） conformance testing[S]. 2016.
[6] 黄有根，陈天华，朱建刚. 移动通信基站的辐射杂散测试[J]. 上海计量测试， 2009，36（5）： 18-20.
[7] 高荣，王海燕，石美宪，等. FDD LTE与TD-LTE基站邻频杂散辐射的研究[J]. 电信网技术， 2011（8）： 51-55.
[8] 高峻. TD-LTE基站杂散辐射测试方法的研究[J]. 现代科学仪器， 2013（2）： 49-53.
[9] 王俊青. 移动终端辐射杂散测试系统的软件实现方法[J]. 现代电信科技， 2013（6）： 52-55.
[10] 邬东屹. 关于3C测试中移动通信产品的辐射杂散骚扰测试[J]. 电子质量， 2002（8）： 87-89.
