邻道功率比对CDMA网络的影响和测试的必要性

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1、引言
    3GPP2C.S0010-A《cdma2000扩频基站最低性能标准》中规定了发射机传导性杂散发射抑制的指标。其中频率偏置范围750kHz～4MHz主要针对CDMA带内/信道外（in-band/out-of-channel）干扰，其余主要针对带外（out-of-band）干扰，但同时注明这些指标不适用于多载波条件。对CDMA连续多载波而言，每载频信道之间的邻道功率比（Adjacent Channel Power Ratio，ACPR）比杂散发射抑制更重要，更具有实际意义，CDMA通信中的掉话、串音、信号时断时续实际上都与ACPR密切相关。
    2、杂散发射抑制与ACPR的差异
    在3GPP2C.S0010-A中，传导性杂散发射定义为在指定CDMA信道频率之外的发射。CDMA带内/信道外不同频率偏置范围的杂散发射抑制是不同的：±（750kHz～1.98MHz）时，要求≤-45 dBc/30 kHz；±（1.98～4.0）MHz时，要求≤-65 dBc/30 kHz。
    ACPR是指发射机在规定的调制状态下工作时，其输出落入邻道带内的功率。通常用相邻信道不同频偏处指定带宽内的功率与信道总功率之比来表示。邻道功率的大小主要取决于已调边带的扩展和发射机的噪声。
    ACPR也称为频谱扩展或频谱再生（SpectralRegrowth）。传统测量中，对于窄带信号，常用双音信号互调测量来评估发射机的失真性能。CDMA是一种宽带调制信号，不仅具有非常紧密的频谱分量，还具有很高的尖峰信号（称作波峰因子），这些来自于信号自身频谱分量的互调产物往往会落在CDMA频谱周围。CDMA信号的互调测量十分复杂，而ACPR与非线性失真引起的互调产物密切相关，所以ACPR实际上是一种测量CDMA发射机非线性失真更好的方法。
    从图1所示的测量实例中，可以清楚地看到非线性失真引起的频谱扩展及互调产物。图1（a）所示为ACPR性能良好的例子，两信号间及边带几乎没有互凋失真产物；（b）所示为ACPR低劣的例子，两信号间及边带存在严重的互调失真产物。

    图1  ACPR性能曲线示意

    杂散发射与ACPR既存在差异，又有联系。对CDMA带内而言，ACPR性能良好，杂散发射抑制基本都能合格；但杂散发射抑制合格，ACPR性能却未必良好。在多载波条件下，发射机的ACPR比杂散发射抑制更重要。但在CDMA基站发射机性能测试中，往往比较重视杂散发射的影响，忽视了邻道功率比对系统内的干扰与影响。
    3、ACPR对CDMA网络的影响
    目前，我国CDMA网络发射链路的频带为870-880MHz，现已使用了201、242、283三个连续载频。理想状态下，三个载频之间应互不影响，而实际情况是随着ACPR的不同，相邻信道之间的影响程度也不同。在三载频情况下，尤其在201、242、283连续载频情况下，若基站发射机的ACPR性能较差，242载频（877.36MHz）不仅受两侧相邻载频的邻道干扰，还受互调干扰。数学推导证明，等间隔通信系统的互调产物随频道数的增加而迅速增加，且落入中间频道的互调产物最为严重，实测也完全证实了这一点。
    3.1ACPR性能低劣将提高码域噪声
    CDMA基站设备测试需要多路码分信道被同时激活。在3GPP2C.S0010-A中规定了基站测试模式的码分信道配置，具体见表1。

    表1  主路径激活的码分信道测试配置

    图2（a）所示为与表1相对应的正常情况下的码域功率。其中Walsh0为导频信道，Walsh1为寻呼信道，Walsh32为同步信道，Walsh 8～13为业务信道。码域中所有非相关干扰功率的表现都是相似的，在全部Walsh码道等分扩展，形成码域噪声，即图2（a）中绿色部分所示，可见ACPR性能优良时的码域噪声非常低。图2（b）所示为ACPR性能低劣时的码域功率，与图2（a）相比，码域噪声明显提高（Avg Inactive Ch低于总功率约-20.282 dBc，Max Inactive Ch低于总功率仅-12.203dBc），噪声几乎将有效信道淹没，大大减少了系统的容量。
    3.2ACPR性能低劣会引起码域互调
    ACPR性能低劣会引起Walsh码混合调制，产生额外的无效码分信道，其特征与射频信号在频域的互调干扰十分相似，称之为码域互调。图2（b）中红色码分信道为正常有效信道，Wa1sh1、Walsh8和Walsh 16凸出绿色阴影为非线性失真引起的码域互调产物。

    图2  ACPR性能码域功率示意

    3.3ACPR性能严重下降导致有效码分信道丢失
    图2（b）中ACPR引起的互调干扰导致丢失了walsh1寻呼信道和若干业务码道。在CDMA码分信道中，寻呼信道用于向移动台发送系统参数、接入参数、邻区列表等公共开销信息，供基站在呼叫建立阶段传送控制信息。同步信道用于传送同步信息，在基站覆盖范围内，各移动台利用它进行同步。业务信道用于用户正常通信。丢失这些信道，将严重影响CDMA无线网络的通信质量，降低系统容量。
    3.4ACPR性能低劣影响波形质量Rho
    3GPP2C.S0010-A规范把Rho作为测量CDMA调制质量的一个指标，称作波形质量。最低性能标准中规定Rho≥0.912，表示在发射总功率中包含了91.2%的相关功率，其余8.8%为非相关功率，即无效功率。图3（a）所示为波形质量优异的实例，图3（a）中左侧显示Rho为0.99367，右侧的星座图与Rho测量相结合更直观地表示了调制精确；图3（b）为ACPR性能低劣导致波形质量不合格的实例，图3（b）中左侧显示Rho为0.76563、相关功率降至76.6%、无效功率升至23.4%，与码域噪声增加相关联，从右侧的星座图可以直观地看到调制混乱。

    图3  波形质量Rho曲线

    CDMA系统通常被噪声所恶化，故称之为干扰受限制系统。Rho性能变差将会直接影响基站容量，因为非相关功率在本质上是一种干扰，需要提升有效信道的功率去克服干扰，提升的功率反之又被视作附加干扰，当信/干比不能满足要求时，就会发生掉话。
    4、ACPR测量的紧迫性和必要性
    在3GPP2C.S0010-A中规定了杂散发射抑制而未规定ACPR的原因有两个：一是杂散发射作为一种系统测试，而ACPR主要是针对部件的测试；二是3GPP2C.S0010-A本身就是最低性能标准，有关标准对ACPR另做了严格规定。因此，最低标准没有规定决不意味对ACPR没有要求。
    图4为不同型号发射机在相同额定发射功率情况下的ACPR测量结果。通过对比可以看出，在同等条件下，两者性能相差悬殊。

    图4  不同型号发射机在相同额定发射功率情况下的ACPR测量结果

    ACPR随频率偏置变化而不同，从中可进一步了解基站性能的优劣。表2为不同型号基站在额定发射功率情况下不同频偏处的ACPR测量结果。其中A为第一代产品，C和D为最新产品。从性能统计比较可见，ACPR性能呈逐代下降趋势，型号C和D产生的邻道干扰大于型号A和B的数倍，导致基站容量显著下降，已到了十分惊人的地步。事实充分说明了重视和加强ACPR测量的紧迫性和必要性。

    表2  不同型号基站ACPR测量结果比较

    理论上，ACPR随信道配置不同而变化，信道增加通常会提升邻道干扰。对上述几种型号基站做了进一步测试比较，实测说明，A和B两种型号发射机在不同信道配置的ACPR基本相似，而C和D两种型号则发生6-8dB的变化。
    5、结束语
    CDMA基站发射机ACPR性能严重下降对CDMA无线网络在频域、码域和调制域产生的影响和干扰，在基站设备指示器上经常显示绿灯，没有任何告警，网管监测系统更无法反映。CDMA通话中发生的掉话、串音、信号时断时续实际上都与ACPR密切相关。ACPR性能严重下降对CDMA无线网络已产生了潜在的影响和损害。重视和加强基站设备的安装、验收和日常维护测试，监督和改善ACPR等各项性能指标，将显著改善CDMA无线网络的质量，提升基站效率和系统容量，产生可观的经济和社会效益。
    作者：沈浩伟