Mặt nạ phổ phát và công suất kênh lân cận: quy định và cách đo

Một máy phát vô tuyến không chỉ bị đánh giá bằng chất lượng tín hiệu nó phát ra trong kênh của mình, mà bằng lượng năng lượng nó rò sang kênh của người khác. Hai đại lượng ràng buộc điều đó — mặt nạ phổ phát (mặt nạ SEM) và tỉ số công suất rò kênh lân cận ACLR — là cửa ải mà mọi trạm gốc, mọi module RF và mọi thiết bị đầu cuối phải qua trước khi được bán. Bài viết này đi vào con số thật của 3GPP TS 38.104, cách hai đại lượng đó khác nhau về bản chất đo, và những gì máy phân tích tín hiệu phải có để phép đo bảo vệ được.

Hai đại lượng, hai triết lý: mặt nạ phổ phát và ACLR

3GPP quy định phát xạ ngoài băng của máy phát trạm gốc theo hai cách song song, và điểm mấu chốt là chúng không đo cùng một thứ.

ACLR được TS 38.104 điều 6.6.3.1 định nghĩa là “tỉ số giữa công suất trung bình đã lọc, lấy tâm ở tần số kênh được gán, và công suất trung bình đã lọc, lấy tâm ở tần số kênh lân cận”. Đây là phép đo tỉ số, tích phân trên toàn bộ độ rộng của một kênh lân cận. Bộ lọc dùng cho phép đo cũng được quy định: bộ lọc vuông có băng thông bằng cấu hình băng thông truyền dẫn BW_Config của tín hiệu, đặt tâm ở tần số kênh được gán.

Phát xạ ngoài băng trong dải hoạt động (OBUE) — cái mà kỹ sư quen gọi là mặt nạ phổ — là phép đo tuyệt đối, tính bằng dBm trong một băng thông đo hẹp, thường là 100 kHz. Nó dò dọc theo dải tần và bắt những chỗ nhô lên cục bộ mà một phép tích phân toàn kênh như ACLR sẽ san phẳng mất.

Hệ quả thực tế: một máy phát có thể đạt ACLR rất tốt nhưng vẫn trượt mặt nạ phổ vì một hài hoặc một sản phẩm xuyên điều chế nhọn nằm gọn trong một kênh lân cận. Đo một trong hai đại lượng rồi coi như xong là sai lầm phổ biến nhất ở giai đoạn tiền chứng nhận.

Con số của 3GPP TS 38.104: ACLR và giới hạn tuyệt đối

Với trạm gốc NR hoạt động ở phổ ghép đôi và không ghép đôi, bảng 6.6.3.2-1 quy định ACLR phải lớn hơn 45 dB cho các băng thông kênh từ 5 đến 100 MHz, tại độ lệch tần số kênh lân cận bằng BW_Channel và bằng 2 × BW_Channel, với bộ lọc vuông BW_Config trên kênh lân cận. Khi băng tần đó đồng thời được định nghĩa cho E-UTRA hoặc UTRA, còn thêm hai điểm nữa ở độ lệch BW_Channel/2 + 2,5 MHz và BW_Channel/2 + 7,5 MHz, cũng ở mức 45 dB nhưng với bộ lọc vuông 4,5 MHz.

Riêng con số tỉ số là chưa đủ. Với máy phát công suất thấp, một tỉ số 45 dB vẫn có thể cho công suất rò tuyệt đối rất nhỏ — nên 3GPP kèm theo giới hạn tuyệt đối ở bảng 6.6.3.2-2, và yêu cầu chỉ cần đạt điều kiện nào ít khắt khe hơn:

• Trạm gốc diện rộng loại Category A: −13 dBm/MHz
• Trạm gốc diện rộng loại Category B: −15 dBm/MHz
• Trạm gốc tầm trung (Medium Range): −25 dBm/MHz
• Trạm gốc cục bộ (Local Area): −32 dBm/MHz

Ở FR2 mmWave, bức tranh đảo ngược một cách đáng chú ý. Bảng 9.7.3.3-1 cho trạm gốc loại 2-O đặt giới hạn ACLR chỉ ở 28 dB với các băng trong dải 24,25–33,4 GHz và 26 dB với các băng trong dải 37–52,6 GHz, áp cho băng thông kênh 50, 100, 200 và 400 MHz. Nới lỏng gần 20 dB so với FR1 — phản ánh thực tế là ở mmWave, tuyến tính hóa bộ khuếch đại khó hơn nhiều và búp sóng hẹp đã hạn chế can nhiễu về mặt không gian. Giới hạn tuyệt đối tương ứng ở bảng 9.7.3.3-2 là −13 dBm/MHz cho trạm diện rộng và −20 dBm/MHz cho tầm trung cũng như cục bộ. Lưu ý phép đo OTA này lấy công suất bức xạ tổng TRP, không phải công suất tại một cổng — chi tiết được bàn kỹ trong bài đo EVM 5G FR2 mmWave và kiểm thử OTA.

Mặt nạ phổ phát và giới hạn phát xạ ngoài băng: đọc bảng OBUE cho đúng

Bảng giới hạn phát xạ ngoài băng của TS 38.104 dễ đọc sai vì nó dùng hai biến tần số khác nhau cho cùng một hàng. Δf là khoảng cách từ biên kênh tới điểm −3 dB của bộ lọc đo gần sóng mang nhất; f_offset là khoảng cách tới tâm bộ lọc đo. Với băng thông đo 100 kHz, hai giá trị lệch nhau đúng 50 kHz — đó là lý do bảng ghi những con số như “0,05 MHz ≤ f_offset < 5,05 MHz” bên cạnh “0 MHz ≤ Δf < 5 MHz”.

Với trạm gốc diện rộng Category A ở các băng NR dưới 1 GHz (bảng 6.6.4.2.1-1):

• 5 MHz ≤ Δf < min(10 MHz, Δf_max): giới hạn −14 dBm, băng thông đo 100 kHz
• 10 MHz ≤ Δf ≤ Δf_max: giới hạn −13 dBm, băng thông đo 100 kHz

Với các băng trên 1 GHz (bảng 6.6.4.2.1-2), đoạn xa nhất đổi băng thông đo sang 1 MHz ở mức −13 dBm — chi tiết dễ bỏ sót nhất trong toàn bộ bảng, và cũng là chỗ hay bị cấu hình sai trên máy đo. Với Category B ở băng dưới 1 GHz (bảng 6.6.4.2.2.1-1), đoạn xa siết xuống −16 dBm/100 kHz.

Mặt nạ kéo dài tới đâu thì do Δf_OBUE quyết định, và bảng 6.6.1-1 gắn nó với độ rộng của chính dải hoạt động: với trạm gốc loại 1-C, dải đường xuống rộng đến 200 MHz cho Δf_OBUE = 10 MHz, còn dải rộng từ trên 200 MHz đến 900 MHz cho Δf_OBUE = 40 MHz. Với loại 1-H, ngưỡng chuyển là 100 MHz thay vì 200 MHz. Ngoài khoảng đó, yêu cầu chuyển sang phát xạ giả (spurious emissions) với bộ giới hạn khác.

Kèm theo cả hai là yêu cầu độ rộng băng chiếm dụng: theo điều 6.6.2, độ rộng băng chiếm dụng của mỗi sóng mang NR phải nhỏ hơn băng thông kênh của trạm gốc, với β/2 lấy bằng 0,5 % theo khuyến nghị ITU-R SM.328 — tức phép đo băng thông chiếm 99 % công suất quen thuộc.

Đo công suất kênh lân cận: những gì máy phân tích phải có

Phép đo đo công suất kênh và ACLR đặt ba đòi hỏi lên máy phân tích tín hiệu, theo đúng thứ tự quan trọng.

Thứ nhất — dải động ACP. Nếu sàn nhiễu và méo của chính máy đo nằm cách sóng mang chưa tới 45 dB, bạn đang đo máy đo chứ không đo DUT. Trên Keysight N9020B MXA, dải động ACP điển hình là −73 dB cho kênh lân cận và −79 dB cho kênh xen kẽ khi không bật hiệu chỉnh nhiễu; bật hiệu chỉnh nhiễu đưa hai con số đó lên −78 dB và −82 dB. Nói cách khác, một tính năng phần mềm mua thêm 5 dB biên — đủ để chuyển một phép đo từ “sát giới hạn” sang “có biên bảo vệ”.

Thứ hai — nhiễu pha. Ở độ lệch bằng nửa băng thông kênh, chính nhiễu pha của bộ dao động nội trong máy đo sẽ trải năng lượng sóng mang vào vùng bạn đang đo. Trên N9020B với tần số trung tâm 1 GHz, nhiễu pha đặc tả là −113 dBc/Hz ở độ lệch 10 kHz, −116 dBc/Hz ở 100 kHz và −135 dBc/Hz ở 1 MHz (giá trị điển hình lần lượt −114, −117 và −136 dBc/Hz). Với các phép đo SEM ở độ lệch vài trăm kHz, đây thường là giới hạn thực sự chứ không phải sàn nhiễu nhiệt.

Thứ ba — băng thông phân giải đúng chuẩn. Bảng OBUE quy định băng thông đo, không quy định RBW của máy. Khi RBW nhỏ hơn băng thông đo, kết quả phải được tích phân trên toàn băng thông đo để có băng thông nhiễu tương đương đúng. N9020B cho dải RBW từ 1 Hz đến 1,3 MHz với sai số ±2 % danh định và độ chọn lọc (−60 dB/−3 dB) 4,1:1 danh định. Nếu công việc còn chạm tới EMI dân dụng, tùy chọn EMC bổ sung các băng thông tuân thủ CISPR ở 200 Hz, 9 kHz, 120 kHz và 1 MHz — xem thêm bài đo EMI EMC theo CISPR.

Về hiệu năng phép đo, cũng trên N9020B, độ chính xác ACLR W-CDMA cho trạm gốc là ±0,49 dB ở kênh lân cận và ±0,42 dB ở kênh xen kẽ; phép đo SEM 3GPP W-CDMA ở độ lệch 2,515 MHz cho dải động tương đối 81,9 dB với RBW 30 kHz (điển hình 88,1 dB), độ nhạy tuyệt đối −99,7 dBm và độ chính xác tương đối ±0,15 dB. Phép đo ACP theo phương pháp nhanh mất khoảng 10 ms danh định với độ lệch chuẩn 0,2 dB, đo được tới 6 cặp kênh lệch và tới 12 sóng mang.

Một lưu ý an toàn thường bị quên: mức vào an toàn tối đa của N9020B là +30 dBm công suất trung bình. Đo trực tiếp ngõ ra một bộ khuếch đại trạm gốc mà không qua bộ suy hao hoặc coupler là cách nhanh nhất để hỏng tầng đầu vào.

Chọn máy phân tích tín hiệu Keysight theo bài toán mặt nạ phổ phát

• Máy phân tích tín hiệu EXA Keysight N9010B — 10 Hz đến 3,6/7/13,6/26,5/32 hoặc 44 GHz theo tùy chọn, băng thông phân tích tới 40 MHz. Lựa chọn kinh tế cho dây chuyền sản xuất và cho kiểm tra tuân thủ ở FR1, nơi phép đo là quét chứ không cần bắt IQ băng rộng.
• Keysight N9020B MXA — 10 Hz đến 3,6/8,4/13,6/26,5/32/44 hoặc 50 GHz, băng thông phân tích 25 MHz tiêu chuẩn và tùy chọn lên 40/85/125/160 MHz. Đây là lớp máy có đủ số liệu đặc tả ACP và SEM đã dẫn ở trên — điểm cân bằng giữa dải động và chi phí cho phần lớn phòng thử tuân thủ.
• Keysight N9030B PXA — 2 Hz đến 50 GHz (mở rộng tới 110 GHz bằng smart mixer), băng thông phân tích tới 510 MHz. Chọn khi cần biên dải động lớn nhất cho phép đo sát giới hạn, hoặc khi phải bắt trọn một sóng mang NR 400 MHz trong một lần chụp IQ.
• Keysight N9042B UXA — 2 Hz tới 26,5/44/50 GHz và tới 110 GHz không chia băng với tiền chọn lọc, băng thông phân tích hiệu chỉnh 4 GHz. Đây là lớp máy cho FR2 và cho nghiên cứu 6G, nơi băng thông kênh 400 MHz cộng hai kênh lân cận đã vượt xa khả năng của các lớp dưới.

Một điểm cần tỉnh táo khi chọn: với phép đo ACLR và mặt nạ phổ theo phương pháp quét, băng thông phân tích không phải là ràng buộc — máy quét qua dải bằng bộ lọc RBW hẹp. Băng thông phân tích chỉ trở thành ràng buộc khi bạn cần giải điều chế hoặc chụp IQ trọn sóng mang, chẳng hạn để đo EVM cùng lúc. Mua băng thông phân tích cho một bài toán thuần SEM là mua thứ không dùng đến.

Kết luận

Ba điều tách một phép đo tuân thủ bảo vệ được khỏi một phép đo chỉ nhìn đẹp. Thứ nhất, đo cả hai: ACLR bắt năng lượng rò tổng, mặt nạ phổ bắt những chỗ nhô lên cục bộ — đạt một cái không suy ra được cái kia. Thứ hai, đọc bảng cho đúng: Δf tính tới điểm −3 dB của bộ lọc còn f_offset tính tới tâm bộ lọc, băng thông đo đổi từ 100 kHz sang 1 MHz ở đoạn xa với các băng trên 1 GHz, và Δf_OBUE phụ thuộc độ rộng dải hoạt động chứ không phải một hằng số. Thứ ba, kiểm dải động của chính máy đo trước khi tin con số: giới hạn 45 dB của FR1 đòi hỏi máy có biên đáng kể trên mức đó, và ở FR2 giới hạn nới xuống 28 dB hay 26 dB không có nghĩa phép đo dễ hơn — vì phép đo chuyển sang OTA với TRP.

Sau cùng, mọi con số dBm chỉ có giá trị pháp lý khi máy còn trong hạn hiệu chuẩn. Techmaster Electronics là đại lý ủy quyền Keysight tại Việt Nam và vận hành phòng hiệu chuẩn theo ISO/IEC 17025 cho máy phân tích tín hiệu, bộ suy hao và cảm biến công suất đi kèm. Liên hệ hotline 0908 173 345 để được tư vấn cấu hình theo băng tần và loại trạm gốc bạn đang kiểm, hoặc đặt lịch hiệu chuẩn định kỳ.

Câu hỏi thường gặp

Mặt nạ phổ phát và ACLR khác nhau thế nào?

ACLR là phép đo tỉ số, tích phân công suất trên trọn một kênh lân cận bằng bộ lọc vuông có băng thông bằng BW_Config. Mặt nạ phổ (OBUE) là phép đo tuyệt đối tính bằng dBm trong một băng thông đo hẹp, thường 100 kHz, dò dọc dải tần. Một máy phát có ACLR tốt vẫn có thể trượt mặt nạ phổ nếu có một hài hoặc sản phẩm xuyên điều chế nhọn nằm trong kênh lân cận, vì phép tích phân toàn kênh của ACLR san phẳng nó đi.

Giới hạn ACLR cho trạm gốc 5G NR là bao nhiêu?

Theo 3GPP TS 38.104 bảng 6.6.3.2-1, trạm gốc FR1 phải đạt ACLR lớn hơn 45 dB cho băng thông kênh 5 đến 100 MHz, tại độ lệch bằng 1 lần và 2 lần BW_Channel. Ở FR2, bảng 9.7.3.3-1 chỉ yêu cầu 28 dB cho các băng trong dải 24,25–33,4 GHz và 26 dB cho dải 37–52,6 GHz. Kèm theo đều có giới hạn tuyệt đối tính bằng dBm/MHz, và chỉ cần đạt điều kiện nào ít khắt khe hơn.

Máy phân tích tín hiệu cần dải động bao nhiêu để đo ACLR 45 dB?

Cần biên đáng kể trên mức 45 dB, vì nếu sàn nhiễu và méo của máy đo nằm gần giới hạn thì bạn đang đo máy đo chứ không đo DUT. Trên Keysight N9020B MXA, dải động ACP điển hình là −73 dB cho kênh lân cận và −79 dB cho kênh xen kẽ khi không hiệu chỉnh nhiễu; bật hiệu chỉnh nhiễu nâng lên −78 dB và −82 dB. Nhiễu pha của bộ dao động nội cũng thường là giới hạn thực sự ở các độ lệch nhỏ, chứ không phải sàn nhiễu nhiệt.

Biên soạn bởi Khanh Nguyen — Marketing Manager, Techmaster Electronics JSC.