使用选频式电磁波频谱分析仪SRM3000.docx

1、使用选频式电磁波频谱分析仪SRM3000使用选频式电磁波频谱分析仪SRM-3000进行UMTS测量测定在UMTS发射设备附近形成的场曝露位准作者 Claudia Eskerski, Product Manager, Narda Safety Test Solutions Burkhard Braach, Freelance Trade JournalistUMTS, 全球行动通讯系统, 是第三代的行动通讯标准(3G)。UMTS在欧洲广为使用, 与GSM(2G)相比, UMTS能有可调的及更高的数据传输速率。基于更高的数据传输速率结合更短的发射距离, 因此需要更密集的发射站。由于有其它无线电信服

2、务及UMTS和GSM共享相同的天线区, 因此, UMTS辐射占总场曝露位准的比例, 只能用选频式测量法测定出来。本篇应用笔记说明使用选频式电磁波频谱分析仪SRM-3000在UMTS发射设备进行场辐射测量, 及由人身安全的观点评估其测量结果。典型的GSM900、GSM1800及UMTS的多重天线配置内容: 1.背景 2.标准与法规 3.准备测量 4.基础的测量设置 5.使用安全评估模式进行UMTS频道测量 6.使用频谱分析模式进行UMTS频道测量7.使用频谱分析模式测量一个UMTS信道 8.使用UMTS P-CPICH解调模式测量UMTS发射小区(cell)9.用外插法决定最大的场曝露位准10.

3、 评估测量结果及制作报告附录: 计算中心频率、缩写、参考数据1.背景 UMTS运用宽带分码多任务撷取技术(W-CDMA)发射话音与数据信号。所发射的话音及数据信道在编码方式上不同, 但未必是频率不同。UMTS频道 每个电信服务业者都有取得一个使用一个或多个频道的许可, 每个频道频宽5MHz。每个UMTS基地台(基站-Node B)在这些频道之一作发射。如此一来, 许多小区使用同一频率。有两种情况: UMTS-FDD占用独立的频道对作上行与下行传输之用; 而UMTS-TDD则使用共同的频道作为双向传输之用(详见下表)。由于TDD很少用, 本篇文章只探讨FDD。一般而言, 在考虑紧邻发射台所在地附

4、近会影响到人体安全的重要场强时, 只关心下行传输(从基地台发射到行动通讯装置)。代码通道 个别话音与数据信道的信息是用一信道代码分别编码, 并同时伸展到一个频道的整个频宽。而一个发射小区下行传输中的全部信息流则用一扰码再次编码。有512组扰码用于区分来自个别发射小区的信息流。P-CPICH 每个小区有一个P-CPICH(主公共导频通道)隐藏在多路传输信号中; 这个通道是以一固定的功率位准连续发射; 这个信道的场强可借着译码作测量, 并且透过扰码方式指定给特定的小区; 这个数值可用于推断”最坏情况”, 即当发射小区完全负载时最大的场强。典型的UMTS天线配置, 如上图这些天线是所谓的扇形天线,

5、各覆盖120范围; 在相邻天线杆上的2根天线在各自的方向作发射(空间分集)。如此, 全部安装三个小区, 并且只由3个Node B(基站)基地台传输, 而由三个扰码作区分。可在一个相同的地点安装几个这种天线配置, 而UMTS的天线外观与GSM天线十分类似。UMTS通道的频谱略图全球行动通讯系统 FDD上行传输的频率范围19201980MHz (12个5MHz的频道)FDD下行传输的频率范围21102170MHz (12个5MHz的频道)TDD的频率范围19001920MHz (4个5MHz的频道) 20102025MHz (3个5MHz的频道)载波频率(中心频率)可由电信业者在一频道范围内自由选

6、择, 但必须是100kHz的整数倍数。每个载波的通道数可调, 依个别信道的数据传输速率而定调变QPSK; HSDPA也使用6-QAM撷取类型CDMA 上表: 常用的UMTS频率及UMTS的其它特性概要。 上行: 指从行动通讯装置(电话)传输到基地台(基站-Node B)。 下行: 指从基地台传输到行动通讯装置, 这通常是测量的主旨。许多电信业者为他们使用的UMTS频道的确切中心频率提供一个信道编号, 其有关的频率计算在本文附录中作说明。2. 标准与法规 1998年, 国际非游离辐射防护委员会(ICNIRP)发布了其”限制非游离辐射曝露的指导方针”1,2, 这些指导方针包括了以两种不同的限值曲线

7、形式表示的频率相关限值: 较高的用于工作环境(职业)保护, 较低的用于一般公众。较高的限值用于受控制的、已实行安全措施的、且只有特别受训过的人员可以进入的区域。例如, 应用于行动电话天线场所, 电信业者必须规定安全距离。 限值, 以及它们分成两种, 可在欧洲的指导方针中反映出来。职业安全限值是以2004年4月29日3的指导方针2004/40/EC作管制, 而保护公众的推荐限值1995/519/EC4则发布得更早, 在1999年7月12日。此外, 许多国家都有它们自己的国家标准, 尽管有些指定的限值更低, 大部份仍以ICNIRP的限值为基础。 ICNIRP规定的电场场强的限值曲线3.测量准备一般

8、的UMTS测量都可在”移动中”进行, 而测量天线可直接固定在SRM主机上, 或用1.5m长的RF导线跟主机作连接。建议使用三轴(等向)电场天线进行点矩阵法之测量, 它是根据一固定图谱(pattern), 测量空间里特定的点。然后, 再由SRM主机自动为各个测量到的点决定其等向(非定向)结果。您也可使用一单轴天线作点矩阵法测量, 但是过程比较费时。更多信息, 请参考SRM-3000操作手册中的”使用单轴天线进行等向性测量”。可使用三轴或单轴电场天线, 它是连续扫瞄空间体积。假如天线是用1.5m长的RF导线连接到SRM主机, 可将仪器用肩带固定, 再用手以钟摆式在空间中平移天线。在平移中, 考虑场

9、的极化, 单轴天线应该作转动。但如果是使用三轴天线时, 就没有必要。重点: 当使用钟摆法时, 平移速率必须够慢, 以便SRM为天线的每个位置进行两次或三次测量。测量设备取决于测量工作内容。完整的测量设备包含: 有最新韧体(下载自www.narda-sts.de)的SRM主机及UMTS P-CPICH解调选购。 SRM-3000达3GHz的三轴(等向)电场天线。 或 频率范围达3GHz的单轴电场天线。 射频导线1.5m。 AC转接器/充电器或备用的可再充电电池(假如测量现场没有交流电源可用的话)。 记录测量设定细节、当地条件、频率、测量设置及可能的干扰源之讯息。或 有最新版SRM-TS PC软件

10、的笔记型计算机, 用于控制SRM、储存的测量值及记录注释(下载自www.narda-sts.de)。而假如您是使用单轴天线进行点矩阵法测量的话, 还需要: 三角架。 单轴与三轴测量天线的天线支架。 5m长的RF导线。 4. 基本的测量设置 设置测量范围(MR)在大部份情况下, 自动的“MR搜寻”是在所有操作模式下最快设置测量范围的方法。只有当强场是来自脉冲类型的来源, 如位在主要场强附近的雷达时, 测量范围才必须手动设置。(请参考”5.使用选频式电磁波频谱分析仪SRM-3000进行空中雷达测量”)。而在得到一概要性的测量结果之后, 测量范围当然可以分别设置。在频谱分析模式下进行概要性测量 一直

11、都建议, 假如在UMTS发射设备附近有其它重要的场源如: 无线电发射台的话, 就要对整个可用的频率范围设置(全跨度)作概要性的检查测量, 因为它会影响到对测量仪器的控制(图1)。从一个大的测量范围MR(低灵敏度)开始, MR逐渐减少(灵敏度增加), 直到频谱与噪声信号清楚地分开为止。使用”最高峰值”标记功能, 读出最高频谱线峰值的场强值, 而将测量范围设置为差不多这个数值的2倍。设置频率范围(跨度) 将频率范围限制为有影响的频率是合理的, 以获得良好的屏幕分辨率及快速的测量速度。频率上限及下限可用”Fmin/Fmax”或缩放功能作选择(图2、3; 请同时参考操作手册)。设置解析频宽(RBW)

12、由于UMTS使用通道间隔5MHz, 那么5MHz的解析频宽对于解析进入个别通道的频谱也就足够了。SRM使用一特殊的演算规则, 以确保在使用峰值表或最高峰值标记功能作评估时, 真正的数值有显示出来, 即使选择滤波器并未精确地调整到信道的中心频率。但假如标记是用旋转控制定位的话, 这就不适用。设置结果类型(Result Type) 结果类型的设置, 是依测量目的及用于评估这个结果的标准或法规而定。设置显示单位(Display Unit) 这里要作的选择是是否要用物理单位(V/m、A/m、W/m2、dBV/m.等)或用限值的% (%, 参考第10点)作测量。随后从一组物理单位转换成另一种单位也是可以

13、的。图1: 概要性的检查测量显示GSM-900、GSM-1800及在2,100MHz的UMTS之场强测量设置: 最小频率: 75MHz 最大频率: 3GHz 解析频宽: 5MHz MR范围: 依场的情况而定 单位: V/m 结果类型: 最大值图2: 频率范围也可用“Zoom min / Zoom max”设置图3: UMTS下行传输频谱测量设置与上述不同: 解析频宽: 1MHz 单位: mV/m 结果类型:平均值5. 使用安全评估模式进行UMTS频道测量 假如需要快速评估整个场的情况的话, SRM-3000的”安全评估”模式是有用的, 因为那是最简单显示测量结果的方式。然而, 那确实也需要有定

14、义UMTS相关频道频率范围(例如: 依电信服务业者)的对应的电信服务表储存在仪器中。建议的设置: 解析频宽RBW: 50kHz。 测量范围MR: 如第4点所述。 结果类型: 依用于评估测量结果的标准或法规之规定。范例: 针对特定客户的电信服务表”UMTS_D”及ACT评估模式(图4); 此例中, SRM显示瞬时的下行场强值, 并按电信业者分开列出, 还有总场强值。”Others(其它)”则表示存在于定义的频道间的场强值。测量结果在预设的临界值以下的, 则显示为”小于”(如: 7.261 mV/m)。无论如何, 这种数值在计算整体场曝露位准时是可被忽略的。而在测量地点关于环境保护的影响可直接读出

15、来。范例: 测量值显示为许可限值的%, 并按电信服务业者分开列出(图5)。这结果自动提供了就人体安全的观点所作的评估。图4: 使用特别为德国UMTS电信服务业者建立的电信服务表及ACT评估模式, 进行安全评估测量, 结果以场强单位显示。图5: 如图4一样的安全评估测量, 但是是用AVG评估模式, 并直接显示测量结果为许可限值的%(参照ICNIRP一般公众标准限值)。6. 使用频谱分析模式进行UMTS频道测量 “频谱分析”模式能测量跨整个UMTS频道的场强, 就如”安全评估”模式一样。尽管这种评估方法有点复杂, 但是测量结果能对频谱类型提供额外的信息。建议的设置: 频率范围(跨度): 对应下行传

16、输频率范围的Fmin、Fmax。 解析频宽(RBW): 1MHz或更低。 结果类型: ACT: 检视瞬时值。 MAX: 检视在测量当中的最大值。 AVG: 决定时间平均值, 如: 6分钟时间。空间平均: 请参考“2.使用选频式电磁波频谱分析仪SRM-3000进行GSM测量”。 跨频带的积分功能可用于决定整个UMTS频道的场强(参考第10点)。7. 使用频谱分析模式测量一个UMTS信道 上述的频谱分析测量, 可在相应地设置积分限制后, 决定一个UMTS频道的场强。而关于信道频谱的更精确信息之取得, 则可藉由使用Zoom(缩放)功能(图7)限制频率范围为视在的通道宽或输入精确的数字频率(图8):

17、频率范围(跨度): Fcent对应于UMTS电信业者所用的中心频率。假如电信业者用的是信道编号, 频率可用简单的公式计算出来(参考附录)。Fspan = 10MHz 解析频宽(RBW): 20kHz, 最大1/10 Fspan。 结果类型: ACT: 检视瞬时值。 MAX: 检视在测量当中的最大值。 AVG: 决定时间平均值, 如: 6分钟时间。图6: 在UMTS频带内(FDD下行)的场强频谱测量设置: 最小频率: 2.1GHz 最大频率: 2.171GHz 解析频宽: 1MHz在标记位置的数值显示在顶端右边。当一电信服务表已被记录下来时, 电信服务业者的名称也会在每一次显示出来。图7: 使用

18、Zoom(缩放)功能, 手动限制频率范围为单一UMTS频带图8: 一UMTS频带的场强 测量设置: 中心频率: 2.1128GHz 频率跨度: 7.42MHz 解析频宽: 20kHz8. 使用UMTS P-CPICH 解调模式测量一UMTS发射小区 在(选购)的“UMTS P-CPICH解调”模式下, SRM能对出现在一选择的UMTS频道内的所有扰码进行译码。在这种模式下, 仪器能分别判定及列出个别小区对一UMTS频道总场强的贡献度。它也计算所有这些贡献度的总值。此外, SRM还显示模拟式测量值, 这与跨整个5MHz的UMTS频道积分的实际的场曝露位准相符合。建议的设置: 频率: Fcent符

19、合确切的100kHzUMTS电信业者所用的中心频率。输入UMTS通道编号是比较简单(使用CONF选单作设置)。 解调演算: 快速: 假如需要快速的测量, 例如: 在使用钟摆法时。灵敏: 假如也要侦测及解碼来自远方发射小区的微弱信号。 结果类型: ACT: 检视瞬时值。 AVG: 决定时间平均值, 如: 6分钟时间。关于储存及评估测量结果, 在第10点作说明。图9: 在一UMTS频带内个别UMTS小区的场强测量设置: 中心频率Fcent: 2.1128GHz 结果类型:ACT 结果: Scr.: 由译码的扰码数字提供的UMTS小区的识别代号。 Value: 测量出来的以mV/m为单位的P-CPI

20、CH场强。Max. Value: 从测量一开始曾经出现的最大的P-CPICH场强。 Value/Analog: 一UMTS小区的瞬时P-CPICH值对整个UMTS频带的模拟场强测量值之比例(以dB为单位表示)。 Total: 所有解碼的P-CPICH的总场强(功率总和)。 Analog: 整个UMTS频带的模拟场强测量值。9. 用外插法决定最大的场曝露位准 透过一个可设置的外推因子(extrapolation factor), SRM可计算最坏情况的场曝露位准, 那是所有小区在全载状态下会发生的场曝露位准。由于可能的总发射功率位准对P-CPICH的功率位准比例为已知, 因此, 可提供给电信服务

21、业者。外推因子同等地应用到所有小区, 即SRM会用外推因子乘上所有个别的结果(数值、最大值)及结果总值(总数), 但不包括模拟测量结果。图10: 在一UMTS频带内个别UMTS小区的场强及用外插法得出可能的最大值设置: 外推因子: 3.3 所有的测量结果, 除了模拟测量值以外, 现在都乘上了外推因子, 虽然它们这里是用dBV/m单位显示。10. 评估测量结果及制作报告要求测量场辐射的客户, 最终是想知道强场是否在许可的限值范围内, 或者, 有哪家电信服务业者超过限值(及超出多少), 还有, 谁因此必须降低输出功率? 因此, 将测量结果与限值作比较是评估工作的一部份。有用的是, 在进行环境测量时

22、让测量结果用物理单位显示, 如此方便跟测量地点规定的限值相比较; 而就人体安全考虑时, 将测量结果用许可限值的%表示则是最方便的。安全评估模式这个操作模式提供了UMTS频带与个别频道或对应于所记录的电信服务表(图11)的个别电信业者的测量结果。物理单位只需跟许可限值相比较, 而SRM-3000的一个特点是可直接显示测量结果为许可限值的百分比。频谱分析: 使用跨频带积分的方式作评估在此操作模式的测量结果必须使用”跨频带积分”的功能作确定。SRM可直接执行这个功能(图8), 更方便的是使用SRM-TS PC软件(图12), 例如: 将测量结果精确地跨由一电信业者占用的频带作积分。那么由此电信业者的

23、天线所造成的场曝露位准即可直接以数字读出。跨结果类型为MAX所得到的测量值的积分, 容易造成场曝露位准的高估, 因为最大值未必全部出现在同一时间。图11: 使用SRM-TS PC软件显示的安全评估结果图12: 使用SRM-TS PC软件及跨频带积分功能得到的频谱评估结果图13: 您在使用SRM及PC软件时, 都可在所有操作模式下切换不同的物理单位频谱分析: 使用峰值表作评估 峰值表可在您评估中提供快速的总览, 它可在SRM-TS PC软件及SRM本身储存每次频谱的数据存储器中开启。UMTS P-CPICH解调 如第9点所述的, SRM使用可调的外推因子自动推断瞬时的场强, 以得出可能的最大的场

24、强。外推因子也可在后来作设置或调整(图14)。测量的不确定度 测量的不确定度必须在所有的测量结果中纳入考虑, 请参考”选频式电磁波频谱分析仪SRM-3000的测量不确定度”。准备测量报告通常是预备要记录评估结果, SRM-TS PC软件对这点很有帮助。测量数据可利用简单的剪贴与复制功能直接复制到测量报告中, 或者, 可将测量数据设置汇出到标准的电子表格应用程序中。图14: 在测量后使用SRM-TS PC软件执行外插法附录: 由信道编号计算中心频率 电信服务业者通常指定一个编号表示他们使用中的一个UMTS频道确切的中心频率, 这个编号就是所谓的UARFCN(絶对无线频道编号)。运用以下的方程式,

25、 即可决定其对应的频率:范例: UARFCN = 10836 中心频率= 2167.2 MHzSRM可供您输入通道编号, 并自动计算对应的中心频率。缩写名词 16-QAM: 16阶正交幅度调变(16-stage quadrature amplitude modulation) E-field:电场FDD: 频分双工(Frequency Division Duplex) HSDPA: 高速下行封包撷取(High Speed Downlink Packet Access) ITU: 国际电讯联盟(International Telecommunication Union) MR: 测量范围 P-C

26、PICH: 主公共导频通道(Primary Common Pilot Channel) QPSK: 正交相移键控(Quadrature Phase Shift Keying)RBW: 解析频宽 RMS: 均方根 SRM: 选频式电磁波频谱分析仪 TCH: 业务通道 TDD: 时分双工(Time Division Duplex) UARFCN: UMTS絶对无线频道编号(UMTS Absolute Radio Frequency Channel Number)W-CDMA: 宽带分码多任务撷取(Wideband Code Division Multiple Access)参考数据 1 Guide

27、lines on Limiting Exposure to Non-Ionizing Radiation. International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection (ICNIRP), July 1999; ISBN 3-9804789-6-3. 2 Directive 2004/40/EC of the European Parliament and the Council of Europe on the minimum health and safety requirements regarding the exposur

28、e of workers to the risks arising from physical agents (electromagnetic fields) (18th separate directive according to Article 16 Paragraph 1 of Directive 89/391/EEC) of 29 April 2004. 3 Council Recommendation of 12 July on the limitation of exposure of the general public to electromagnetic fields (0

29、 Hz to 300 GHz) (1999/519/EC). Official Journal of the European Communities L 199/59, 30.7.1999. 4 BGV B11: Unfallverhtungsvorschrift Elektromagnetische Felder (Berufsgenossenschaftliche Vorschrift fr Sicherheit und Gesundheit bei der Arbeit). 1st June 2001. 5 Sechsundzwanzigste Verordnung zur Durch

30、fhrung des Bundes-Immissionsschutzgesetzes (Verordnung ber elektromagnetische Felder 26. BImSchV). 16th December 1996. 6 prEN 50413:2005: Basic standard for measurement and calculation methods for the exposure of persons to electric, magnetic and electromagnetic fields (0 Hz to 300 GHz). 7 DIN VDE 0848-1 (VDE 0848 Teil 1):2000-08: Sicherheit in elektrischen, magnetischen und elektromagnetischen Feldern. Teil 1: Definitionen, Mess- und Berechnungsverfahren. 8 Revised ECC Recommendation (02)04: Measuring non-ionising electromagnetic radiation (9 kHz 300 GHz). Electronic Commun