EDGE网络为手机制造商提出新的测量挑战

许多运营商正将他们现有的2G GSM/GPRS网络升级为2.75G蜂窝标准，例如EDGE(改进数据率GSM服务)标准。EDGE实际最高数据数率为384 Kbps，是GPRS标准最高数据数率(115 Kbps，具有适当纠错功能)的3.3倍。无需增加200 KHz频道带宽而提高数据数率需要提高频谱利用率，从而需要使用更加复杂的调制方案。在EDGE标准中，选择偏移8-PSK(8移相键控)代替GMSK(高斯最小移频键控)调制方式。图1演示8-PSK星座图的EDGE收发器集成电路AD6546的输出。

图1：AD6546 EDGE发射机输出

EDGE标准的独特之处

在手机设计的射频(RF)部分，高质量GMSK接收器的设计无需做任何修改即可用来解调8-PSK。虽然8-PSK的星座图包含更多的点，但足可以满足当今高集成度接收器、合成器的相位噪声和噪声指数要求，而且当信道带宽不变时，滤波要求可保持不变。

不过，需要对发射机的体系结构做修改。最根本的问题在于GMSK信号是恒包络调制，所以只需发射相位信息，从而限制了一部分发射机信号链。而另一方面，8-PSK需要相位和幅度信息满足所有的必需指标。可通过一种称为极化环路调制方案的技术来改进现有GMSK发射机体系结构。在本设计中，幅度信息由另外一条链路处理，并且在功率放大器(PA)处重新组合幅度和相位信息。实际上8-PSK的相位处理与GMSK相同，但它们在调幅(AM)到调相(PM)的失真、PA效率以及驱动方式方面有所不同。

图2：极化调制器的体系结构

修改3GPP发射机技术指标以适应采用8-PSK调制方式的手机，用误差向量幅度(EVM)代替相位误差指标来表示8-PSK的附加调幅(AM)能力。而且也增加了原点偏移抑制，它是表征发射机质量的重要度量。由于考虑到发射机和主要调制方案中的附加复杂度，放松了对调制频谱的限制。然而除此之外，所有其它的GSM射频发射和接收测试都可以用于EDGE终端。这是因为在正常的语音通话中，手机采用传统的GMSK模式，所以该模式的性能仍然非常重要。

3GPP附件G中RMS EVM的数学定义为：

式中，E(k)是误差向量，S(k)是理想的发射机信号。

观察星座图中的发射机数据点，也可通过图形表示EVM概念。根据图3中所示的黑点，我们可以计算并且绘制出理想点。

图3：A用 EVM分量表示的8-PSK星座图,B用原点偏移表示的8-PSK星座图

这幅图中红线表示所测数据点示例，其相位和幅度都偏离理想值。相位和幅度误差构成了误差向量的分量。发射机的不完美性，例如锁相环(PLL)噪声、PA失真效应、热噪声以及调制器设计都会产生EVM。

3 GPP中原点偏移抑制定义为：

式中，C0表示载波馈通的恒定偏移，S(k)是理想发射机信号。

在3 GPP指标中，计算EVM之前的误差信号不需考虑C0，但在原点偏移抑制指标中需考虑。原点偏移也可通过绘制星座图来直观描述。理想的星座图位于正中心，非理想星座图与中心点存在“偏移”。原点偏移是由发射机信号链中的直流偏移引起的。

由于测试必需遵照3 GPP规范，所以我们可以使用具有EDGE选项或类似选项的罗德与施瓦茨(R&S)公司CMU 200射频通信测试装置。该装置能够根据GSM规范快速精确地测量参数。这些参数包括前面提到的EVM、原点偏移抑制以及调制频谱。但对于覆盖975个信道的四波段无线电收发机而言，每个信道都需要进行几项测试。如果没有自动测试设备则不可能完成这些任务。自动测试装置也可用来控制待测器件(DUT)的温度和电压条件，从而确保达到快速、可重复和精确特性。图5中所示是测量系统。

图5. 测试系统

控制器是具有HPIB接口的个人计算机(PC)。HPIB接口总线用来连接所有的仪器，当通话建立后，通过移动射频(RF)信道发射信号控制DUT。如果DUT具有RF连接器，则与测试装置连接很简单；否则必须使用消声室。若没有完整尺寸的消声室或者方案不可行，则可以使用具有合适天线耦合器的RF屏蔽盒，例如R&S CMU Z10。在这种情况下，必须仔细校正辐射损耗。

PC上运行的是仪表仪器控制器程序。NI公司的LabVIEW或安捷司的 VEE开发环境可提供理想的工具，并且其仪器驱动器也简单易行。最终的程序应包括3个关键部分：图形用户界面(GUI)；测量程序；数据采集、组织和表示。

主界面允许用户配置测试的高级参数，例如：测试的频率波段；信道阶跃宽度或专用测试信道；测量；输出数据文件位置。该软件也包括“设置”界面，在这里可配置详细参数，包括网络类型、GSM/EDGE选择以及进一步设置GPRS/EGPRS模式。在该界面中，可键入RF损耗，它需要根据特定的测试环境校准。当配置设置后，其可保存测试配置以备将来使用。

当用户点击F1:OK按钮后(图6)，通信测试装置要与DUT连接。

图6 ADI公司开发的GUI主界面

如果连接成功，将提示用户建立通话。当通话建立后，所有的信令传输自动进行。然后将通过仪器控制程序收集数据，然后存储在电子表格中，并且在该环境中加以处理，以提供组织良好的图表、最小值-最大值数据表以及用户设置限制通过或失败的信息。

几种方案的测试结果

图7 ADI公司组合测试程序生成的表格输出界面

使用上述ADI公司的测试环境可简化EDGE和GMSK模式下手机设计的EDGE标准检验过程，并且获得清晰的性能图片。下文将对市场上最近推出的大批量生产的多波段EDGE手机和芯片组提供的测试结果进行总结。虽然我们可提供许多数据点，但下面的测试结果只总结了本文所讨论的四类关键参数：

● GMSK调制频谱

● 8-PSK调制频谱

● 原点偏移

● EVM

第一种手机设计(图8)能很好满足了8-PSK频谱、EVM和原点偏移指标。但在GMSK模式下调制频谱正好位于其技术指标的极限值上。这是一个EDGE模式如何折中GMSK性能的例子。只使用GMSK调制方式的典型手机可提供6dB的裕量。

图8 第一种设计测试结果数据点

第二种设计(图9)中这两种调制频谱表明其在规范上具有适当的裕量，但有些信道的峰值EVM分布相当高并且接近30%。这可能是由调制器的拙劣设计或发射机频率规划问题引起的。

图9 第二种设计测试结果数据点。

第三种设计(图10)表明GMAK模式下部分信道的调制频谱接近于规范极限值。在8-PSK模式下，PCS波段高端的调制频谱增加到超过规范。部分信道的峰值EVM也很差。这是一种三波段设计，但其在高频存在一些严重的一致性问题。

图10 第三种设计测试结果数据点

第四种设计(图11)表明了很好的EVM和原点偏移，它们具有规范之上的大裕量，但在临界400 kHz偏移的调制频谱表明其存在一些问题。在GMSK模式下，个别信道表明具有非一致性，这可能是与上变频处理耦合时的一些中频(IF)杂散发射引起的。在8-PSK模式下，基本掩码值很小，或没有规范之上的裕量。

图11 第四种设计测试结果数据点

第五种设计(图12)使用Othello AD6546极性环路EDGE收发器IC。GMSK和8 PSK模式下的调制频谱表明其具有60/54 dBc规范之上极好的裕量。正如原点偏移和EVM所示，调制质量也表明具有很好的裕量。

图12 第五种设计测试结果数据点

本文小结

EDGE增强型标准为手机供应商和设计工程师提出了新的挑战。3GPP 45.005技术规范描述了生产符合标准的手机所需的附加测试。随着大批量生产能够支持EDGE标准的手机明显增多，满足手机指标具有足够的裕量并且确保具有很高产量的要求，对成本敏感的消费类市场极其重要。由高集成度收发器(例如AD6546)组成的解决方案，并加上优秀设计和体系结构选择是确保低的偏差和高产量的关键。然而为了验证设计，IC和手机测试都非常重要。本文所描述的工具和方可提供理想的测试解决方案。

美国模拟器件公司供稿