載波泄漏的分析與檢測

張瑞江，劉 振

（國家無線電監測中心檢測中心，北京 100041）

0 引言

在過去的幾年里，無線產業有了長足的發展，尤其是以OFDM為調制技術的無線蜂窩系統和無線接入系統已經在世界范圍內得到了廣泛的應用。然而為了更加節省成本和電路空間，往往在終端和低價的WLAN設備中采用直接變頻（零中頻）技術，由此產生了載波泄漏，直流偏移、失配等問題，它可能會降低傳輸信號的誤差矢量幅度（EVM）。如何在直接轉換架構中充分抑制載波泄漏，以滿足標準要求，是一個很大的挑戰。本文從載波泄漏的原理出發，詳細分析了其產生的原因以及在基站和終端設備中的影響，并給出了4G，5G標準中終端載波泄漏的測試規定以及測試方法，最后總結了減小載波泄漏的方法。

1 載波泄漏的原理

載波泄漏（Carrier Leakage），又稱載波饋通（Carrier Feedthrough），或IQ原點偏移（IQ Origin Offset），是直接上變頻發射機的固有缺點。如圖1所示，當LO（本振）功率較高時，由于混頻器端口與端口之間的隔離有限，LO功率強，LO信號可能會通過射頻端口泄漏，這可能會導致嚴重的LO泄漏。此外，如果在I/Q信道中存在直流偏移，在有LO的情況下，直流偏移也會直接轉換為LO泄漏。載波泄漏表現為在載波頻率上的非調制的正弦波，相對載波泄漏功率是該疊加正弦波與調制波形的功率比值。

圖1 LO泄漏

從星座圖的角度看，圖2中左邊是沒有IQ Offset的QPSK星座圖，右邊是帶有IQ Offset的星座圖。右邊相對于左邊，星座圖的原點發生了偏移，所以IQ Offset又稱為IQ Origin Offset（IQ原點偏移）。當沒有發生任何載波泄漏時，那么IQ原點偏移為0，如果用“dB”表示，就是負的無窮大。

圖2 IQ offset示意圖

從頻率域的角度看，圖3中右側那個突出的信號，就是載波泄漏，而左邊16QAM的星座圖中，IQ Offset就是這樣的一個帶有載波泄漏頻譜的信號在IQ調制域的一個對應。

圖3 載波泄漏在調制域和頻域的表現

所以說在OFDM調制系統中，I/Q原點偏移對被測設備的中心子載波將產生干擾（如果被分配），特別是當這些子載波的幅度較低時。這種干擾的幅度近似保持恒定，且與理想信號的幅度無關。載波泄漏測試的目的是通過測試IQ offset以評估發射機在載波泄漏情況下的調制質量。

在實際的OFDM系統中，為了避免載波泄漏的影響，往往落入DC（直流）的0號子載波是留空不用的。例如，圖4是IEEE Part 11：Wireless LAN Medium Access Control （MAC）and Physical Layer（PHY） Specifications中關于OFDM子載波劃分的示意圖。

圖4 IEEE子載波頻率分配

而對于LTE下行信號使用OFDMA，基站和終端在整個帶寬內分別只有一個DC。對于基站發射機，由于中頻（如采用一次變頻方案）或直接變頻（如采用零中頻方案）本振的泄漏，會在最終發射的信號中間（載頻處）產生一個較大的噪聲。如果發射時在DC調制了數據符號，則該數據符號的發射EVM會很差，信噪比通常是負的若干dB，因此LTE協議規定在這個DC上是不發射任何數據符號。一般來講，在發射機天線口測量，要求DC子載波的功率比總發射功率低20 dB以上，主要的原因是為了避免浪費發送無用的DC子載波以及避免DC過強影響終端接收機的射頻AGC正常工作。對于終端接收機，一般采用零中頻的方案，接收本振泄漏會直接在基帶的DC上產生較強的噪聲，也就是說如果DC上有數據符號調制，其接收信噪比會比其他子載波差很多，因此DC也不適合有數據符號。

LTE上行信號使用SC-FDMA，基站在整個帶寬內只有一個DC，而對于每個終端，各自發射的帶寬內各有一個DC。對于終端發射機，一般采用零中頻的方案（優勢是結構簡單但性能較差），本振泄漏會在其發射信號的載頻處產生一個較大的噪聲，LTE采用的折中方案是將基帶數字的DC與射頻模擬的DC錯開半個子載波寬度（即7.5 kHz），這樣本振泄漏在模擬DC部分產生的干擾，不會影響到基帶DC處的信號。事實上，從終端發射的天線口來看，基帶DC信號被調制在載頻偏移7.5 kHz的地方。對于基站接收機，一般采用一次變頻方案，中頻本振的泄漏會在其DC處產生一個較大的噪聲。由于基站總是接收整個帶寬，如果終端發射的DC與基站接收的DC相差很大（如終端只使用了部分帶寬），則基站DC處的噪聲對接收信號的信噪比沒影響。

2 標準中關于載波泄漏測試的規定

3GPP TS 36.521-1中關于不同功率等級的載波泄漏測試的相關規定如表1和表2所示[1]。其中表1是針對版本R8～R10的4G終端，需要測試三個功率等級，表2是針對R11以上版本的4G終端，相比于R8～R10多了一個功率等級，也就是將大于0 dBm的功率又進一步分成了大于10 dBm和0～10 dBm兩個等級。

表1 3GPP 36.521-1 R8-R10版本終端的載波泄漏測試要求

表2 3GPP 36.521-1 R11以上版本終端的載波泄漏測試要求

另外，在5G NR終端標準3GPP TS 38.521-1中有關于NR UE載波泄漏的規定，如表3所示[2]，與表1和表2中4G終端的規定不同在于，沒有給出測試容差，也就是說最終的限值應該再+TT（test Tolerance），另外，5G終端在載波泄漏測試中的功率等級劃分跟4G終端R11版本類似，也就是將大于0 dBm的功率又進一步分成了大于10 dBm和0～10 dBm兩個等級。

表3 3GPP 38.521-1 R15版本以上NR終端的載波泄漏測試要求

YDT 2575—2016《TD-LTE數字蜂窩移動通信網終端設備技術要求（第一階段）》文件中對TD-LTE載波泄漏的測試也進行了規定[3]：載波泄漏是一個與調制波形相同頻率的疊加正弦波，它的測量間隔是一個時隙，相對載波泄漏是該疊加正弦波與調制波形的功率比值，測試目的是驗證發射機的調制質量，測試限值見表4。如果將測試容差考慮進去之后，此限值與3GPP的規定是一致的。

表4 YDT 2575—2016中載波泄漏限值

3 載波泄漏測試方法與步驟

載波泄漏的具體測試方法可以參照YD/T 2576.2—2013《TD-LTE數字蜂窩移動通信網 終端設備測試方法（第一階段）第2部分無線射頻性能測試》相關章節[4]。下面將以1785～1805 MHz系統為例，具體描述載波泄漏的測試步驟。測試過程中需要用到的設備有綜測儀（如CMW500）、USIM卡、功分器（或電橋）、衰減器、頻譜儀、直流電源等，具體步驟如下。

（1）設置綜測儀的Bandindicator、Frequency、ChannelNumber、Subframe Offset等相關參數。

（2）設置線損補償（具體值依據校準結果），相關設置完成后開機建立信令連接，如圖5所示。

圖5 Connection建立界面

（3）在信令連接建立后，根據不同功率等級設置閉環（Closed Loop）功控目標值，然后在調制質量測試界面讀取IQ Offset的測試結果，如圖6所示。

圖6 綜測儀載波泄漏測試結果

（4）在不同頻點、不同帶寬、不同RB位置進行重復測試，調制方式均配置為QPSK，具體配置參照表5。這里需要注意的是，1785～1805 MHz終端支持最大帶寬為10 MHz且只支持TDD模式。

表5 3GPP 36.521-1中規定的測試配置[1]

通過以上對載波泄漏測試方法的描述我們發現載波泄漏測試過程中有一個將TCP（功率控制）設置為Closed Loop（閉環）功控的步驟。功率控制就是在一定范圍內用無線方式改變UE或BS傳輸功率，用于補償信道的路徑損耗和陰影衰落，抑制小區間干擾。功率控制按照BS和UE是否同時參與分為開環和閉環兩種，其中閉環又分為內環和外環，其實開環閉環是有一個過程的，在UE和BS建立連接以前，UE并不受基站的控制，UE通過接收到的系統消息中的功率參數來調節功率，即開環功率；然后當UE和BS建立連接以后，BS就可以控制UE的功率了，如此形成了一個控制環，因此此階段的功率控制叫做閉環功控。

載波泄漏測試，需要終端在規定的不同功率等級下進行，所以要在終端與綜測儀（BS模擬器）建立信令連接的基礎上，對終端的發射功率等級進行嚴格的控制。因此在測試載波泄漏時，將綜測儀的TCP設置為Closed Loop（閉環）功控，通過設置相應的功控目標值來調整UE發射功率。

4 如何減小載波泄漏的影響

綜上，載波泄漏會對信號質量EVM產生較大的影響，在典型的射頻發射器實現中，包括數模轉換器在內的各個元件在增益和直流偏移方面都會有輕微的誤差。因此對基帶I或Q信號進行增益或DC偏移調整很重要。對于I/Q不平衡情況，我們應該考慮溫度的影響。同樣，對于載波泄漏，我們也應該考慮溫度的影響。在PCB方面，能做的是盡量使四個I/Q信號（即I+、I-、Q+、Q-）具有相同的長度，如果IQ調制器的相位和正交分路完全對稱，直流偏移將被取消，這樣可以改善載波抑制。這就是為什么我們應該盡量使四個I/Q信號具有相同的PCB布局長度的原因。同樣，如果可能的話，也要讓四個I/Q信號的PCB跡線長度盡量短一些。另外，不要將那些未使用的I/Q引腳短接到地。業界也考慮采用多種算法來盡量消除載波泄漏的影響[5]。

5 結束語

載波泄漏的測試目的是驗證終端發射機的調制質量，屬于帶內相關測量指標。由于這一測試項涉及的原理和產生背景較為復雜，本文通過介紹3GPP標準以及行標中LTE終端、5G NR終端載波泄漏測試內容和規定，闡述其基本原理，深入分析了載波泄漏的產生原因，為相關企業減小或避免載波泄漏對產品的影響提供參考，以提高產品質量。此外，希望本文能讓核準測試相關人員進一步認識和了解該指標的定義、測試方法以及重要性，在實際工作中嚴格按照標準要求進行測試，敦促產品指標不合格的企業及時整改，減小泄漏，提高產品自身的通信質量等，共同營造一個高質量的無線通信環境。