提升WLAN測試系統(tǒng)的測量速度

1. 權(quán)衡要素1 – 平均度與可重復(fù)性

無論是自動化設(shè)計(jì)檢驗(yàn)還是生產(chǎn)測試方面的應(yīng)用，提升測量結(jié)果可重復(fù)性的常見技術(shù)，就是平均多次測量的結(jié)果。然而，如果要設(shè)定大量的平均值來提高測量結(jié)果的可重復(fù)性，將會增加測量的時(shí)間，一般來說，總體的測量時(shí)間可以通過平均值的次數(shù)而進(jìn)行線性的調(diào)整。因此，如果單一測量操作需要用時(shí)20ms，那么相同的測量結(jié)果10次取平均的時(shí)候，就將花費(fèi)近200ms。

更進(jìn)一步來看，由于平均操作可以將不可重復(fù)的減損（Impairment）- 如加性高斯白噪聲（Additive white Gaussian noise，AWGN）在多次測量之間進(jìn)行抵消，因此可以有效地提高可重復(fù)性。如果要了解平均操作對可重復(fù)性的影響，就可以使用NI PXIe-5673 RF矢量信號發(fā)生器與NI PXIe-5663 RF矢量信號分析儀來執(zhí)行環(huán)回測試。通過上述裝置，可以在2.412GHz上產(chǎn)生802.11g正交頻分多工（OFDM），-10dBm功率強(qiáng)度的RF信號。同樣的，使用4種不同信號種類– BPSK (6 Mbps)、QPSK (18 Mbps)、16-QAM (24 Mbps)，與 64-QAM (54 Mbps)就可以了解脈沖的大小與調(diào)制類型對測量時(shí)間的影響。如果使用1024位的有效載荷，那么每種信號類型都將具有不同數(shù)量的OFDM符號。舉例來說，BPSK脈沖將具有343個(gè)符號，而64-QAM脈沖將使用39個(gè)符號。因此，每種信號類型的脈沖間隔也不一樣，表1顯示了不同類型脈沖寬度的不同。

表1802.11a/g可變數(shù)據(jù)傳輸率的調(diào)制方式，脈沖間隔以及符號數(shù)

誤差矢量強(qiáng)度（EVM）測量操作可以提供完整的信號調(diào)制質(zhì)量。在EVM測量操作中，有兩種內(nèi)置的方法可以展現(xiàn)平均的結(jié)果。針對IEEE802.11a/g脈沖，測量的結(jié)果將覆蓋各個(gè)OFDM子載波與符號。以EVM的均方根（RMS）表示。根據(jù)表1來看，應(yīng)該可以直接看出脈沖中的符號數(shù)量，而且如果EVM是較低的6Mbps（BPSK）數(shù)據(jù)傳輸率，應(yīng)該可以產(chǎn)生超過54Mbps脈沖的可重復(fù)測量操作。從而可以得知較長脈沖也具有較多的符號。但是，僅當(dāng)EVM是通過完整脈沖（而非特定部分脈沖）表現(xiàn)為RMS時(shí)，上述的假說才是成立的。權(quán)衡要素2將針對部分脈沖進(jìn)行分析，說明相關(guān)的可重復(fù)性。

在一般的情況下，我們可以假設(shè)：在執(zhí)行較長脈沖的測量操作的時(shí)候，將可以產(chǎn)生更多的可重復(fù)的EVM結(jié)果。圖1顯示了平均次數(shù)與測量標(biāo)準(zhǔn)偏差之間的關(guān)系。這些測量操作都是通過NI PXIe-5673 RF矢量信號發(fā)生器和NI PXIe-5663 RF矢量信號分析儀來進(jìn)行的。使用-10dBm的RF平均功率，并且將這兩種儀器的中間頻率均設(shè)定為2.412GHz。

圖1 平均操作可以降低測量平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差

圖1展示了當(dāng)每次測量操作所使用的平均次數(shù)增加的時(shí)候，1000次EVM測量的標(biāo)準(zhǔn)偏差將隨之降低。請注意，由于 圖1 所使用的信號源是RF矢量信號發(fā)生器- 專門為了產(chǎn)生可重復(fù)的信號而設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，所以圖1中的EVM與標(biāo)準(zhǔn)偏差均大大好于802.11g轉(zhuǎn)換器所可能產(chǎn)生的實(shí)際情況。因此，可以將圖1顯示的結(jié)果作為可重復(fù)性的標(biāo)準(zhǔn)。并且，請注意，只有以絕對測量值（Absolute measurement value）表示的測量其可重復(fù)性才有意義。一般來說，只要測試儀器的EVM標(biāo)準(zhǔn)越高，其可重復(fù)性的影響就越小。表2則顯示測量操作設(shè)定為10次平均時(shí)的EVM結(jié)果。

表2 EVM與調(diào)制類型保持相對的一致性

表2 顯示，無論調(diào)制方式的不同所測得EVM將趁于一致，然而，這也表示使用者可以通過較長的脈沖來獲得較好的標(biāo)準(zhǔn)偏差。當(dāng)然也將需要測量更多的符號。舉例來說，如果進(jìn)行10次平均就可以在64-QAM信號上達(dá)到0.081dB的標(biāo)準(zhǔn)偏差，那么當(dāng)測量BPSK信號的完整脈沖時(shí)，只需要5次平均就可以達(dá)到相同的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

一般來說，只需要花費(fèi)較長的測量時(shí)間，就可以通過平均操作來達(dá)到較低的標(biāo)準(zhǔn)偏差結(jié)果。表3就以54Mbps脈沖來說明了這種關(guān)系，請注意，表3的測量時(shí)間包含 了門控功率和EVM測量操作。

表 3. 測量時(shí)間隨著平均次數(shù)的增加而增加

在表3中，我們使用PXIe-5663 RF矢量信號分析儀與一套NI PXIe-8106控制器執(zhí)行復(fù)合的EVM與門控功率測量操作。EVM是由完整脈沖的RMS計(jì)算所得；而且其中的平均值與標(biāo)準(zhǔn)偏差是以超過1000次的測量操作所計(jì)算得出的。表3則說明，測量時(shí)間與平均次數(shù)之間那趨于線性的關(guān)系。NI WLAN分析工具包使用了所謂的非同步提取（Asynchronous fetching）技術(shù)，即當(dāng)分析儀提取出新的記錄的時(shí)候，也同時(shí)處理以前的記錄。因此，使用者不需要受到線性時(shí)間（Linear time）的限制就可以對多次平均進(jìn)行測量操作。另外，還請注意表3所列出的單次平均的EVM與功率測量將花費(fèi)9.4ms，但如果將平均次數(shù)設(shè)定在10次，測量操作就僅花費(fèi)了63.6ms，即每次的平均耗時(shí)為6.3ms。

2. 權(quán)衡要素2 – 完整脈沖EVM與部分脈沖EVM

如果將儀器設(shè)定為執(zhí)行部分脈沖EVM，而不是處理完整脈沖EVM測量時(shí)，就可以在某些情況下獲得較快的EVM測量。按照默認(rèn)值來處理，NI WLAN分析工具包將執(zhí)行OFDM EVM測量來作為整個(gè)脈沖序列中所有子載波中每個(gè)符號的RMS。同樣的，NI WLAN分析工具包將802.11b DSSS EVM測量作為整個(gè)脈沖序列所有片段的RMS。但是，仍然有諸多范例顯示，如果僅測量脈沖的第一部分，那么不僅可以得到可重復(fù)的測量并節(jié)約測量時(shí)間。在這樣的情況下，您可以通過編程來配置運(yùn)算EVM所需要的符號數(shù)目或者片段數(shù)。

為了說明部分脈沖分析的影響，我們可以通過兩組不同的脈沖并設(shè)定其分別使用BPSK (6 Mbps) 和 64-QAM (54 Mbps)。如表1所示，BPSK脈沖具有1434 µs的長度與343組符號；而64-QAM脈沖具有176 µs的長度和39組OFDM符號。同樣的，本實(shí)驗(yàn)展示了運(yùn)算EVM測量時(shí)間的結(jié)果作為1000次測量的平均值。每一個(gè)測量值都通過一次平均來實(shí)現(xiàn)并關(guān)閉了軌跡。圖2 展示了用來進(jìn)行運(yùn)算操作的符號數(shù)量與BPSK脈沖測量時(shí)間的關(guān)系。

圖2 BPSK脈沖所測得標(biāo)準(zhǔn)偏差與符號之間的關(guān)系

如圖2所示，對于BPSK這種較長的脈沖序列來說，如果可以只分析序列的一部分而不是所有的符號，就可以大大縮短測量的時(shí)間。如果使用比較少的符號，就可以將該脈沖的測量時(shí)間從40ms縮短為22ms。此外，在較快的測量條件下，測量結(jié)果的可重復(fù)性可能會出現(xiàn)稍微的偏差。

很顯然，部分脈沖測量的優(yōu)點(diǎn)是可以縮短較長脈沖的測量時(shí)間。造成這個(gè)結(jié)果的原因就是對于較長的脈沖序列來說，進(jìn)行一次測量的準(zhǔn)備時(shí)間（內(nèi)存分配、驅(qū)動調(diào)用以及數(shù)據(jù)采集的時(shí)間）與整個(gè)脈沖的測量時(shí)間相比僅占很小的一部分。而與之相反，對較短的脈沖序列（例如64-QAM和16QAM）來說，相對于使用的符號來說，靈活性就相對小了。例如，一個(gè)64-QAM脈沖序列僅包括39個(gè)先頭符號。因?yàn)槟枰嘤?6個(gè)符號來進(jìn)行可重復(fù)的EVM測量，所以您將不能在64-QAM脈沖序列上顯著地縮短測量時(shí)間。圖3顯示了針對54Mb/s的脈沖其測量時(shí)間與符號數(shù)目的關(guān)系。

圖3 對較長的脈沖序列來說，部分脈沖分析會更快

圖2與圖3所顯示的結(jié)果，都使用了NI PXIe-8106控制器來加快測量的速度。請注意，這些結(jié)果僅適用于某些條件，針對較長的BPSK與QPSK 802.11a/g信號而言，僅進(jìn)行部分脈沖分析的確可以縮短測量的時(shí)間。

通過WLAN分析工具包，也可以使用相同的方法來設(shè)定IEEE802.11b EVM測量操作只對部分脈沖進(jìn)行計(jì)算。由于802.11b使用直接序列擴(kuò)頻（DSSS），因此將通過多級片段來計(jì)算EVM。因?yàn)槟J(rèn)的EVM測量將對完整的脈沖進(jìn)行計(jì)算，使用者可以將WLAN分析工具包設(shè)定為僅對1000組片段執(zhí)行EVM測量操作。

圖4. 以較少的DSSS片段來配置EVM所得到的802.11b的測量時(shí)間

從圖4可以看出，如果針對1Mbps的信號脈沖減少測量的片段數(shù)量，就可以將測量的時(shí)間從300ms縮短為170ms。

3. 權(quán)衡要素3 – 復(fù)合測量與單一測量

縮短WLAN測量時(shí)間的第三個(gè)要素，就是執(zhí)行復(fù)合式的測量操作來取代個(gè)別設(shè)定的測量操作。通過WLAN分析工具包，只需要執(zhí)行單一的復(fù)合式測量操作就可以進(jìn)行所有的時(shí)域測量（時(shí)域功率、EVM和頻率偏移）。由于復(fù)合測量可以從單一脈沖中計(jì)算得到多項(xiàng)測量結(jié)果，因此其效率高于順序執(zhí)行的獨(dú)立測量操作。

當(dāng)使用復(fù)合式測量操作測量功率時(shí)，必須考慮兩種方式，如果使用WLAN分析工具包，即可以通過完整的脈沖序列來測量RF功率，也可以通過部分脈沖序列來進(jìn)行門控測量。表4展示了各個(gè)測量操作所需要的測量時(shí)間。該表格中的所有結(jié)果，都是100次測量各自進(jìn)行了單次平均之后的總的平均值。在些范例中，我們使用了16組OFDM符號來完成每次802.11a/g EVM測量操作。并針對20~120 µs的部分脈沖序列進(jìn)行門控功率測量。

表4. 進(jìn)行802.11a/g復(fù)合測量與單一測量所需要的時(shí)間

從表4可知，針對802.11a/g的單一脈沖序列執(zhí)行如EVM與功率等重要的復(fù)合測量時(shí)，其總測量時(shí)間與多個(gè)單一測量的時(shí)間總和相比將可以有大幅地降低。表4所示的復(fù)合測量包含了EVM，門控功率（部分脈沖）與TX功率（完整脈沖）測量。

如果對802.11b信號進(jìn)行相應(yīng)的復(fù)合式測量，也可以省下差不多的時(shí)間。針對該信號類型，重要的測量可以包括EVM、功率、功率上升時(shí)間與功率下降時(shí)間。同樣的，由于復(fù)合式測量可以讓使用者同步地進(jìn)行多個(gè)測量操作，因此是一種加速裝置測量速度的方法。表5即是以NI PXIe-8106雙核控制器運(yùn)行LabVIEW 8.6.1進(jìn)行測量的結(jié)果。這里通過對1000個(gè)片段進(jìn)行EVM測量，并且以100 µs的時(shí)間間隔來計(jì)算門控功率。

表5. 進(jìn)行802.11b復(fù)合測量與單一測量所需要的時(shí)間對比

同樣的，表5說明了并行測量操作可以達(dá)到較高的效率。如果分別執(zhí)行11Mbps CCK脈沖、EVM、TXP和上升/下降測量操作，將總共需要126ms的測量時(shí)間，但如果是平等測量，則僅需要64ms的總測量時(shí)間。

4. 權(quán)衡要素4 – 測量頻跨與測量時(shí)間

執(zhí)行WLAN頻譜測量所需要注意的第四個(gè)權(quán)衡要素，就是測量的頻跨與測量時(shí)間之間的關(guān)系。IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)為802.11a/g信號定義了60MHz的頻域遮罩，為802.11b定義了66MHz的頻域遮罩；并且還有幾個(gè)實(shí)例可用于用戶自定制，舉例來說，測試工程師可能需要100MHz的頻跨來測試調(diào)制信號頻率范圍以外的混疊信號。更進(jìn)一步來說，工程師也可能對802.11b信號只使用44MHz的頻跨以縮短測量時(shí)間。

不管是數(shù)字IF分析儀還是傳統(tǒng)的掃頻分析儀來說，測量頻寬越大，需要的測量時(shí)間越長。使用傳統(tǒng)的掃頻分析儀，測量的時(shí)間與頻跨會是線性的關(guān)系。在這樣的條件下，如果將一個(gè)100kHz的RBW濾波器在所需要的頻跨范圍中進(jìn)行掃頻，測量的時(shí)間將與測量的頻跨成線性關(guān)系。如果使用矢量信號分析儀（如NI PXI-5661和NI PXIe-5663），那么其結(jié)果將會有所不同。與矢量信號分析儀的實(shí)時(shí)帶寬相比，頻譜測量操作的實(shí)時(shí)帶寬較為狹小，因此不需要另外的RF前端來對信號進(jìn)行重調(diào)以完成測量。

例如，NI PXIe-5663 RF矢量信號分析儀如果提供50MHz的實(shí)時(shí)帶寬，那么使用者就不需要花費(fèi)大量的時(shí)間來重新調(diào)整儀器的前端，也可以執(zhí)行低于50MHz頻跨的頻譜測量操作。圖5即是使用NI PXIe-8106控制器執(zhí)行頻譜測量操作，根據(jù)頻跨范圍的不同而在3~12.5ms之間變化。

圖5. 運(yùn)行于NI PXIe-8106控制器的WLAN 802.11g/g測試的頻域遮罩對頻跨的關(guān)系（NIRFSA 2.2或更新版本）

與之相對的，如果頻跨是在50MHz與100MHz之間，就必須要對分析儀的RF前端重新進(jìn)行一次調(diào)整。因此，加上CPU對信號進(jìn)行額外處理所需要的時(shí)間分析儀前面重調(diào)操作將會增加全局測量時(shí)間。圖5展示了一個(gè)66MHz頻跨（完全的802.11a/g頻域遮罩）的信號需要近12.5ms的時(shí)間來測量。在這樣的條件下，附加時(shí)間將會取決于本地晶振的穩(wěn)定時(shí)間而不是信號處理的時(shí)間。

請注意，與該EVM測量相似的是：操作者必須考慮測量時(shí)間與平均次數(shù)之間的關(guān)系。由于平均操作可以合理地降低本底噪聲，所以一般工程師都會在測量的時(shí)候執(zhí)行幾次平均。在圖6中，可以觀察到單次平均與100次平均下的頻譜遮罩測量（66MHz頻跨）結(jié)果的區(qū)別。

圖6 對頻譜模板測量操作來說，適當(dāng)?shù)钠骄梢越档蜏y量的不確定性

因此，測量頻跨與平均次數(shù)，都將影響頻譜模板測量的整體速度，一般來說，只有在RF前端必須進(jìn)行重調(diào)時(shí)，測量頻跨對測量時(shí)間的影響會比較大，而從另一方面來看，平均次數(shù)帽與測量的時(shí)間有線性的關(guān)系。

例如，考慮對處理器資源要求較高的802.11b的頻譜模板測量（44MHz頻域范圍），圖7展示了測量時(shí)間與平均次數(shù)之間的線性關(guān)系。

圖7 在不同CPU條件下頻譜模板測量時(shí)間與平均次數(shù)的關(guān)系

更進(jìn)一步來說，CPU測量時(shí)間與CPU的特性有相當(dāng)大的關(guān)系。在這個(gè)實(shí)例中，CPU的運(yùn)算能力越強(qiáng)，例如使用NI PXIe-8106控制器，就能夠越快地完成這個(gè)測試。

5. 權(quán)衡要素5 - CPU對測量時(shí)間的影響

第五個(gè)會大幅影響WLAN信號測量的權(quán)衡要素是測量系統(tǒng)所使用的CPU。CPU是軟件定義的PXI測量系統(tǒng)的核心基本部件之一。CPU的性能也往往是影響測量性能最直接的因素，對RF的測量更是如此。幸運(yùn)的是，現(xiàn)在的用戶可以通過目前的多核CPU配合WLAN分析工具包來獲得極高的工業(yè)級的測量結(jié)果。

雖然實(shí)際系統(tǒng)的性能仍然受到很多其它因素的影響（如存儲介質(zhì)容量的大小或其它應(yīng)用背景的影響），但在自動化測試系統(tǒng)中，CPU性能與測量時(shí)間的關(guān)系密不可分。表6就展示了以PXI控制器為基礎(chǔ)的比較結(jié)果。

表6 多款PXI Express 控制器的重要參數(shù)對比

以上幾個(gè)CPU的性能都會對整體的測量速度造成影響，但其中影響最大的，包括處理核的數(shù)量、CPU時(shí)鐘頻率、前端總線、L2緩存的大小和系統(tǒng)內(nèi)存的大小。

圖8展示的是脈沖數(shù)據(jù)傳輸率與測量時(shí)間的關(guān)系。還有CPU對EVM測量時(shí)間的影響，如圖所示，NI PXIe-8106雙核控制器在所有的數(shù)據(jù)傳輸率中，都可以取得較快的EVM測量時(shí)間。

圖8 較快的CPU可以縮短測量的時(shí)間

雖然PXIe-8106在所有的數(shù)據(jù)傳輸率下都可以取得最快的速度，但是請注意，它并非本次實(shí)驗(yàn)使用的所有控制器中時(shí)鐘頻率最高的。雖然NI PXIe-8130所使用的AMD CPU的時(shí)鐘比NI PXIe-8106的時(shí)鐘頻率要高，但由于其L2緩存大小較小，因此影響了其運(yùn)算的速度。NI PXIe-8106所使用的Intel Core 2Duo T700 CPU，是這次實(shí)驗(yàn)中L2緩存最大（4MB）的CPU。

6. 結(jié)論

如上面的表格與圖示所展示的，有很多的因素都可能影響WLAN信號的整體測量時(shí)間。因此，如果想要將測量系統(tǒng)的速度發(fā)揮到極致，就必須要仔細(xì)地考慮相關(guān)的配置，包括平均次數(shù)、所要測量的符號數(shù)與測量頻跨（頻譜）。更進(jìn)一步地看，雖然操作者可以調(diào)整多個(gè)測量配置來縮短測量的時(shí)間，卻也需要同時(shí)考慮可能關(guān)聯(lián)影響的可重復(fù)性、精度或者是測量的完整性，進(jìn)而達(dá)到結(jié)果的平衡。因此，如果要不犧牲測量的品質(zhì)又要能夠提升測試的數(shù)據(jù)傳輸量，最簡單的辦法莫過于選擇更好的CPU。而軟件定義的PXI架構(gòu)的測試系統(tǒng)的重要優(yōu)勢之一就是可以讓操作者可以根據(jù)自己的需要選擇CPU。除了可以大幅提升測量速度之外，PXI系統(tǒng)也可以高度的自定制。所以，操作者可以獲得未來升級處理器的靈活性以達(dá)到更快的測量速度。