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工程师操作指南:RF指标的内在和意义 (一)

2020.10.26
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王辉

致力于为分析测试行业奉献终身

这篇文章的初衷是源自我给工厂工程师写的一份“操作指南”,按理说写这些东西对于工作了十来年的人来说应该是手到擒来的,但是真正写的时候就发现原本计划提纲挈领的东西写成了冗长无比的八股文。

 

当你写完“EVM 可能随着 Front-End 的 IL 增大而恶化”的时候,如果阅读者是一个基础概念知识都不好的工程师(工厂里的工程师很多都是如此),人家第一反应是“EVM 是什么”,继而是“EVM 是为什么会跟 IL 有关系”,然后还可能是“EVM 还跟什么指标有关系”——这就没完没了了。

 

所以我这里打算“扯到哪算哪”,把一些常见的概念列举出来,抛砖引玉,然后看看效果如何。

 

1、Rx Sensitivity(接收灵敏度) 

接收灵敏度,这应该是最基本的概念之一,表征的是接收机能够在不超过一定误码率的情况下识别的最低信号强度。这里说误码率,是沿用 CS(电路交换)时代的定义作一个通称,在多数情况下,BER (bit error rate)或者 PER (packet error rate)会用来考察灵敏度,在 LTE 时代干脆用吞吐量 Throughput 来定义——因为 LTE 干脆没有电路交换的语音信道,但是这也是一个实实在在的进化,因为第一次我们不再使用诸如 12.2kbps RMC(参考测量信道,实际代表的是速率 12.2kbps 的语音编码)这样的“标准化替代品”来衡量灵敏度,而是以用户可以实实在在感受到的吞吐量来定义之。

 

2、SNR(信噪比) 

讲灵敏度的时候我们常常联系到 SNR(信噪比,我们一般是讲接收机的解调信噪比),我们把解调信噪比定义为不超过一定误码率的情况下解调器能够解调的信噪比门限(面试的时候经常会有人给你出题,给一串 NF、Gain,再告诉你解调门限要你推灵敏度)。那么 S 和 N 分别何来? 

 

S 即信号 Signal,或者称为有用信号;N 即噪声 Noise,泛指一切不带有有用信息的信号。有用信号一般是通信系统发射机发射出来,噪声的来源则是非常广泛的,最典型的就是那个著名的 -174dBm/Hz——自然噪声底,要记住它是一个与通信系统类型无关的量,从某种意义上讲是从热力学推算出来的(所以它跟温度有关);另外要注意的是它实际上是个噪声功率密度(所以有 dBm/Hz 这个量纲),我们接收多大带宽的信号,就会接受多大带宽的噪声——所以最终的噪声功率是用噪声功率密度对带宽积分得来。

 

3、TxPower(发射功率) 

发射功率的重要性,在于发射机的信号需要经过空间的衰落之后才能到达接收机,那么越高的发射功率意味着越远的通信距离。 

 

那么我们的发射信号要不要讲究 SNR?譬如说,我们的发射信号 SNR 很差,那么到达接收机的信号 SNR 是不是也很差? 

 

这个牵涉到刚才讲过的概念,自然噪声底。我们假设空间的衰落对信号和噪声都是效果相同的(实际上不是,信号能够通编码抵御衰落而噪声不行)而且是如同衰减器一般作用的,那么我们假设空间衰落 -200dB,发射信号带宽 1Hz,功率 50dBm,信噪比 50dB,接收机收到信号的 SNR 是多少? 

 

接收机收到信号的功率是 50-200=-150Bm(带宽 1Hz),而发射机的噪声 50-50=0dBm 通过空间衰落,到达接收机的功率是 0-200=-200dBm(带宽 1Hz)?这时候这部分噪声早已被“淹没”在 -174dBm/Hz 的自然噪声底之下了,此时我们计算接收机入口的噪声,只需要考虑 -174dBm/Hz 的“基本成分”即可。 


这在通信系统的绝大部分情况下是适用的。

 

4、ACLR/ACPR 

我们把这些项目放在一起,是因为它们表征的实际上是“发射机噪声”的一部分,只是这些噪声不是在发射信道之内,而是发射机泄漏到临近信道中去的部分,可以统称为“邻道泄漏”。 

 

其中 ACLR 和 ACPR(其实是一个东西,不过一个是在终端测试中的叫法,一个是在基站测试中的叫法罢了),都是以“Adjacent Channel”命名,顾名思义,都是描述本机对其他设备的干扰。而且它们有个共同点,对干扰信号的功率计算也是以一个信道带宽为计。这种计量方法表明,这一指标的设计目的,是考量发射机泄漏的信号,对相同或相似制式的设备接收机的干扰——干扰信号以同频同带宽的模式落到接收机带内,形成对接收机接收信号的同频干扰。 

 

在 LTE 中,ACLR 的测试有两种设置,EUTRA 和 UTRA,前者是描述 LTE 系统对 LTE 系统的干扰,后者是考虑 LTE 系统对 UMTS 系统的干扰。所以我们可以看到 EUTRAACLR 的测量带宽是 LTE RB 的占用带宽,UTRA ACLR 的测量带宽是 UMTS 信号的占用带宽(FDD 系统 3.84MHz,TDD 系统 1.28MHz)。换句话说,ACLR/ACPR 描述的是一种“对等的”干扰:发射信号的泄漏对同样或者类似的通信系统发生的干扰。 

 

这一定义是有非常重要的实际意义的。实际网络中同小区邻小区还有附近小区经常会有信号泄漏过来,所以网规网优的过程实际上就是容量最大化和干扰最小化的过程,而系统本身的邻道泄漏对于邻近小区就是典型的干扰信号;从系统的另一个方向来看,拥挤人群中用户的手机也可能成为互相的干扰源。 

 

同样的,在通信系统的演化中,从来是以“平滑过渡”为目标,即在现有网络上升级改造进入下一代网络。那么两代甚至三代系统共存就需要考虑不同系统之间的干扰,LTE 引入 UTRA 即是考虑了 LTE 在与 UMTS 共存的情形下对前代系统的射频干扰。

 

5、Modulation Spectrum/Switching Spectrum 

而退回到 GSM 系统,Modulation Spectrum(调制谱)和 Switching Spectrum(切换谱,也有称为开关谱的,对舶来品不同翻译的缘故)也是扮演了邻道泄漏相似的角色。不同的是它们的测量带宽并不是 GSM 信号的占用带宽。从定义上看,可以认为调制谱是衡量同步系统之间的干扰,而切换谱是衡量非同步系统之间的干扰(事实上如果不对信号做 gating,切换谱一定是会把调制谱淹没掉的)。 

 

这就牵涉到另一个概念:GSM 系统中,各小区之间是不同步的,虽然它用的是 TDMA;而相比之下,TD-SCDMA 和之后的 TD-LTE,小区之间是同步的(那个飞碟形状或者球头的 GPS 天线永远是 TDD 系统摆脱不了的桎梏)。 

 

因为小区间不同步,所以 A 小区上升沿/下降沿的功率泄漏可能落到 B 小区的 payload 部分,所以我们用切换谱来衡量此状态下发射机对邻信道的干扰;而在整个 577us 的 GSM timeslot 里,上升沿/下降沿的占比毕竟很少,多数时候两个相邻小区的 payload 部分会在时间上交叠,评估这种情况下发射机对邻信道的干扰就可以参考调制谱。


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