配置軟件定義的WLAN測試系統(tǒng)

1. WLAN物理層介紹

WLAN標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)IEEE 802.11工作小組所定義并維護(hù)的，其中包含芯片制造商和接入點(diǎn)制造商。 此團(tuán)隊(duì)已經(jīng)定義了多個(gè)802.11標(biāo)準(zhǔn) – 從802.11a到802.11z均囊括在內(nèi)。 然而，對(duì)WLAN設(shè)備而言，最常見的協(xié)議為IEEE 802.11a、b、g，與n。

在1999年，工作團(tuán)隊(duì)為WLAN設(shè)定了802.11a與802.11b標(biāo)準(zhǔn)。 若將IEEE 802.11a標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定為5 GHz的未授權(quán)工業(yè)、科學(xué)與醫(yī)療(ISM)頻帶，則可達(dá)到最高54 Mb/s的傳輸率。 相對(duì)來說，IEEE 802.11b標(biāo)準(zhǔn)則可于2.4 GHz ISM頻帶上達(dá)到最高11 Mb/s的信息傳輸率。 2003年發(fā)布的IEEE 802.11g，也可在2.4 GHz的ISM頻帶達(dá)到最高54 Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸率。 IEEE 802.11n為目前最新的版本，其中整合如多重輸入/輸出(MIMO)與并行通道的功能，可于2.4與5 GHz頻帶中達(dá)到300 Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸率。

WLAN所使用的2組基本傳輸構(gòu)架，分別為直接序列展頻(DSSS)與正交頻多分工(OFDM)。 此外，其內(nèi)在的調(diào)制架構(gòu)包含CCK，以及BPSK與64-QAM等正交架構(gòu)。 表1即為使用特定傳輸構(gòu)架與調(diào)制類型的標(biāo)準(zhǔn)。

表1. 多個(gè)802.11版本所使用的傳輸構(gòu)架與調(diào)制類型

與WiMAX(IEEE 802.16d/e)和3GPP長期演進(jìn)技術(shù)(LTE)的OFDM構(gòu)架標(biāo)準(zhǔn)不同，WLAN的OFDM信號(hào)中，所有子載波均使用相同的調(diào)制架構(gòu)。 因此對(duì)IEEE 802.11a/g信號(hào)而言，調(diào)制構(gòu)架可直接影響最大傳輸率，與特定信號(hào)的編碼速率。 表2呈現(xiàn)了此關(guān)系。

表 2. 數(shù)據(jù)傳輸率、編碼速率，與突發(fā)間隔時(shí)間的關(guān)系

在表2中如54 Mb/s的高信號(hào)傳輸率，則必須使用如64-QAM的高位調(diào)制構(gòu)架。 更進(jìn)一步來說，1024數(shù)據(jù)比特的標(biāo)準(zhǔn)突發(fā)間隔，將大幅高于低位的調(diào)制構(gòu)架。 當(dāng)要提升測試系統(tǒng)的測量速度時(shí)，必須先了解較長突發(fā)間隔與較長測量時(shí)間的關(guān)系。 一般來說，當(dāng)在單一突發(fā)上執(zhí)行誤差矢量幅度(EVM)測量時(shí)，若能使儀器設(shè)定僅采集所需的測量資料，即可加快測量速度。 舉例來說，當(dāng)測量64-QAM突發(fā)時(shí)，若將采集時(shí)間長度設(shè)定為200 µs，則其測量速度可高于10 ms或以上的時(shí)間長度。

2. 射頻虛擬儀器概述

只要通過NI軟件定義的WLAN測試，即可選擇多款儀器來測試WLAN設(shè)備。 本技術(shù)白皮書概述了虛擬PXI測量系統(tǒng)的構(gòu)架，從而說明傳統(tǒng)儀器和虛擬儀器之間的差異。

PXI儀器整合高性能的多核心控制器、高速 PCI/PCI Express數(shù)據(jù)總線，與經(jīng)優(yōu)化的測量算法，可達(dá)到業(yè)內(nèi)首屈一指的測量速度。 WLAN測量所使用的軟件即為NI WLAN測量套件，其中包含NI WLAN分析與WLAN生成工具包。 推薦使用的NI硬件有NI PXIe-5663矢量信號(hào)分析儀與NI PXIe-5673矢量信號(hào)生成器。 NI PXIe-5663可進(jìn)行10 MHz至6.6 GHz的信號(hào)分析，并可達(dá)最高50 MHz的瞬間頻寬。 NI PXIe-5673則可產(chǎn)生85 MHz至6.6 GHz的信號(hào)，并達(dá)到最高100 MHz的瞬間頻寬。 其中任1組儀器均可搭配其他生成器或分析器，以執(zhí)行相位相干測量。 圖1則為常見的WLAN設(shè)備測試系統(tǒng)設(shè)定，并具備矢量信號(hào)生成器與矢量信號(hào)分析儀。

圖1. 進(jìn)行WLAN測量的PXI系統(tǒng)

軟件定義的儀器，特別適用于自動(dòng)化測試應(yīng)用。 從構(gòu)架上來說，PXI模塊化儀器與傳統(tǒng)儀器的主要差異，即為其處理核心。 雖然這兩組系統(tǒng)使用多個(gè)相似的組件，但其主要區(qū)別在于PXI系統(tǒng)可使用高性能的多核心中央處理單元(CPU)。 圖2即為具備多個(gè)相同核心組件的傳統(tǒng)與PXI儀器，包含記憶體、高動(dòng)態(tài)范圍的模數(shù)轉(zhuǎn)化器與高性能射頻前端。

圖2. 用戶定義的CPU是PXI射頻儀器的必要組件。

PXI模塊化儀器的多核心CPU，可達(dá)到極佳的信號(hào)處理能力。 因此，與傳統(tǒng)儀器相比，多款基于PXI測量系統(tǒng)的速度已大幅提升。 一般來說，來自Intel與AMD等芯片制造商的CPU效能均遵循摩爾定律持續(xù)成長。 因此，當(dāng)制造商發(fā)布新款處理器時(shí)，用戶僅需升級(jí)PXI系統(tǒng)的控制器即可。 針對(duì)現(xiàn)有的測試系統(tǒng)，僅需花費(fèi)部分組件的成本，即可大幅提升測量速度。

軟件定義儀器的第二個(gè)優(yōu)勢，既為可在單一硬件平臺(tái)上測試多種無線標(biāo)準(zhǔn)。 此項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)特別適用于多標(biāo)準(zhǔn)的消費(fèi)者產(chǎn)品，或系統(tǒng)單芯片的設(shè)備。在過去，受測設(shè)備包含GPS接收器、WLAN無線電與FM收音機(jī)，工程師因此必須購買數(shù)款專用的儀器。 而通過軟件定義的儀器，僅需整合常見硬件并使用專屬的軟件工具包，即可測試所有標(biāo)準(zhǔn)。 圖3即為此概念。

圖3. 軟件定義的儀器構(gòu)架

圖3中，可使用通用的射頻前端(生成器或分析儀均可) 搭配基于Windows的CPU，即可建立軟件定義的儀器。 通過NI的軟件定義射頻儀器，即可測試WLAN、GPS、GSM/EDGE/WCDMA、WiMAXTM、BluetoothTM、DVB-T/ATSC/ISDB-T、FM/RDS/IBOC以及其他無線標(biāo)準(zhǔn)。

3. NI WLAN測量套件介紹

現(xiàn)有PXI儀器的軟件定義特性中，如NI WLAN測量套件與相關(guān)軟件的組合，均為測量系統(tǒng)的必要組件。 WLAN測量套件包含NI WLAN生成工具包與NI WLAN分析工具包。 這兩個(gè)工具包均包含LabVIEW的API、 LabWindows™/CVI，與ANSI C/C++，且均可搭配PXI射頻矢量信號(hào)生成器與分析儀使用。 針對(duì)高層操作，WLAN生成工具包可用于建立IEEE 802.11a/b/g信號(hào)。 WLAN分析工具包，則可通過矢量信號(hào)分析儀所采集的信號(hào)，進(jìn)一步提供測量結(jié)果。 圖4為此測量方式的程序框圖。

圖4. WLAN測試系統(tǒng)的構(gòu)架

無論是使用屬性節(jié)點(diǎn)或用于編程的API，均可進(jìn)行特殊標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)傳輸率、突發(fā)間隔與載波頻率等設(shè)置。 圖5與圖6即是通過屬性節(jié)點(diǎn)或用于編程的API，以調(diào)整常用設(shè)置。

圖5. 以LabVIEW屬性節(jié)點(diǎn)設(shè)定WLAN測量

圖6.以LabVIEW用于編程的API設(shè)定WLAN測量

圖6a. 以LabWindows™/CVI用于編程的API設(shè)定WLAN測量

其入門范例程序，是專為自動(dòng)化測量應(yīng)用所設(shè)計(jì)的。 若要進(jìn)行更多互動(dòng)式測量，則可使用如圖7所示的近似LabVIEW或LabWindows™/CVI展示面板。

圖7. WLAN測量的LabVIEW展示面板

圖7為頻域中的基本802.11g頻譜遮罩。 請注意，下列章節(jié)敘述的所有測量，均是通過此范例執(zhí)行的。

4. 常見的WLAN測量

在進(jìn)行任何WLAN組件或無線電的特性描述時(shí)，所需的特定測量往往取決于該被測設(shè)備。 舉例來說，若要了解功率放大器的特性參數(shù)，則必須整合EVM與三階交互調(diào)變(IM3)測量，以進(jìn)行非線性化的特性描述。 然而，由于載波偏移測量屬于射頻信號(hào)生成器的功能，因此其重要性較低。 表3所列的是部分常見的WLAN測量。 如表3所示，若下列章節(jié)提及相關(guān)附屬測量，則可使用WLAN分析工具包執(zhí)行多種測量。

表3. 以WLAN分析工具包所執(zhí)行的測量

5. 傳輸功率

WLAN測量的重點(diǎn)之一，即為傳輸功率。 目前有多種方法可測量功率，且不同的功率測量均需要不同的WLAN標(biāo)準(zhǔn)。 當(dāng)進(jìn)行802.11a/g傳輸器的特性描述時(shí)，WLAN測量系統(tǒng)可同時(shí)產(chǎn)生峰值功率與平均功率的結(jié)果。 針對(duì)802.11b設(shè)備，常見的測量系統(tǒng)也可提供功率的波升與波降次數(shù)。 請注意，雖然峰值功率計(jì)為功率測量的有效工具，但若要測量信號(hào)的平均功率，仍是射頻矢量信號(hào)分析儀的速度最快。 而當(dāng)傳輸器設(shè)定為輸出連續(xù)調(diào)制載波時(shí)，則平均功率計(jì)僅可測量功率。

在以射頻矢量信號(hào)分析儀測量功率時(shí)，將通過所觸發(fā)的突發(fā)計(jì)算其結(jié)果。 如此一來，即可通過完整突發(fā)或突發(fā)的特定部分，測得平均功率。 通過WLAN分析工具包，即可設(shè)定閘控功率測量；以用戶定義的開始與停止時(shí)間為基準(zhǔn)，測量其中的平均功率。 此外如圖8所示，也可使用工具包回傳IEEE 802.11a/g信號(hào)的功率對(duì)時(shí)間軌跡。

圖8.功率對(duì)時(shí)間軌跡中的訓(xùn)練序列、信道估計(jì)與數(shù)據(jù)。

圖8中的功率對(duì)時(shí)間軌跡常做為調(diào)試工具，可確保突發(fā)的各個(gè)部分 – 從訓(xùn)練序列到OFDM符號(hào) – 均確保傳輸?shù)倪M(jìn)行。

6. 誤差矢量幅度

由于EVM可找出多種減損所造成的誤差，包含正交偏移、IQ增益失衡、相位噪聲，與非線性失真，因此是最重要的測量之一。 針對(duì)調(diào)制過的信號(hào)，EVM將比較信號(hào)預(yù)期與實(shí)際的相位/強(qiáng)度。 如圖9所示，NI WLAN分析工具包，即將誤差矢量|E|乘以強(qiáng)度矢量|V|，以得出該值。

圖9. EVM Measurement的圖形化表示

一般來說，用戶可指定百分比(%)或分貝(dB)為EVM單位。 然而，IEEE 802.11a/g測量的EVM是以分貝為單位；IEEE 802.11b的EVM是以百分比為單位。 等式1則說明轉(zhuǎn)換這2種單位的方法。

等式1. 分貝與百分比轉(zhuǎn)換

舉例來說，1%的EVM等于-40 dB；而5%的EVM等于-26 dB。 測量完整突發(fā)的EVM時(shí)，儀器往往呈現(xiàn)均方根(RMS)的EVM結(jié)果。 針對(duì)OFDM信號(hào)，將跨所有子載波與符號(hào)得出EVM并作為RMS結(jié)果。 針對(duì)DSSS信號(hào)，則是跨所有切片得出RMS。

在許多范例中，幾乎可通過星座圖檢視所有的EVM性能。 星座圖可顯示各個(gè)符號(hào)的相位與強(qiáng)度，讓用戶找出特定的正交減損。 圖10即為64-QAM的星座圖。

圖10. EVM Measurement的圖形化表示

如圖10所示，-46 dB的EVM等于0.5%。 使用的是NI PXIe-5673射頻矢量信號(hào)生成器與NI PXIe-5663射頻矢量信號(hào)分析儀，并設(shè)定為回送模式。 此2組儀器均設(shè)定為2.412 GHz的中央頻率，與-10 dBm的射頻功率強(qiáng)度。 因此在這些設(shè)定之下，儀器均達(dá)相同的-46 dB EVM。 另請注意，圖10中的WLAN分析工具包可平行執(zhí)行所有的時(shí)域測量。 通過復(fù)合式的測量，即可得出EVM、載波偏移，與載波泄漏；還有如IQ增益失衡與正交偏移等正交減損現(xiàn)象。

7. 頻譜遮罩測量

頻譜遮罩可進(jìn)行傳輸器的非線性特性描述。 一般來說，頻譜圖可做為診斷工具，以確定分析中的信號(hào)是否產(chǎn)生失真現(xiàn)象。 由于頻譜遮罩測量屬于Pass/Fail的測試，因此其結(jié)果即構(gòu)成頻譜遮罩邊際；此邊際是以dB為單位，即是所測得實(shí)際信號(hào)與遮罩之間的功率差異。 圖11即為802.11b信號(hào)的頻譜遮罩測量。

圖11. 802.11b信號(hào)的頻譜遮罩

IEEE 802.11b信號(hào)與IEEE 802.11a/g信號(hào)實(shí)際使用不同的頻譜遮罩。 圖12即為OFDM 802.11a/g信號(hào)的遮罩。

圖12. 802.11a/g 信號(hào)的頻譜遮罩

請注意，頻譜遮罩也可描述多種信號(hào)特性。 舉例來說，傳輸器的非線性特性，則可讓信號(hào)邊帶達(dá)到遮罩的限度。 此外，未妥善設(shè)定的邊帶信號(hào)，也可與DFDM信號(hào)上構(gòu)成多余的邊帶。

8. 結(jié)論

如本文所述，用戶可通過軟件工具包設(shè)定多種WLAN測量。 事實(shí)上，WLAN測量套件針對(duì)IEEE 802.11a/b/g測量，提供了生成與分析功能。 通過LabVIEW、LabWindows/CVI，甚至 .NET等應(yīng)用編程環(huán)境，即可設(shè)定PXI射頻矢量信號(hào)生成器與分析儀，以迅速并輕松測試WLAN產(chǎn)品。 雖然這些軟件定義的儀器可測試WLAN與其他多款無線標(biāo)準(zhǔn)，但此方式的主要優(yōu)點(diǎn)之一是其測試速度。