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提升 WLAN y系y的量y速度

作者:时间:2018-09-14来源:网络收藏

概观

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201809/389166.htm

由於业界正不断降低测试成本,许多 RF 测试工程师更必须缩短量测时间。如你所想,无线区域网路 (WLAN) 装置的测试作业亦必须迎合此趋势。不论是设计检验的自动化测试系统,或最后的生a测试作业,测试系统的量测速度愈趋重要。然而在许多情况下,除了缩短测试时间并降低成本之外,亦不能牺牲测试的精确性与可重复性。此篇技术文件将针对 WLAN 量测作业,说明可影响量测速度的多个平衡要素。在了解相关概念之后,亦将针对提升测试系统的量测速度,提供更好的实作说明。此技术文件将依序说明下列要素:平均对可重复性;完整丛集对部分丛集的 EVM;复合量测对单一量测;量测间隔与量测时间;最后是 CPU 对量测时间的影响。针对上列的相关要素,此技术文件均将透过 NI PXIe-5663 -- 6.6 GHz RF 向量讯号分析器,进行范例量测作业。这些实例所用的激发即 NI PXIe-5673 -- 6.6 GHz RF 向量讯号a生器。且范例均使用 NI WLAN 量测套餐 (Measurement Suite),其中包含 NI LabVIEW 与 LabWindows™/CVI 的a生/分析工具组,以设定 WLAN 量测作业。若要进一步了解应如何设定 PXI WLAN 测试系统,则可参阅「设定软体定义的 WLAN 测试系统」。虽然此篇技术文件著重於 PXI RF 仪控作业,但相同的基本量测要件亦适用於任何 RF 仪器。因此,不论是 PXI 与传统 RF 仪控,均可透过此篇技术文件提升相关效能。

不论是自动化设计检验或生a测试应用,提升量测可重复性的常见技术,即是平均多笔量测结果。然而,若要设定大量的平均值以提升可重复性,则将增加量测时间的成本。一般来说,总量测时间可透过平均值的数量而进行线性调整。因此,若单一量测作业必须耗费 20 ms,则相同量测进行 10 次平均时,将耗费将近 200 ms。

更进一步来看,由於平均作业将计入不可重复的减损 (Impairment) – 如加成性白高斯杂讯 (Additive white Gaussian noise,AWGN) – 以有效取消不必要的量测作业,因此将提高可重复性。若要了解平均作业对可重复性的影响,则可使用 NI PXIe-5673 RF 向量讯号a生器与 NI PXIe-5663 RF 向量讯号分析器,以执行送 (Loopback) 测试。透过上述装置,可於 2.412 GHz a生 802.11g 正交频分多工 (OFDM) 讯号,与 -10 dBm 的 RF 功率强度。同样的,使用 4 种不同的讯号类型 – BPSK (6 Mbps)、QPSK (18 Mbps)、16-QAM (24 Mbps),与 64-QAM (54 Mbps),则可了解脉波丛 (Burst) 尺寸与调变架构对量测时间的影响。若使用 1024 位元的酬载 (Payload),则每种讯号类型均具有不同数量的 OFDM 符码。举例来说,BPSK 丛集使用 343 组符码,而 64-QAM 讯号则使用 39 组符码。也因此每种讯号类型的丛集区间亦不尽相同。表 1 则显示差异之处。

表 1. 多种 802.11a/g 资料传输率的调变架构、丛集区间,与符码数量

错误向量强度 (Error vector magnitude,EVM) 量测作业,可完整了解讯号的调变品质。在 EVM 量测作业中,共内建 2 种方法可呈现平均结果。针对 IEEE 802.11a/g 丛集,量测结果将涵盖各个 OFDM 子载波与符码 (Symbol),以 EVM 的均方根 (RMS) 表示。根据表 1 来看,应可直接看出丛集中的符码数量,且若 EVM 榻系偷 6 Mbps (BPSK) 资料传输率,应可a生超过 54 Mbps 丛集的可重复量测作业;从而可得知较长丛集亦具有较多的符码。但仅限 EVM 是透过完整丛集 (而非特定部分丛集) 呈现 RMS 时,上述假设才可成立。平衡要素 2 将针对部分丛集分析,说明相关可重复性。

我们可於一般情况下假设:在执行较长丛集的量测作业时,将可a生更多的可重复 EVM 结果。图 1 显示平均次数与量测标饰蟛钪间的关S。这些量测作业均是透过 NI PXIe-5673 RF 向量讯号a生器,与 NI PXIe-5663 RF 向量讯号分析器所进行。当使用 -10 dBm 的 RF 平均功率时,此 2 组仪器的中央频率均设定 2.412 GHz。

图 1. 平均作业可降低量测平均值的标饰蟛睢

图 1 显示,当每次量测作业所使用的平均次数增加时,1000 EVM 量测的标饰蟛 (Deviation) 即跟著降低。请注意,由於图 1 所使用的讯号源 RF 向量讯号a生器 -- 专楫a生可重复讯号所设计的a品,因此图 1 中的 EVM 与标饰蟛睿均大幅优於 802.11g 传输器所可能a生的实际情况。因此,可将图 1 显示结果做榭芍馗葱缘幕省2⑶胱⒁猓仅限以绝对量测值 (Absolute measurement value) 表示的量测可重复性才有其意义。一般来说,只要测试仪器的 EVM 基试礁撸则可重复性的影响越小。表 2 则显示量测作业设定 10 次平均时的 EVM 结果。

表 2. 平均 EVM 将与调变架构a生相对性的一致。

表 2 显示出,跨所有调变架构所测得的 EVM 将趋於一致。然而,此亦代表使用者可透过较长丛集获得较佳的标饰蟛睿当然亦将量测更多符码。举例来说,若进行 10 次平均即可於 64-QAM 讯号上达到 0.081 dB 的标饰蟛钍保则当量测 BPSK 讯号的完整丛集时,仅需 5 次平均即可达到相同的标饰蟛睢

一般来说,仅需耗费较长量测时间,即可透过平均作业达到较低的结果标饰蟛睢1 3 即以 54 Mbps 丛集说明此关S。请注意,表 3 的量测时间包含闸控功率与 EVM 量测作业。

表 3. 量测时间随平均次数而渐长

在表 3 中,我们使用 PXIe-5663 RF 向量讯号分析器与 1 组 NI PXIe-8106 控制器,以执行复合的 EVM 与闸控功率量测作业。EVM 是以完整丛集的 RMS 计算所得;且其中的平均值与标饰蟛睿是以超过 1000 次的量测作业所算出。表 3 则说明,量测时间与平均次数之间趋於线性的关S。NI WLAN 分析 (Analysis) 工具组使用了所谓非同步提取 (Asynchronous fetching) 技术,即当分析器提取新的记录时,亦同时处理先前的记录。因此,使用者不需受限於线性时间 (Linear time),亦可针对多笔平均设定量测作业。亦请注意表 3 若设定 1 次平均,则 EVM 与功率量测将耗费 9.4 ms。然而,若设定 10 次平均,量测作业亦仅耗费 63.6 ms;亦即每次平均可省下 6.3 ms。

平衡要素 2 – 完整丛集 EVM 对部分丛集 EVM

若将仪器设定执行部分丛集,而非完整丛集的量测时,则可於某些情况下达到较快的 EVM 量测。依预设值来说,NI WLAN 分析 (Analysis) 工具组将针对完整丛集中的各个符码,执行所有子载波 RMS 的 OFDM EVM 量测。同样的,NI WLAN 分析工具组亦将针对丛集中的所有切片 (Chip),进行 RMS 的 802.11b DSSS EVM 量测作业。然而,仍有许多范例指出,若仅量测丛集的第一部份,即可a生可重复的量测结果并省下量测时间。在此情况下,使用者可针对要用於计算 EVM 量测所需的符码或切片数量,透过程式设计的方法进行设定。

榱怂得鞑糠执约分析的影响,可透过 2 组不同的丛集并设定分别使用 BPSK (6 Mbps) 与 64-QAM (54 Mbps)。如表 1 所示,BPSK 丛集具备 1434 µs 的区间与 343 组符码;而 64-QAM 丛集具备 176 µs 的区间与 39 组 OFDM 符码。同样的,其计算 EVM 量测时间的结果,即 1000 次量测作业的平均值。所执行的各次量测均进行 1 次平均,且其轨E均a生变化。图 2 即是计算量测作业所用的符码数量,与 BPSK 丛集量测时间的关S。

图 2. BPSK 丛集所测得标饰蟛钣敕码之间的关S

如图 2 所示,如 BPSK 此种较长的丛集来说,若能分析仅部分的丛集而非各个符码,即可大幅缩短量测时间。若使用数量较少的符码,则可将此丛集的量测时间从 40 ms 缩短 22 ms。此外,在较快的量测条件下,可重复性的结果仅可能稍微变差。

很明显的,仅量测部分丛集的优点,即是可缩短较长丛集的量测时间。而其理由即是因橹葱辛坎獾木常性因素 (记忆体配置、驱动程式呼叫,与X取时间),将可补偿整体量测时间的较小部分。相反来看,较短丛集 (如 64-QAM 与 16-QAM) 在使用符码数量时的弹性即较低。举例来说,64-QAM 丛集在开始时仅包含 39 组符码。由於必须再多加 16 组符码才能进行可重复的 EVM 量测,因此无法大幅缩短 64-QAM 丛集的整体量测时间。图 3 即针对 54 Mb/s 丛集,说明量测时间与所需符码数量之间的关S。

图 3. 对较长的丛集,则可分析部分丛集以加快量测速度

图 2 与图 3 所显示的结果,均使用了 NI PXIe-8106 控制器以加快量测速度。请注意,这些结果仅适用於某些条件。针对较长的 BPSK 与 QPSK 802.11a/g 讯号而言,仅分析部分丛集确实可缩短量测时间。

透过 WLAN 分析 (Analysis) 工具组,亦可使用相同方式设定 IEEE 802.11b EVM 量测作业,仅计算部分的丛集。由於 802.11b 即使用直接序列展频 (Direct-sequence spread spectrum,DSSS),因此将透过多组切片计算 EVM。因樵ど璧 EVM 量测将计算完整的丛集,使用者可将 WLAN 分析 (Analysis) 工具组设定执行仅 1000 组切片 (Chip) 的 EVM 量测作业。

图 4. 以较少 DSSS 切片设定 EVM 而形成的 802.11b 量测时间

从图 4 可看出,若针对 1 Mbps 讯号丛集减少量测的切片数量,则可将量测时间从 300 ms 缩短 170 ms。

平衡要素 3 – 复合量测对单一量测

缩短 WLAN 量测时间的第三项要点,即是执行复合式量测作业,以取代个别设定的量测作业。透过 WLAN 分析 (Analysis) 工具组,仅需单一的复合式量测作业,即可进行所有的时域量测 (功率对时间、EVM,与频率偏移)。由於复合式量测可於单一丛集中计算多项量测结果,因此其效率高於依序执行的独立量测作业。

当使用复合式量测作业量测功率时,必须考虑 2 种方式。若使用 WLAN 分析 (Analysis) 工具组,即可透过完整丛集量测 RF 功率,或透过部分丛集进行闸控量测。表 4 显示各项量测作业所需的量测时间。此表格中的所有结果, 100 次量测各自进行单次平均之后的总平均值。在此范例中,我们使用 16 组 OFDM 符码得出各次 802.11a/g EVM 量测作业。并针对 20 ~ 120 µs 的部分丛集进行闸控功率 (Gated power) 量测。

表 4. 进行 802.11a/g 复合量测与单一量测的所需时间

从表 4 可知,当针对 802.11a/g 的单一丛集,执行如 EVM 与功率的重要复合量测时,其总量测时间将可大幅低於个别量测的时间。表 4 所示的复合量测则包含 EVM、闸控功率 (部分丛集),与 TX 功率 (完整丛集)。

若针对 802.11b 讯号进行复合式量测,亦可省下差不多的时间。针对此讯号类型,重要量测可包含 EVM、功率、功率缓升 (Ramp-up) 时间,与功率缓降 (Ramp-down) 时间。同样的,由於复合式量测可让使用者同步进行多项量测作业,因此实榧铀僮爸貌馐运俣鹊姆椒ā1 5 即是以 NI PXIe-8106 双核心控制器执行 LabVIEW 8.6.1 的结果。此处即跨 1000 切片进行 EVM 量测,且以 100 µs 的时间间隔计算闸控功率。

表 5. 进行 802.11b 复合量测与单一量测的所需时间

同样的,表 5 说明平行量测作业可达较高效益。若分别执行 11 Mbps CCK 丛集、EVM、TXP,与缓升/缓降量测作业,将需要 126 ms 量测总时间;但若平行量测仅需 64 ms 量测总时间。

平衡要素 4 – 量测间隔对量测时间

执行 WLAN 频谱量测时所需注意的第四项要点,即榱坎馐奔溆肓坎饧涓 (Span) 之间的关S。IEEE 802.11 标适钦攵 802.11a/g 讯号定义 60 MHz 遮罩,针对 802.11b 讯号定义 66 MHz 遮罩;并还有数个范例可用於客制间隔。举例来说,检验工程师可能需要 100 MHz 的间隔,以检查调变讯号之外的混附讯号 (Spur)。更进一步来说,工程师亦可能对 802.11b 讯号仅使用 44 MHz 间隔,以缩短量测时间。

对数位 IF 分析器与传统的扫频 (Swept-tune) 分析器而言,若量测间隔较宽,其所需的量测时间亦较长。若使用传统的扫频分析器,则量测时间与间隔将呈现线性关S。如此一来,若将 100 kHz RBW 滤波器以所需间隔进行扫频,而量测时间将与量测间隔构成线性关S。但若透过向量讯号分析器 (如 NI PXI-5661 与 NI PXIe-5663),则其结果将有些许不同。与向量讯号分析器的瞬间频宽 (Instantaneous bandwidth) 相较,频谱量测作业的即时频宽较橄琳,因此不需重新微调 (Re-tune) 仪器的 RF 前端,亦可完成量测作业。

举例来说,NI PXIe-5663 RF 向量讯号分析器若提供 50 MHz 的瞬间频宽。则使用者不需耗费大量时间重新调整仪器的前端,亦可执行低於 50 MHz 间隔的频谱量测作业。图 5 即使用 NI PXIe-8106 控制器执行频谱量测作业,范围限定於 3 ~ 12.5 ms,仅针对间隔进行变化。

图 5. 使用 NI PXIe-8106 Controller 控制器的WLAN 802.11a/g 遮罩对间隔 (NI RFSA 2.2 或更高版本)

在 50 MHz 与 100 MHz 之间的间隔中,则必须针对分析器的 RF 前端重新进行 1 次微调。因此,若搭配 PCU 所需的额外讯号处理作业,则分析器前端的重新微调作业将提升整体量测时间。透过图 5 可发现,66 MHz 的间隔 (完整的 802.11a/g 遮罩) 必须耗费约 12.5 ms 的时间。如此一来,所增加的额外时间则楸径苏鸨U器 (Local oscillator,LO) 的趋稳时间,而非作业处理时间。

请注意,此与 EVM 量测相似的是:使用者必须考虑量测时间与平均次数之间的关S。由於平均作业可针对杂讯水平 (Noise floor) 提供合理的解释,因此工程师往往会执行多次平均。在图 6 中,则可观察单次平均与 100 次平均的频谱遮罩量测 (66 MHz 间隔) 作业。

图 6. 针对频谱遮罩量测作业,平均 (Averaging) 可降低量测的不确定性。

因此,量测频宽与平均次数,均将影响频谱遮罩量测的整体速度。一般来说,仅有 RF 前端必须进行微调之时,量测频宽对量测时间的影响较大。而另 1 方面来说,平均次数则与量测时间成线性相关。

以子酶叽理器资源量测之一的 802.11b 频谱遮罩量测 (44 MHz 间隔) 槔。图 7 则显示量测时间与平均次数之间的线性关S。

图 7. 使用不同 CPU 时的 802.11b 频谱遮罩时间对平均次数

更进一步来说,CPU 量测时间与 CPU 的关S极槊芮小T诖颂跫下,具备较高运算功能的 CPU (如 NI PXIe-8106),将可大幅缩短量测时间。

平衡要素 5 – CPU 对量测时间的影响

可大幅影响 WLAN 讯号量测时间的第五项要素,即榱坎庀低乘使用的 CPU。CPU 槿硖宥ㄒ PXI 量测系统中的基本核心要件之一。CPU 效能亦往往是影响量测效能最的单一因素,对 RF 量测尤槿绱恕;购茫使用者已可透过现有的多核心 CPU 搭配 WLAN 分析 (Analysis) 工具组,获得极高的工业级量测结果。

虽然实际系统效能仍受其他多项因素所影响 (如记忆体空间或其他背景执行的应用),但在自动化测试系统中,CPU 效能与量测时间的关S仍密不可分。表 6 则是以 PXI 控制器榛础,显示相关比较结果。

表 6. 多款 PXI Express 控制器的重要规格

多项 CPU 特性均可影响整体的量测速度。其中影响最大的,包含处理核心数量、CPU 时脉、前端R流排、L2 快取尺寸,与系统记忆体。

图 8 则显示时间与丛集资料传输率之间的关S,还有 CPU 对 EVM量测时间的影响。如图所示,NI PXIe-8106 双核心控制器在所有资料传输率之下,均可执行较快的 EVM 量测作业。

图 8. 较快的 CPU 即可缩短量测时间

虽然 PXIe-8106 可跨所有资料传输率达到较高速度,但请注意,其时脉并非所有控制器中的最高时脉。虽然 NI PXIe-8130 所使用的 AMD CPU 时脉,高於 the NI PXIe-8106 的时脉,但由於其 L2 快取尺寸较小,因此影响了运算速度。NI PXIe-8106 所使用的 Intel Core 2 Duo T7400 CPU,则具备此取样组合中最大的 L2 快取 (4 MB)。

结论

如上表格与图示所述,有多项因素可影响 WLAN 讯号的整体量测时间。因此,若要将量测系统的速度发挥到极致,则必须仔细考虑相关设定,包含平均次数、所要量测的符码,与量测间隔 (频谱)。更进一步来看,虽然使用者可调整多项量测设定以缩短量测时间,却亦需要考量可能连带影响的可重复性、精确度,或量测的完整性,进而取得平衡。因此,若不要牺牲量测品质又要能提升测试传输量,则最简单的方法莫过於使用高速 CPU。而软体定义架构 PXI 测试系统的重要优势之一,即是能让使用者选择所需的 CPU。除了可大幅提升量测速度之外,PXI 系统亦可进行高度的客制化。因此,使用者可享有未来升级处理器的弹性,以达到更快的量测速度。



关键词: WLANy系y 量y速度

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