RTTH-HG寬帶與射頻信號干擾研究

印 鋒，黃 濤

(武漢郵電科學(xué)研究院光纖通信技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)國家重點實驗室，湖北武漢430074)

隨著智能終端的普及、云端數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的日益多樣化，終端用戶對新業(yè)務(wù)的依賴日益加深，必將帶來數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的爆炸式增長，這對“云管端”一體化戰(zhàn)略中的管道提出了更高要求。室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)作為管道的重要分支，目前承載了總業(yè)務(wù)量的70%，未來將達到90%。室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)建設(shè)的重要性越來越突出，本文從RTTH-HG(Radio To The Home-Home Gateway)綜合寬帶入戶系統(tǒng)的問題出發(fā)，提出具有應(yīng)用價值的優(yōu)化設(shè)計方案。

1 研究背景

RTTH-HG作為室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)的新形態(tài)產(chǎn)品，能夠充分利用運營商的駐地網(wǎng)資源，利用現(xiàn)有的入戶網(wǎng)線資源，終端靈活放置不受供電限制，在提供以太網(wǎng)信號的同時提供移動網(wǎng)絡(luò)信號，解決室內(nèi)弱覆蓋問題。在樣機調(diào)測階段，發(fā)現(xiàn)RTTH-HG傳輸寬帶信號時造成無線信號的指標惡化。

1.1 RTTH-HG綜合寬帶入戶系統(tǒng)特點

RTTH-HG系統(tǒng)原理如圖1所示。

將以太網(wǎng)的寬帶信號與無線信號(GSM/CDMA/WCDMA)融合，借助1根網(wǎng)線實現(xiàn)入戶進行室內(nèi)覆蓋，1套系統(tǒng)包括1個近端單元和最多16個遠端單元。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

近端單元完成寬帶與無線信號的合路:通過射頻同軸電纜與蜂窩基站相連，收發(fā)無線信號;通過網(wǎng)線與光網(wǎng)絡(luò)單元(Optical Network Unit，ONU)相連，收發(fā)寬帶信號。遠端單元完成寬帶與射頻信號的分離:通過微帶天線實現(xiàn)無線信號傳輸;通過網(wǎng)口實現(xiàn)寬帶信號傳輸。

RTTH-HG系統(tǒng)的亮點在于近端單元和遠端單元之間的所有通信，使用常規(guī)網(wǎng)線實現(xiàn)。網(wǎng)線(五類線、超五類線)由4對雙絞線進行組成，其中第一對和第二對傳輸以太網(wǎng)信號，第三對和第四對雙絞線傳輸無線信號。遠端單元使用以太網(wǎng)供電(Power Over Ethernet，POE)方案，具體由第一對雙絞線完成以太網(wǎng)信號下行鏈路信號傳輸?shù)耐瑫r，完成遠端單元供電的正極電源傳送;第二對雙絞線完成以太網(wǎng)信號上行鏈路信號傳輸?shù)耐瑫r，完成遠端單元供電的負極電源傳送。

1.2 網(wǎng)線射頻特性分析

網(wǎng)線與射頻同軸電纜相比，屏蔽效果稍差、線路損耗偏大。

選取30 m和100 m的網(wǎng)線各5根，使用信號源與頻譜分析儀測試不同頻率下無線信號的插損，5根網(wǎng)線在100 MHz～4 GHz頻段內(nèi)插入損耗的平均如圖2和圖3所示，提供系統(tǒng)鏈路預(yù)算分析用。

2 RTTH-HG科研樣機調(diào)測問題描述

進行RTTH-HG科研樣機調(diào)測時發(fā)現(xiàn)，傳輸寬帶信號時無線信號的射頻指標出現(xiàn)惡化。

2.1 EVM指標惡化

矢量幅度誤差(Error Vector Magnitude，EVM)，定義為參考信號(物理層規(guī)范等式中定義的信號)和實際傳輸信號(目標信號幅度歸一化)之間差異的幅度［1］。近端單元和遠端單元使用30 m網(wǎng)線連接時由4%惡化到15%;近端單元和遠端單元使用100 m網(wǎng)線連接時由5%惡化到20%。

2.2 NF指標惡化

噪聲系數(shù)(Noise Figure，NF)定義為輸入端的信噪比與輸出端的信噪比之比［2］。近端單元和遠端單元使用30 m網(wǎng)線連接時由7 dB惡化到9.5 dB;近端單元和遠端單元使用100 m網(wǎng)線連接時由11 dB惡化到24.5 dB。

2.3 雜散指標惡化

下行鏈路的帶內(nèi)雜散由-36 dBm惡化到-18 dBm。

3 RTTH-HG問題根因分析

RTTH-HG系統(tǒng)各信號在網(wǎng)線中的傳輸方式:第一對雙絞線(1橙白芯、2橙芯)和第二對雙絞線(3綠白芯、6綠芯)傳輸寬帶信號以及+48 V直流信號;第三對雙絞線(4藍芯、5藍白芯)傳輸下行中頻信號、時鐘參考信號;第四對雙絞線(7棕白芯、8棕芯)傳輸上行中頻信號。網(wǎng)線中有寬帶信號傳輸時，射頻指標惡化，初步分析為寬帶信號對無線信號的干擾。從證實的角度來看，利用Agilent E4445A頻譜儀導(dǎo)出的數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 寬帶信號的高頻串擾圖

3.1 EVM問題

觀察圖4可以看到400 MHz以下每隔30.4 kHz都有寬帶信號的高頻分量，這些高頻分量形成的串擾從1，2，3，6芯寬帶鏈路耦合到4，5，7，8芯的射頻鏈路上，形成干擾。這些干擾信號的最大值出現(xiàn)在12.809 MHz處，與遠端單元的本振信號12.8 MHz間隔只有8.9 kHz，正是這一雜散信號對本振信號形成干擾，進而導(dǎo)致EVM指標惡化。

3.2 NF問題

NF測試常用的方法有三種:增益法、Y參數(shù)法、噪聲測試儀［3］。對于RTTH-HG這種低噪聲、窄帶系統(tǒng)采用第三種方法進行驗證，同時采用第一種進行理論分析。

經(jīng)典背景噪聲公式為

式中:Pout為單位帶寬內(nèi)背景噪聲功率;Gain為系統(tǒng)增益;-174 dBm/Hz為參考溫度T=290 K時環(huán)境噪聲的功率譜密度;BW為頻率帶寬;Gain為系統(tǒng)增益;NF為系統(tǒng)噪聲系數(shù)。

1)對于近端單元與遠端單元采用30 m網(wǎng)線時的上行鏈路預(yù)算如下:

上行端口單載波背景噪聲功率=(-174+53(BW=200 kHz)+40(系統(tǒng)上行增益)+7(噪聲系數(shù)))dBm=-74 dBm;

上行端口單載波干擾功率=(-66(上行最大串擾功率)-5(近端單元上行增益))dBm=-71 dBm。

2)對于近端單元與遠端單元采用100 m網(wǎng)線時的上行鏈路預(yù)算如下:

上行端口單載波背景噪聲功率=(-174+53(BW=200 kHz)+24(系統(tǒng)上行增益)+11(噪聲系數(shù)))dBm=-86 dBm;

上行端口單載波干擾功率=(-66(上行最大串擾功率)-5(近端單元上行增益))dBm=-71 dBm。

通過上述計算得出，上行串擾功率干擾上行底噪，從而導(dǎo)致噪聲系數(shù)惡化抬升。

3.3 帶內(nèi)雜散問題

雜散是指必要帶寬之外的頻率發(fā)射，包含諧波發(fā)射、寄生發(fā)射、互調(diào)產(chǎn)物及變頻產(chǎn)物，當這種干擾信號電平偏大會導(dǎo)致其接收機的接收靈敏度下降，從而引起被干擾系統(tǒng)無法正常工作。首先分析RTTH-HG的近端單元的變頻模塊原理框圖，如圖5所示，近端單元變頻模塊分為上行鏈路和下行鏈路兩個部分。

圖5 近端單元變頻模塊原理框圖

下行鏈路完成的功能:從信源設(shè)備耦合的射頻信號經(jīng)過雙工器濾波，由固定衰減器衰減到合適功率以便進入混頻器的線性工作區(qū)間，再下變頻到中頻信號后經(jīng)由低通濾波器進入放大器放大，放大后的信號與參考信號合路，經(jīng)過巴侖(BALUN)進行單端到雙端的匹配轉(zhuǎn)換，經(jīng)過網(wǎng)線傳輸?shù)竭h端單元。上行鏈路主要完成下行鏈路的逆轉(zhuǎn)換功能。出現(xiàn)惡化的指標為下行鏈路帶內(nèi)雜散，下行無線信號在混頻前與寬帶信號是完全隔離的，只有中頻信號與寬帶信號存在共存干擾，具體計算如下:

下行端口單載波背景噪聲功率=(-174+50(BW=100 kHz)+40(系統(tǒng)上行增益)+45(噪聲系數(shù)))dBm=-39 dBm;

下行端口單載波干擾功率=(-74(下行最大串擾功率)+55(遠端單元下行增益))dBm=-19 dBm。

通過上述計算得出，下行串擾功率已經(jīng)干擾下行底噪，從而導(dǎo)致下行帶內(nèi)雜散抬升。

4 解決方案

4.1 EVM惡化解決方案

4.1.1 增加外掛設(shè)備

使用同軸探頭截取信號，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)線串擾在網(wǎng)線接頭位置最大。當將網(wǎng)線接頭分開測試(1，2，3和6芯一個接頭，4，5，7和8芯一個接頭)發(fā)現(xiàn)串擾值減小10～20 dB。因而通過外接設(shè)備，將網(wǎng)線頭分開，可以減小串擾值。該方案在安裝時將網(wǎng)線撥開，在近端單元和遠端單元各增加一個水晶頭接口。驗證這種方案下近端單元和遠端單元使用100 m網(wǎng)線連接時EVM指標為9%，相比20%有所改善。

4.1.2 對參考信號進行濾波

由于參考信號的邊緣較大、雜散，導(dǎo)致本振信號惡化。采用遠端單元增加晶體濾波器進行參考信號濾波，近端單盤增強參考信號功率以便補償晶體濾波器引入的4 dB損耗。驗證這種方案下近端單元和遠端單元使用100 m網(wǎng)線連接時EVM指標為6%，與20%相比有顯著改善。

4.2 NF問題和下行帶內(nèi)雜散解決方案

由圖4可知，串擾呈現(xiàn)間隔分布。通過修改中頻頻率，將中頻設(shè)置在串擾較低的頻段進行解決。不同頻率無線信號對應(yīng)不同插損，需要通過調(diào)節(jié)ATT預(yù)衰值、合理調(diào)整放大器的增益。表1為修改中頻頻率前后，寬帶信號對中頻信號的串擾數(shù)據(jù)(結(jié)合背景噪聲公式、網(wǎng)線傳輸不同頻率無線信號的插損值得出)。

對于GSM制式，更改中頻后下行串擾為-37 dBm，比修改前的-18 dBm改善了19 dBm;上行網(wǎng)線串擾由-66 dBm改善到-95 dBm;

對于WCDMA制式，更改中頻后下行網(wǎng)線串擾為-45 dBm，比修改前的-23 dBm改善了22 dBm;上行網(wǎng)線串擾由-62 dBm改善到-90 dBm;

對于CDMA制式，更改中頻后下行串擾為-37 dBm，比修改前的-9 dBm改善了28 dBm;上行網(wǎng)線串擾由-68 dBm改善到-95 dBm。

5 工程試點驗證

在屏蔽室驗證RTTH-HG不同配置情況覆蓋時語音業(yè)務(wù)與數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)質(zhì)量，與蜂窩基站直接覆蓋的數(shù)據(jù)對比。如表2所示，其中RXQUAL值反映話音質(zhì)量的好壞，對應(yīng)于信號誤碼率，RXQUAL=1，誤碼率為0.2%～0.4%;RXQUAL=2，誤碼率0.4%～0.8%;RXQUAL=3，誤碼率為0.8%～1.6%;RXQUAL=4，誤碼率為1.6%～3.2%;RXQUAL=5，誤碼率為3.2%～6.4%［4］。

表1 修改中頻頻率前后串擾數(shù)據(jù)對比表

表2 RTTH-HG不同配置下覆蓋效果數(shù)據(jù)

結(jié)論:在100 m網(wǎng)線傳輸10 Mbit/s的寬帶數(shù)據(jù)時，RTTH-HG增加外掛設(shè)備或增加晶體濾波測試時通話質(zhì)量無惡化，RXQUAL滿足室內(nèi)覆蓋通話質(zhì)量要求，比修改前改善顯著;數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)速率由原來的27.1 kbit/s提升到30.4 kbit/s和31.2 kbit/s，有效縮小與蜂窩基站覆蓋時的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)33.8 kbit/s的速率差距;增加晶體濾波器方案更優(yōu)于增加外掛設(shè)備。

6 小結(jié)

本文從RTTH-HG綜合寬帶入戶系統(tǒng)原理出發(fā)，針對研發(fā)樣機的寬帶信號與射頻信號干擾問題進行分析。理論計算分析得出問題解決方案，進行多次實驗室摸底測試以及外場工程試點測試，證明了該修改方案的正確性。然后推廣到不同制式產(chǎn)品。RTTH-HG具有節(jié)省運營商建網(wǎng)成本、開通便捷、維護簡單、根據(jù)用戶需求靈活配置、無須物業(yè)協(xié)調(diào)等優(yōu)勢，能輕松入戶解決室內(nèi)弱覆蓋問題。

［1］STEFANIA S，ISSAM T，MATTHEW B.LTE-UMTS長期演進理論與實踐［M］.馬霓，鄔鋼，張曉博，等，譯.北京:人民郵電出版社，2009.

［2］REINHOLD L，PAVEL B.射頻電路設(shè)計:理論與應(yīng)用［M］.王子宇，張肇儀，徐承和，等，譯.北京:電子工業(yè)出版社，2002.

［3］吳偉陵，牛凱著.移動通信原理［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2009.

［4］龔雄濤.CDMA2000網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與優(yōu)化案例教程［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2011.