配置软件定义的WLAN测试系统

2016-10-06 12:49:44来源: eefocus

1. WLAN物理层介绍

WLAN标准是根据IEEE 802.11工作小组所定义并维护的,其中包含芯片制造商和接入点制造商。 此团队已经定义了多个802.11标准 – 从802.11a到802.11z均囊括在内。 然而,对WLAN设备而言,最常见的协议为IEEE 802.11a、b、g,与n。

在1999年,工作团队为WLAN设定了802.11a与802.11b标准。 若将IEEE 802.11a标准设定为5 GHz的未授权工业、科学与医疗(ISM)频带,则可达到最高54 Mb/s的传输率。 相对来说,IEEE 802.11b标准则可于2.4 GHz ISM频带上达到最高11 Mb/s的信息传输率。 2003年发布的IEEE 802.11g,也可在2.4 GHz的ISM频带达到最高54 Mb/s的数据传输率。 IEEE 802.11n为目前最新的版本,其中整合如多重输入/输出(MIMO)与并行通道的功能,可于2.4与5 GHz频带中达到300 Mb/s的数据传输率。

WLAN所使用的2组基本传输构架,分別为直接序列展频(DSSS)与正交频多分工(OFDM)。 此外,其内在的调制架构包含CCK,以及BPSK与64-QAM等正交架构。 表1即为使用特定传输构架与调制类型的标准。



表1. 多个802.11版本所使用的传输构架与调制类型

 

 
与WiMAX(IEEE 802.16d/e)和3GPP长期演进技术(LTE)的OFDM构架标准不同,WLAN的OFDM信号中,所有子载波均使用相同的调制架构。 因此对IEEE 802.11a/g信号而言,调制构架可直接影响最大传输率,与特定信号的编码速率。 表2呈现了此关系。

 

表 2. 数据传输率、编码速率,与突发间隔时间的关系

在表2中如54 Mb/s的高信号传输率,则必须使用如64-QAM的高位调制构架。 更进一步来说,1024数据比特的标准突发间隔,将大幅高于低位的调制构架。 当要提升测试系统的测量速度时,必须先了解较长突发间隔与较长测量时间的关系。 一般来说,当在单一突发上执行误差矢量幅度(EVM)测量时,若能使仪器设定仅采集所需的测量资料,即可加快测量速度。 举例来说,当测量64-QAM突发时,若将采集时间长度设定为200 µs,则其测量速度可高于10 ms或以上的时间长度。

2. 射频虚拟仪器概述

只要通过NI软件定义的WLAN测试,即可选择多款仪器来测试WLAN设备。 本技术白皮书概述了虚拟PXI测量系统的构架,从而说明传统仪器和虚拟仪器之间的差异。

PXI仪器整合高性能的多核心控制器、高速 PCI/PCI Express数据总线,与经优化的测量算法,可达到业内首屈一指的测量速度。 WLAN测量所使用的软件即为NI WLAN测量套件,其中包含NI WLAN分析与WLAN生成工具包。 推荐使用的NI硬件有NI PXIe-5663矢量信号分析仪与NI PXIe-5673矢量信号生成器。 NI PXIe-5663可进行10 MHz至6.6 GHz的信号分析,并可达最高50 MHz的瞬间频宽。 NI PXIe-5673则可产生85 MHz至6.6 GHz的信号,并达到最高100 MHz的瞬间频宽。 其中任1组仪器均可搭配其他生成器或分析器,以执行相位相干测量。 图1则为常见的WLAN设备测试系统设定,并具备矢量信号生成器与矢量信号分析仪。

 

图1. 进行WLAN测量的PXI系统

软件定义的仪器,特別适用于自动化测试应用。 从构架上来说,PXI模块化仪器与传统仪器的主要差异,即为其处理核心。 虽然这两组系统使用多个相似的组件,但其主要区别在于PXI系统可使用高性能的多核心中央处理单元(CPU)。 图2即为具备多个相同核心组件的传统与PXI仪器,包含记忆体、高动态范围的模数转化器与高性能射频前端。


图2. 用户定义的CPU是PXI射频仪器的必要组件。

PXI模块化仪器的多核心CPU,可达到极佳的信号处理能力。 因此,与传统仪器相比,多款基于PXI测量系统的速度已大幅提升。 一般来说,来自Intel与AMD等芯片制造商的CPU效能均遵循摩尔定律持续成长。 因此,当制造商发布新款处理器时,用户仅需升级PXI系统的控制器即可。 针对现有的测试系统,仅需花费部分组件的成本,即可大幅提升测量速度。

软件定义仪器的第二个优势,既为可在单一硬件平台上测试多种无线标准。 此项优点特别适用于多标准的消费者产品,或系统单芯片的设备。在过去,受测设备包含GPS接收器、WLAN无线电与FM收音机,工程师因此必须购买数款专用的仪器。 而通过软件定义的仪器,仅需整合常见硬件并使用专属的软件工具包,即可测试所有标准。 图3即为此概念。

 

 

图3. 软件定义的仪器构架

图3中,可使用通用的射频前端(生成器或分析仪均可) 搭配基于Windows的CPU,即可建立软件定义的仪器。 通过NI的软件定义射频仪器,即可测试WLAN、GPS、GSM/EDGE/WCDMA、WiMAXTM、BluetoothTM、DVB-T/ATSC/ISDB-T、FM/RDS/IBOC以及其他无线标准。 

3. NI WLAN测量套件介绍

现有PXI仪器的软件定义特性中,如NI WLAN测量套件与相关软件的组合,均为测量系统的必要组件。 WLAN测量套件包含NI WLAN生成工具包与NI WLAN分析工具包。 这两个工具包均包含LabVIEW的API、 LabWindows™/CVI,与ANSI C/C++,且均可搭配PXI射频矢量信号生成器与分析仪使用。 针对高层操作,WLAN生成工具包可用于建立IEEE 802.11a/b/g信号。 WLAN分析工具包,则可通过矢量信号分析仪所采集的信号,进一步提供测量结果。 图4为此测量方式的程序框图

 

图4. WLAN测试系统的构架

无论是使用属性节点或用于编程的API,均可进行特殊标准、数据传输率、突发间隔与载波频率等设置。 图5与图6即是通过属性节点或用于编程的API,以调整常用设置。


图5. 以LabVIEW属性节点设定WLAN测量

 


图6.以LabVIEW用于编程的API设定WLAN测量

 

图6a. 以LabWindows™/CVI用于编程的API设定WLAN测量

 

其入门范例程序,是专为自动化测量应用所设计的。 若要进行更多互动式测量,则可使用如图7所示的近似LabVIEW或LabWindows™/CVI展示面板。

图7. WLAN测量的LabVIEW展示面板

图7为频域中的基本802.11g频谱遮罩。 请注意,下列章节叙述的所有测量,均是通过此范例执行的。 

4. 常见的WLAN测量

在进行任何WLAN组件或无线电的特性描述时,所需的特定测量往往取决于该被测设备。 举例来说,若要了解功率放大器的特性参数,则必须整合EVM与三阶交互调变(IM3)测量,以进行非线性化的特性描述。 然而,由于载波偏移测量属于射频信号生成器的功能,因此其重要性较低。 表3所列的是部分常见的WLAN测量。 如表3所示,若下列章节提及相关附属测量,则可使用WLAN分析工具包执行多种测量。

表3. 以WLAN分析工具包所执行的测量

5. 传输功率

WLAN测量的重点之一,即为传输功率。 目前有多种方法可测量功率,且不同的功率测量均需要不同的WLAN标准。 当进行802.11a/g传输器的特性描述时,WLAN测量系统可同时产生峰值功率与平均功率的结果。 针对802.11b设备,常见的测量系统也可提供功率的波升与波降次数。 请注意,虽然峰值功率计为功率测量的有效工具,但若要测量信号的平均功率,仍是射频矢量信号分析仪的速度最快。 而当传输器设定为输出连续调制载波时,则平均功率计仅可测量功率。

在以射频矢量信号分析仪测量功率时,将通过所触发的突发计算其结果。 如此一来,即可通过完整突发或突发的特定部分,测得平均功率。 通过WLAN分析工具包,即可设定闸控功率测量;以用户定义的开始与停止时间为基准,测量其中的平均功率。 此外如图8所示,也可使用工具包回传IEEE 802.11a/g信号的功率对时间轨迹。

 


图8.功率对时间轨迹中的训练序列、信道估计与数据。

               
图8中的功率对时间轨迹常做为调试工具,可确保突发的各个部分 – 从训练序列到OFDM符号 – 均确保传输的进行。

6. 误差矢量幅度

由于EVM可找出多种减损所造成的误差,包含正交偏移、IQ增益失衡、相位噪声,与非线性失真,因此是最重要的测量之一。 针对调制过的信号,EVM将比较信号预期与实际的相位/强度。 如图9所示,NI WLAN分析工具包,即将误差矢量|E|乘以强度矢量|V|,以得出该值。

 

 
图9. EVM Measurement的图形化表示

一般来说,用户可指定百分比(%)或分贝(dB)为EVM单位。 然而,IEEE 802.11a/g测量的EVM是以分贝为单位;IEEE 802.11b的EVM是以百分比为单位。 等式1则说明转换这2种单位的方法。

等式1. 分贝与百分比转换

 
举例来说,1%的EVM等于-40 dB;而5%的EVM等于-26 dB。 测量完整突发的EVM时,仪器往往呈现均方根(RMS)的EVM结果。 针对OFDM信号,将跨所有子载波与符号得出EVM并作为RMS结果。 针对DSSS信号,则是跨所有切片得出RMS。

在许多范例中,几乎可通过星座图检视所有的EVM性能。 星座图可显示各个符号的相位与强度,让用户找出特定的正交减损。 图10即为64-QAM的星座图。

图10. EVM Measurement的图形化表示

               

如图10所示,-46 dB的EVM等于0.5%。 使用的是NI PXIe-5673射频矢量信号生成器与NI PXIe-5663射频矢量信号分析仪,并设定为回送模式。 此2组仪器均设定为2.412 GHz的中央频率,与-10 dBm的射频功率强度。 因此在这些设定之下,仪器均达相同的-46 dB EVM。 另请注意,图10中的WLAN分析工具包可平行执行所有的时域测量。 通过复合式的测量,即可得出EVM、载波偏移,与载波泄漏;还有如IQ增益失衡与正交偏移等正交减损现象。

7. 频谱遮罩测量

频谱遮罩可进行传输器的非线性特性描述。 一般来说,频谱图可做为诊断工具,以确定分析中的信号是否产生失真现象。 由于频谱遮罩测量属于Pass/Fail的测试,因此其结果即构成频谱遮罩边际;此边际是以dB为单位,即是所测得实际信号与遮罩之间的功率差异。 图11即为802.11b信号的频谱遮罩测量。


图11. 802.11b信号的频谱遮罩

IEEE 802.11b信号与IEEE 802.11a/g信号实际使用不同的频谱遮罩。 图12即为OFDM 802.11a/g信号的遮罩。

               

图12. 802.11a/g 信号的频谱遮罩

请注意,频谱遮罩也可描述多种信号特性。 举例来说,传输器的非线性特性,则可让信号边带达到遮罩的限度。 此外,未妥善设定的边带信号,也可与DFDM信号上构成多余的边带。

8. 结论

如本文所述,用户可通过软件工具包设定多种WLAN测量。 事实上,WLAN测量套件针对IEEE 802.11a/b/g测量,提供了生成与分析功能。 通过LabVIEW、LabWindows/CVI,甚至 .NET等应用编程环境,即可设定PXI射频矢量信号生成器与分析仪,以迅速并轻松测试WLAN产品。 虽然这些软件定义的仪器可测试WLAN与其他多款无线标准,但此方式的主要优点之一是其测试速度。

关键字:软件定义  WLAN  测试系统

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/article_2016100617564.html
本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。
论坛活动 E手掌握
微信扫一扫加关注
论坛活动 E手掌握
芯片资讯 锐利解读
微信扫一扫加关注
芯片资讯 锐利解读
推荐阅读
全部
软件定义
WLAN
测试系统

小广播

独家专题更多

富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
馆内包含了 纵览FRAM、独立FRAM存储器专区、FRAM内置LSI专区三大部分内容。 
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
 
带你走进LED王国——Microchip LED应用专题
带你走进LED王国——Microchip LED应用专题
 
电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2016 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved