RTTH-HG宽带与射频信号干扰研究

印 锋，黄 涛

(武汉邮电科学研究院光纤通信技术与网络国家重点实验室，湖北武汉430074)

随着智能终端的普及、云端数据业务的日益多样化，终端用户对新业务的依赖日益加深，必将带来数据业务的爆炸式增长，这对“云管端”一体化战略中的管道提出了更高要求。室内覆盖系统作为管道的重要分支，目前承载了总业务量的70%，未来将达到90%。室内覆盖系统建设的重要性越来越突出，本文从RTTH-HG(Radio To The Home-Home Gateway)综合宽带入户系统的问题出发，提出具有应用价值的优化设计方案。

1 研究背景

RTTH-HG作为室内覆盖系统的新形态产品，能够充分利用运营商的驻地网资源，利用现有的入户网线资源，终端灵活放置不受供电限制，在提供以太网信号的同时提供移动网络信号，解决室内弱覆盖问题。在样机调测阶段，发现RTTH-HG传输宽带信号时造成无线信号的指标恶化。

1.1 RTTH-HG综合宽带入户系统特点

RTTH-HG系统原理如图1所示。

将以太网的宽带信号与无线信号(GSM/CDMA/WCDMA)融合，借助1根网线实现入户进行室内覆盖，1套系统包括1个近端单元和最多16个远端单元。

图1 系统原理框图

近端单元完成宽带与无线信号的合路:通过射频同轴电缆与蜂窝基站相连，收发无线信号;通过网线与光网络单元(Optical Network Unit，ONU)相连，收发宽带信号。远端单元完成宽带与射频信号的分离:通过微带天线实现无线信号传输;通过网口实现宽带信号传输。

RTTH-HG系统的亮点在于近端单元和远端单元之间的所有通信，使用常规网线实现。网线(五类线、超五类线)由4对双绞线进行组成，其中第一对和第二对传输以太网信号，第三对和第四对双绞线传输无线信号。远端单元使用以太网供电(Power Over Ethernet，POE)方案，具体由第一对双绞线完成以太网信号下行链路信号传输的同时，完成远端单元供电的正极电源传送;第二对双绞线完成以太网信号上行链路信号传输的同时，完成远端单元供电的负极电源传送。

1.2 网线射频特性分析

网线与射频同轴电缆相比，屏蔽效果稍差、线路损耗偏大。

选取30 m和100 m的网线各5根，使用信号源与频谱分析仪测试不同频率下无线信号的插损，5根网线在100 MHz～4 GHz频段内插入损耗的平均如图2和图3所示，提供系统链路预算分析用。

2 RTTH-HG科研样机调测问题描述

进行RTTH-HG科研样机调测时发现，传输宽带信号时无线信号的射频指标出现恶化。

2.1 EVM指标恶化

矢量幅度误差(Error Vector Magnitude，EVM)，定义为参考信号(物理层规范等式中定义的信号)和实际传输信号(目标信号幅度归一化)之间差异的幅度［1］。近端单元和远端单元使用30 m网线连接时由4%恶化到15%;近端单元和远端单元使用100 m网线连接时由5%恶化到20%。

2.2 NF指标恶化

噪声系数(Noise Figure，NF)定义为输入端的信噪比与输出端的信噪比之比［2］。近端单元和远端单元使用30 m网线连接时由7 dB恶化到9.5 dB;近端单元和远端单元使用100 m网线连接时由11 dB恶化到24.5 dB。

2.3 杂散指标恶化

下行链路的带内杂散由-36 dBm恶化到-18 dBm。

3 RTTH-HG问题根因分析

RTTH-HG系统各信号在网线中的传输方式:第一对双绞线(1橙白芯、2橙芯)和第二对双绞线(3绿白芯、6绿芯)传输宽带信号以及+48 V直流信号;第三对双绞线(4蓝芯、5蓝白芯)传输下行中频信号、时钟参考信号;第四对双绞线(7棕白芯、8棕芯)传输上行中频信号。网线中有宽带信号传输时，射频指标恶化，初步分析为宽带信号对无线信号的干扰。从证实的角度来看，利用Agilent E4445A频谱仪导出的数据如图4所示。

图4 宽带信号的高频串扰图

3.1 EVM问题

观察图4可以看到400 MHz以下每隔30.4 kHz都有宽带信号的高频分量，这些高频分量形成的串扰从1，2，3，6芯宽带链路耦合到4，5，7，8芯的射频链路上，形成干扰。这些干扰信号的最大值出现在12.809 MHz处，与远端单元的本振信号12.8 MHz间隔只有8.9 kHz，正是这一杂散信号对本振信号形成干扰，进而导致EVM指标恶化。

3.2 NF问题

NF测试常用的方法有三种:增益法、Y参数法、噪声测试仪［3］。对于RTTH-HG这种低噪声、窄带系统采用第三种方法进行验证，同时采用第一种进行理论分析。

经典背景噪声公式为

式中:Pout为单位带宽内背景噪声功率;Gain为系统增益;-174 dBm/Hz为参考温度T=290 K时环境噪声的功率谱密度;BW为频率带宽;Gain为系统增益;NF为系统噪声系数。

1)对于近端单元与远端单元采用30 m网线时的上行链路预算如下:

上行端口单载波背景噪声功率=(-174+53(BW=200 kHz)+40(系统上行增益)+7(噪声系数))dBm=-74 dBm;

上行端口单载波干扰功率=(-66(上行最大串扰功率)-5(近端单元上行增益))dBm=-71 dBm。

2)对于近端单元与远端单元采用100 m网线时的上行链路预算如下:

上行端口单载波背景噪声功率=(-174+53(BW=200 kHz)+24(系统上行增益)+11(噪声系数))dBm=-86 dBm;

上行端口单载波干扰功率=(-66(上行最大串扰功率)-5(近端单元上行增益))dBm=-71 dBm。

通过上述计算得出，上行串扰功率干扰上行底噪，从而导致噪声系数恶化抬升。

3.3 带内杂散问题

杂散是指必要带宽之外的频率发射，包含谐波发射、寄生发射、互调产物及变频产物，当这种干扰信号电平偏大会导致其接收机的接收灵敏度下降，从而引起被干扰系统无法正常工作。首先分析RTTH-HG的近端单元的变频模块原理框图，如图5所示，近端单元变频模块分为上行链路和下行链路两个部分。

图5 近端单元变频模块原理框图

下行链路完成的功能:从信源设备耦合的射频信号经过双工器滤波，由固定衰减器衰减到合适功率以便进入混频器的线性工作区间，再下变频到中频信号后经由低通滤波器进入放大器放大，放大后的信号与参考信号合路，经过巴仑(BALUN)进行单端到双端的匹配转换，经过网线传输到远端单元。上行链路主要完成下行链路的逆转换功能。出现恶化的指标为下行链路带内杂散，下行无线信号在混频前与宽带信号是完全隔离的，只有中频信号与宽带信号存在共存干扰，具体计算如下:

下行端口单载波背景噪声功率=(-174+50(BW=100 kHz)+40(系统上行增益)+45(噪声系数))dBm=-39 dBm;

下行端口单载波干扰功率=(-74(下行最大串扰功率)+55(远端单元下行增益))dBm=-19 dBm。

通过上述计算得出，下行串扰功率已经干扰下行底噪，从而导致下行带内杂散抬升。

4 解决方案

4.1 EVM恶化解决方案

4.1.1 增加外挂设备

使用同轴探头截取信号，发现网线串扰在网线接头位置最大。当将网线接头分开测试(1，2，3和6芯一个接头，4，5，7和8芯一个接头)发现串扰值减小10～20 dB。因而通过外接设备，将网线头分开，可以减小串扰值。该方案在安装时将网线拨开，在近端单元和远端单元各增加一个水晶头接口。验证这种方案下近端单元和远端单元使用100 m网线连接时EVM指标为9%，相比20%有所改善。

4.1.2 对参考信号进行滤波

由于参考信号的边缘较大、杂散，导致本振信号恶化。采用远端单元增加晶体滤波器进行参考信号滤波，近端单盘增强参考信号功率以便补偿晶体滤波器引入的4 dB损耗。验证这种方案下近端单元和远端单元使用100 m网线连接时EVM指标为6%，与20%相比有显著改善。

4.2 NF问题和下行带内杂散解决方案

由图4可知，串扰呈现间隔分布。通过修改中频频率，将中频设置在串扰较低的频段进行解决。不同频率无线信号对应不同插损，需要通过调节ATT预衰值、合理调整放大器的增益。表1为修改中频频率前后，宽带信号对中频信号的串扰数据(结合背景噪声公式、网线传输不同频率无线信号的插损值得出)。

对于GSM制式，更改中频后下行串扰为-37 dBm，比修改前的-18 dBm改善了19 dBm;上行网线串扰由-66 dBm改善到-95 dBm;

对于WCDMA制式，更改中频后下行网线串扰为-45 dBm，比修改前的-23 dBm改善了22 dBm;上行网线串扰由-62 dBm改善到-90 dBm;

对于CDMA制式，更改中频后下行串扰为-37 dBm，比修改前的-9 dBm改善了28 dBm;上行网线串扰由-68 dBm改善到-95 dBm。

5 工程试点验证

在屏蔽室验证RTTH-HG不同配置情况覆盖时语音业务与数据业务质量，与蜂窝基站直接覆盖的数据对比。如表2所示，其中RXQUAL值反映话音质量的好坏，对应于信号误码率，RXQUAL=1，误码率为0.2%～0.4%;RXQUAL=2，误码率0.4%～0.8%;RXQUAL=3，误码率为0.8%～1.6%;RXQUAL=4，误码率为1.6%～3.2%;RXQUAL=5，误码率为3.2%～6.4%［4］。

表1 修改中频频率前后串扰数据对比表

表2 RTTH-HG不同配置下覆盖效果数据

结论:在100 m网线传输10 Mbit/s的宽带数据时，RTTH-HG增加外挂设备或增加晶体滤波测试时通话质量无恶化，RXQUAL满足室内覆盖通话质量要求，比修改前改善显著;数据业务速率由原来的27.1 kbit/s提升到30.4 kbit/s和31.2 kbit/s，有效缩小与蜂窝基站覆盖时的数据业务33.8 kbit/s的速率差距;增加晶体滤波器方案更优于增加外挂设备。

6 小结

本文从RTTH-HG综合宽带入户系统原理出发，针对研发样机的宽带信号与射频信号干扰问题进行分析。理论计算分析得出问题解决方案，进行多次实验室摸底测试以及外场工程试点测试，证明了该修改方案的正确性。然后推广到不同制式产品。RTTH-HG具有节省运营商建网成本、开通便捷、维护简单、根据用户需求灵活配置、无须物业协调等优势，能轻松入户解决室内弱覆盖问题。

［1］STEFANIA S，ISSAM T，MATTHEW B.LTE-UMTS长期演进理论与实践［M］.马霓，邬钢，张晓博，等，译.北京:人民邮电出版社，2009.

［2］REINHOLD L，PAVEL B.射频电路设计:理论与应用［M］.王子宇，张肇仪，徐承和，等，译.北京:电子工业出版社，2002.

［3］吴伟陵，牛凯著.移动通信原理［M］.北京:电子工业出版社，2009.

［4］龚雄涛.CDMA2000网络规划与优化案例教程［M］.西安:西安电子科技大学出版社，2011.