802.11ac 5GHz設(shè)備在生產(chǎn)過程中的明智測試方法

對于最新的802.11ac標(biāo)準(zhǔn)，制造工程師們正面臨越來越大的復(fù)雜性，這反過來又促使他們對測試策略進(jìn)行不斷的創(chuàng)新，以滿足這些新近出現(xiàn)的要求。首先，也是最重要的一點是，在5GHz頻段內(nèi)以更高的帶寬和調(diào)制階數(shù)進(jìn)行設(shè)備測試就意味著為工廠購買新的設(shè)備。但是，采用當(dāng)今最新技術(shù)的設(shè)備還需要為傳統(tǒng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(802.11a/b/g/n)執(zhí)行后向兼容測試，這就使問題變得更為復(fù)雜?？紤]到這種趨勢，工程師們在制定測試策略時會在他們的測試計劃中聰明地加入一些能幫助獲得特定測試覆蓋率的測試項目。本文對802.11ac設(shè)備的明智測試方法進(jìn)行了深入的探討，并借此對下列問題作出了答復(fù)：

“如果要求我對一個802.11ac設(shè)備進(jìn)行測試，以確保良好的產(chǎn)品質(zhì)量，有多少項目是真正需要在生產(chǎn)過程中進(jìn)行測試的?”

直接使用“低、中、高”方法

以前，我們通常采用“低、中、高”方法實施2.4GHz設(shè)備的驗證。這意味著在受支持的頻率范圍內(nèi)對最低頻率、中間頻率和最高頻率(信道)進(jìn)行測試。這種直截了當(dāng)?shù)姆椒▽?GHz頻段似乎是切實可行的，但當(dāng)您考慮測試覆蓋率后，您的想法就會改變。參考圖 1后我們首先發(fā)現(xiàn)，5GHz頻段涵蓋的頻譜比小于100MHz帶寬的2.4GHz ISM頻段多得多。其次，支持在5GHz上運行的芯片通常會在子頻帶上單獨運行，使用的是單獨的驗證信息。這種劃分子頻帶的做法是不同頻率范圍內(nèi)最大發(fā)送功率不同所引起的，另一個原因是，制作一組能支持完整5GHz頻帶的校準(zhǔn)參數(shù)會存在一定困難。顯然，“低、中、高”方法不能為這些子頻帶帶來足夠的測試覆蓋率。

圖1：2.4/5 GHz頻段的802.11頻譜總圖(包括 802.11ac)

如果暫時不考慮5GHz的要求，測試2.4GHz頻段的低、中、高頻率是不無道理的。在兩個極值點和中心點上進(jìn)行測試的方法能確保待測物在所有信道上都有相同的行為特征;事實上，這個過程也可通過一些簡單的后期處理手段來驗證整個頻率范圍的平坦度。參照圖2可以看出，錯過缺陷而只看到兩個測試點的可能性是存在的，例如，在濾波器意外失配或滾降經(jīng)常發(fā)生的頻帶邊緣。這種缺陷發(fā)生情景正是我們建議在2.4GHz頻段內(nèi)采用三個測試點的潛在理由。此外，這個潛在的策略也是我們考慮5GHz頻段測試覆蓋率的基礎(chǔ)。

圖2：意外的濾波器響應(yīng)會錯失缺陷點，造成只有兩個測試點的結(jié)果。

迂回方案：芯片校準(zhǔn)

測試覆蓋率考量方面一個有價值的見解是，芯片供應(yīng)商通常會為發(fā)射器和接收器提供一個固定的校準(zhǔn)表，在大多數(shù)情況下，該校準(zhǔn)表會通知設(shè)備如何在規(guī)定的功率限值范圍內(nèi)執(zhí)行操作。一般而言，該校準(zhǔn)表包括頻率范圍內(nèi)典型增益的信息以及發(fā)射器和接收器的功率信息。雖然存在這樣的表格，但制造過程中最好的做法是將這項基本的校準(zhǔn)操作看作測試覆蓋率的一部分。

最常見的校準(zhǔn)過程由兩個可追溯至功率測量值的步驟組成：

(1)校準(zhǔn)待測物的發(fā)射功率;

(2)將校準(zhǔn)信息傳送到接收器。

在這種頻率逐點測量方法中，功率校準(zhǔn)過程會在驗證性能參數(shù)的同時將最終數(shù)據(jù)加入校準(zhǔn)表。

5GHz意味著不同的測試過程嗎?

5GHz頻段的測試覆蓋率遵循與2.4GHz相同的策略。由于在更高的頻率上運行，5GHz頻帶的校準(zhǔn)更為重要，尤其是考慮到5GHz的頻率覆蓋區(qū)間(包括分解成子頻帶的頻段)比2.4GHz多得多。另一個考慮因素是，5GHz的頻帶選擇濾波器不與每個子頻帶對齊，而是與所有子頻帶的覆蓋頻率對齊。

此外，對5GHz而言，校準(zhǔn)也更復(fù)雜。將校準(zhǔn)范圍劃分成多個子頻帶的原因在于覆蓋整個5GHz頻帶的校準(zhǔn)過程很難實現(xiàn)，尤其是因為不同子頻帶通常具有不同的發(fā)射目標(biāo)功率。測試子頻帶內(nèi)一個單一頻率點(尤其是它與校準(zhǔn)過程的頻率相同時)幾乎不會提供額外的信息。舉例來說，這種簡單方法不會檢測出頻帶邊緣的濾波器滾降，也不會檢測出子頻帶上的功率升降。

這些運行和校準(zhǔn)特性是新的測試覆蓋率所必須應(yīng)對的主要差別。

5GHz驗證

驗證是確認(rèn)設(shè)備在其支持的頻率上能否正常運行的過程。對5GHz頻段應(yīng)用2.4GHz的測試策略就會涉及到對5GHz頻段的每個子頻帶實施低頻、中頻和高頻驗證。與校準(zhǔn)過程相似，驗證過程也從發(fā)射功能的驗證開始，然后是接收功能的驗證。根據(jù)生產(chǎn)過程的優(yōu)先順序，比較明智的做法也許是在5GHz的整個頻段上進(jìn)行低頻、中頻和高頻的測試，但將測試放在每個子頻帶的某個頻率點上也許會更好些。后者能縮短測試時間，但不能檢測到許多制造缺陷，而只能發(fā)現(xiàn)總體性能的失效情況。

進(jìn)一步考察子頻帶上“低、中、高”方法的測試覆蓋率可以為我們找到完善測試計劃的機會。乍一看，獲取每個子頻帶上低、中、高頻率點數(shù)據(jù)的做法似乎有點過分?？疾?.4GHz頻段內(nèi)中間點的目的是為了檢測過濾器的失配，但5GHz頻段的子頻帶內(nèi)這種相同的中間點缺陷機制卻不存在。同樣，低頻和高頻點也不靠近子頻帶邊緣，這對驗證操作而言是更為有趣的現(xiàn)象?？紤]到這個觀察結(jié)果后，我們發(fā)現(xiàn)測試覆蓋率可以通過測量每個子頻帶的兩個極值點的方法加以改善——尤其是用曲線定心方法(這種方法中，中間點通常被用于定心)對子頻帶進(jìn)行校準(zhǔn)的情況下。

正如這種測試覆蓋率的初步觀察所告訴我們，待測物特性和缺陷機制的綜合結(jié)果正在影響我們對測試項目的選擇過程。通過調(diào)整測試覆蓋率以適應(yīng)這些影響因素，制造工程師們將可以精準(zhǔn)地選擇測試項目，從而確保產(chǎn)品質(zhì)量。總體而言，發(fā)射和接收功能代表了我們所建議的測試覆蓋率的邏輯分類。同樣，測試覆蓋率將包括調(diào)制和吞吐量的邏輯分類。這樣，所有能充分驗證設(shè)備運行性能而同時又能篩查產(chǎn)品缺陷的測試項目的集合就成了最佳的測試覆蓋率。這個過程將被作為組織本文剩余內(nèi)容的基礎(chǔ)。

當(dāng)測試進(jìn)入接收特性階段時，目標(biāo)測試可以另外增加濾波器紋波和其他隨頻率變化的指標(biāo)。在這種方法中，我們應(yīng)將整個頻帶的邊緣頻率點和分布在該頻帶上的其他幾個頻率點包括在內(nèi)。建議每個子頻帶至少取一個測試頻率，但需注意，使用與發(fā)射測試過程中相同的頻率是沒有意義的。總體原則是避免在兩個幾乎相同的頻率點上測試接收器的性能;例如，子頻帶邊緣頻帶通常是相鄰的。這樣，明智地選擇頻率點就可以使我們在更短的測試時間內(nèi)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品缺陷。

在何處測試?

綜上所述，2.4GHz頻段利用現(xiàn)有的測試覆蓋率。5GHz頻段需要在每個芯片子頻段支持的極值信道上進(jìn)行發(fā)射驗證，這可以看作是5GHz的新測試項目。例如，發(fā)射機測試時三個子頻帶將需要至少六個頻率值(每個子頻帶的極值信道)，以確保每個子頻帶的平坦功率校準(zhǔn)以及頻帶邊緣的頻率性能。同樣，接收器也將因為在最高和較低頻帶頻率(頻帶邊緣)以及分布于頻帶上的其他幾個頻率的測量而受益。作為一種實用的折衷方法，我們也可以在每個子頻帶中只取一個頻率點(最小值)，即最終有3-5個頻率;這在大多數(shù)情況下已足夠。對于發(fā)射器和接收器功能的測試覆蓋率而言，這些測試項目可形成一個堅實的頻率基礎(chǔ)。

上述所有陳述都自然而然地以下列假設(shè)為前提，即芯片已經(jīng)過仔細(xì)的特性分析，且我們可以根據(jù)這些分析數(shù)據(jù)選擇理想的頻率進(jìn)行測試。

測試什么?

接下來我們需考慮的問題是，在這么多可能的測試條件下，我們需要在每個所選頻率上驗證什么項目。測試覆蓋率必須在現(xiàn)有2.4GHz測試計劃的基礎(chǔ)上不斷完善以滿足802.11ac的要求?，F(xiàn)有的測試基礎(chǔ)可能包括那些用于驗證低、中、高頻率點上最大數(shù)據(jù)傳輸速率情況下功率、EVM和模板的測試項目。除DSSS調(diào)制信號之外，我們首要的任務(wù)是將OFDM調(diào)制信號增加到測試覆蓋范圍內(nèi)。制造工程師們通常會用相似的測試參數(shù)在相同的頻率上測試OFDM調(diào)制信號。在校準(zhǔn)過程中需要注意的是，由于在許多情況下DSSS和OFDM使用不同的校準(zhǔn)參數(shù)(一個參數(shù)在另一個參數(shù)基礎(chǔ)上偏移一個固定的量)，所以我們有必要對兩種方法的校準(zhǔn)量都進(jìn)行驗證。幸運的是，DSSS在5GHz頻段上不受支持，因此，此測試項目是沒有必要的。但從另一方面來看，其他許多發(fā)送帶寬和調(diào)制方式還是受支持的——尤其是在引入802.11ac標(biāo)準(zhǔn)后。

獲得最佳測試覆蓋率應(yīng)考慮待測物的條件

圖3：一個典型收發(fā)器的簡化示意圖。

如圖3所示，典型的收發(fā)器通常都包含一個發(fā)射裝置和一個接收裝置，這兩個裝置都會包含一個基帶部分和射頻部分。從測試的角度看，這種結(jié)構(gòu)對測試覆蓋率的考量是很重要的。

發(fā)射機測試考慮因素

在發(fā)射裝置中，調(diào)制信號以IQ信號形式在基帶上生成。信號一旦通過必要的抗混疊濾波器后，天線就會在上變頻和一些信號調(diào)理功能(即增益控制，頻段選擇濾波器)后將RF信號發(fā)射出去。發(fā)送鏈可能包括一個單一的芯片;更常見的情況下也可能包含一個收發(fā)芯片和一個前端模塊(FEM)。

下列有關(guān)發(fā)射的認(rèn)識對測試覆蓋率的考慮是很有價值的：

* 在基帶上，待測物有一個顯著的特點，即調(diào)制信號獨立于發(fā)射頻率。

* 在基帶上，載波數(shù)量的增加與其占用的、抗混疊濾波器作相應(yīng)調(diào)整的帶寬成正比。

* 在基帶和RF上，帶寬與基帶信號呈正比。

* 在RF上，正交(IQ)缺陷可以通過校正因子(在格式上通常是時間與頻率的相對關(guān)系)進(jìn)行補償。

* 在RF上，調(diào)制信號可簡化為給定帶寬上的RF功率。

* 在RF上，IQ失配和相位噪聲會以相同方式增加到信號上，且與頻率無關(guān)。

發(fā)射測試覆蓋率需驗證待測物的運行情況并發(fā)現(xiàn)缺陷，這應(yīng)作為測試的主要目標(biāo)。數(shù)量眾多的操作條件會使獲得測量結(jié)果的測試時間變得過長，因此，我們面臨的挑戰(zhàn)在于能否找到一種去除重疊條件的方法，以便將測試時間縮短到一個更容易管理的水平。這個去除重復(fù)條件的過程將需要使用上述這些有關(guān)發(fā)射器的認(rèn)識，這對測試覆蓋率的優(yōu)化也很有用。

一個明智的測試策略將考慮在不同的頻率上使用不同的調(diào)制方法以強調(diào)待測物的作用。這種策略與在不同頻率上重復(fù)使用相同數(shù)據(jù)傳輸速率的強制方法是一種鮮明的對比。此外，只要發(fā)射目標(biāo)功率保持不變，一個聰明的測試方法應(yīng)考慮按最嚴(yán)格的調(diào)制方式所對應(yīng)的EVM要求來測試不同調(diào)制方式的EVM值;例如：在11n標(biāo)準(zhǔn)中，一個6Mbps的OFDM信號應(yīng)按54Mbps的測試極限值或msc7進(jìn)行測試。

進(jìn)一步的測試優(yōu)化可通過改變數(shù)據(jù)包有效載荷的長度來實現(xiàn)。在這個測試場景中，改變較低數(shù)據(jù)傳輸速率上數(shù)據(jù)包的有效載荷長度以確保相同的持續(xù)時間(不是相同的有效載荷)是一個聰明的、測量穩(wěn)定時間的技巧。這種方法也可確保相同的熱條件，而這也可以幫助我們識別其他類型的缺陷。

另一個優(yōu)化測試覆蓋率的聰明技術(shù)是用不同帶寬的信號來測量給定頻率上的發(fā)射功率，以達(dá)到對同一功率進(jìn)行測量的目的。這種技術(shù)強調(diào)抗混疊濾波器的作用必須按特定的情況作相應(yīng)的變化。這里有一個假設(shè)條件，即發(fā)射機輸出特性是恒定的，與所占用的帶寬無關(guān)：窄帶的例子只是極值寬帶情況的一個子集。當(dāng)然，在完全相同的頻率上測試是有問題的，但信號的帶寬應(yīng)該會覆蓋所需的頻率(例如，40MHz的信號相對于相同頻率的20MHz的信號而言會被抵消掉10MHz)。

頻譜模板的測量在調(diào)制信號帶寬增加后會變得更加困難。這種困難是由總的發(fā)射功率被分散到多個載波(BW)后引起的，單個載波的信噪比會因此降低，從而使整體模板移動到離底噪更近的位置。因此，在最高帶寬上，測試覆蓋率將使關(guān)鍵模板的測量項目增多。

通過使用這些聰明的技術(shù)，測試覆蓋率可在不增加測試項目數(shù)量的前提下得到提高。這樣，測試覆蓋率便能揭示發(fā)射機的基本性能。

接收機測試考慮因素

在射頻部分(參照圖3)，天線會接收外來的 RF調(diào)制信號并對其進(jìn)行信號調(diào)節(jié)。在用正交結(jié)構(gòu)進(jìn)行向下轉(zhuǎn)換之后，基帶部分會對最終形成的 IQ 信號進(jìn)行分析。接收鏈可能包括一個單一的芯片，也可能(更常見的情況下)包含一個收發(fā)芯片和一個前端模塊(FEM)。

下列有關(guān)接收的認(rèn)識對測試覆蓋率的考慮是很有價值的：

* 在RF上，向下轉(zhuǎn)換器不作任何明顯的信道選擇，因此，所有的信號實際上將被以相同的機制向下轉(zhuǎn)換。

* 在RF上，唯一真正的影響來自接收機的噪聲系數(shù)，它將影響所有的信號(就像基帶前沒有噪音濾波一樣)。

* 在RF和基帶上，IQ失配和相位噪聲上的作用對最高階調(diào)制方式的影響最大，且用較低的數(shù)據(jù)傳輸速率來降低輸入功率也不能確保較高階的調(diào)制方式起作用。

* 在RF和基帶上，信道選擇濾波器所引起的群延遲問題對較高的數(shù)據(jù)傳輸速率影響最大。

* 在基帶上，載波數(shù)量的增加與占用的帶寬成正比。

* 在基帶上，信道選擇濾波器的作用會因所選標(biāo)準(zhǔn)的不同而不同，但信號處理過程不會知道RF頻率的情況。

* 在基帶上，降低數(shù)據(jù)傳輸速率不僅會降低所需的信噪比，而且還會使接收器對其他損傷變得更為耐受。

到目前為止，發(fā)射測試覆蓋率有九個頻率：2.4GHz三個，5GHz六個。如果使用相同的方法，接收機測試覆蓋率將包含七個頻率(2.4GHz三個，5GHz四個)。

與發(fā)射路徑相反，驗證運行性能和提取性能指標(biāo)時，接收器的測試覆蓋率需要可變的數(shù)據(jù)傳輸速率。因此，在最高數(shù)據(jù)傳輸速率和最多三個帶寬上的測試項目對確保IQ失配和相位噪聲指標(biāo)沒有缺陷是有必要的。這種方法也可以驗證信道選擇濾波器沒有造成其他損傷。

用5GHz的這個指導(dǎo)原則能很容易地從四個頻率中選出三個頻率。第一個頻率為最高數(shù)據(jù)傳輸速率上的最高頻率，這可確保它在最高相位噪聲下進(jìn)行測試。如果我們能假設(shè)IQ失配值在特定頻率上是可以接受的，那么，剩下的兩個頻率可用于功能測試(如果情況不是這樣，那么我們就需要測試所有的頻率了)。需再次指出的是，我們應(yīng)從各基本數(shù)據(jù)傳輸速率中選擇其中一個進(jìn)行測量(最好采用ACK速率);所以24M和1M應(yīng)該是其余四個頻率中的兩個，因為這對設(shè)備的基本運行性能至關(guān)重要。最后兩個頻率可用于測試11n，測試時可分別采用傳統(tǒng)速率、Green field速率和其他不同的基本速率。如QPSK和BPSK。

通過使用這些聰明的技術(shù)，測試覆蓋率可在不增加測試項目數(shù)量的前提下得到提高。這樣，測試覆蓋率便能揭示接收器的基本性能。

數(shù)據(jù)傳輸速率的選擇

從上面的討論中我們可清楚地認(rèn)識到，避免在最高數(shù)據(jù)傳輸速率上測試所需頻率的這種傳統(tǒng)方法可以為我們帶來明顯的好處。換言之，明智地選擇多個數(shù)據(jù)傳輸速率和帶寬有助于測試更多模式的運行性能，同時又能對待測物的性能指標(biāo)進(jìn)行驗證。最后，我們將做到用最少的測試項目來獲得更大的測試覆蓋率。這里蘊含著制造工程師們在思考新興的802.11ac設(shè)備的測試方法時的價值取向。

下面的建議與數(shù)據(jù)傳輸速率的選擇有關(guān)。

自然，我們應(yīng)該為每個帶寬測試最高階調(diào)制方式，所以，對802.11ac芯片而言，九個頻率中有三個是針對11ac的。我們應(yīng)在相位噪聲隨頻率增大時測試最高頻率上的MSC9，以真正測試EVM要求得以滿足條件下的最壞狀態(tài)。這是為了確?；鶐Э够殳B濾波器不會影響發(fā)射質(zhì)量。然而，另外兩個帶寬可能是較低的11ac速率。為了確保傳統(tǒng)運行性能的正常，我們也應(yīng)測試后向兼容性模式，即 54M，MCS7和11M DSSS。我們可以很方便地測試40MHz上的MSC7。這意味著還剩下三組調(diào)制方式和頻率的組合。這些項目正好可用于測試下列三種標(biāo)準(zhǔn)的確認(rèn)(ACK)速率：通常為24Mbps，MSC4，和 1Mbps。請注意，這些測試項目可能會因不同的實施方案而不同。剩下的兩個11ac速率中，我們還應(yīng)測試ACK速率;最后，也許應(yīng)測試最低速率。當(dāng)然，上述調(diào)制方式中，11M和1M必須在2.4GHz上測試，而最后一個頻率可能是2.4GHz頻段內(nèi)最具挑戰(zhàn)性的速率，如最高頻率上的MSC7。

總結(jié)

正如上文所述，在現(xiàn)有2.4GHz頻段上加上5GHz的測試內(nèi)容可以為提高測試覆蓋率創(chuàng)造新的機會。5GHz確實增加了測試的工作量，但是，通過對測試覆蓋率的分析，我們發(fā)現(xiàn)增加的量并不是很多。此外，通過對基本測量項目的理解，測試數(shù)量的增加可使測試覆蓋率提高。對于發(fā)射機測試，我們可以選擇不同的調(diào)制方案，但仍維持現(xiàn)有的覆蓋率。對于接收測試，好處不是很顯著，但真正需要的測試點變少了，而且，相對于傳統(tǒng)方法中特定數(shù)量的測試項目上可測試的調(diào)制方式的數(shù)量而言，我們可測試的調(diào)制方式的數(shù)量還更多。