WiFi信令測試在研發(fā)階段的作用

1、關(guān)于信令測試的故事

在WiFi大規(guī)模應(yīng)用前，多數(shù)WiFi產(chǎn)品在開發(fā)階段采用直接嵌入WiFi模塊的方式來實現(xiàn)WiFi功能，甚至WiFi芯片廠家也僅粗略測量一下芯片性能即生產(chǎn)出廠。但是，隨著WiFi網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模覆蓋和應(yīng)用，對WiFi產(chǎn)品的性能要求越來越高，因此測試WiFi射頻指標(biāo)的要求應(yīng)運(yùn)而生。

在業(yè)界，許多設(shè)計公司、測試實驗室、工廠采用非信令方式來測試WiFi產(chǎn)品，這在生產(chǎn)階段是合適的，但是在研發(fā)階段是否足夠?這里卻有著一個有趣的信令測試的故事。

2016年的某天，某著名網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品公司技術(shù)負(fù)責(zé)人致電尋求技術(shù)支持：我們的無線路由器遇到了一個困惑：我們某款路由器應(yīng)用于實際WiFi網(wǎng)絡(luò)中時，WiFi終端接入非常困難。但是我們使用測試工具檢測此路由器，它的所有物理射頻指標(biāo)都非常優(yōu)異。不知道是為什么?

我來到了測試現(xiàn)場看到：WiFi路由器受控于芯片公司的測試工具，其WiFi發(fā)射機(jī)指標(biāo)在非信令測試儀上顯示：無論功率、EVM還是頻譜等指標(biāo)都是正常的。這到底是什么原因?qū)е耊iFi終端接入困難呢?

我們想到了使用信令綜測儀模擬現(xiàn)實網(wǎng)絡(luò)以驗證情況。結(jié)果有了新的發(fā)現(xiàn)：在信令模式下，WiFi路由器的發(fā)射機(jī)指標(biāo)顯示不再正常：符號時鐘嚴(yán)重失鎖(Symbol Clock Error)。我們迅速更換了基帶電路的鎖相環(huán)，問題得以順利解決。

這，又是為什么呢?

2、信令測試原理及其獨(dú)特的作用

• 首先，我們先了解信令測試與非信令測試的機(jī)理

信令測試(Signaling measurement)。

WiFi的信令測試是指模擬現(xiàn)實網(wǎng)絡(luò)的呼叫連接，通過AP與Station相互握手消息交互完成信號連接，儀器扮演Station或AP角色來完成與被測件的無線連接，并測試被測件的無線性能指標(biāo)的測試。

非信令測試.(No Signaling measurement)

通過進(jìn)入WiFi芯片的工廠測試模式，直接控制射頻模塊發(fā)送指定功率、指定頻率或控制芯片接收指定數(shù)據(jù)包，儀表直接測量被測件的物理層射頻指標(biāo)，沒有MAC層以上的協(xié)議交互。

• 接著，我們了解WiFi信令連接過程中的同步機(jī)理

我們知道，無線信號傳輸有兩種方式：

一種是廣播方式，信號持續(xù)發(fā)射，因此同步可以通過長時間的跟蹤比對來實現(xiàn)，此方式比較容易實現(xiàn)同步，如移動通信的LTE、WCDMA等通訊技術(shù);

另外一種是包交換方式，信號為單幀發(fā)射，需要在短時間秒內(nèi)準(zhǔn)確地捕捉到數(shù)據(jù)包的邊界，從而完成準(zhǔn)確的同步，如WiFi的通訊技術(shù)。

因此，在WiFi連接中，對同步的要求是較高的。

總的來說，WiFi的同步過程包括三大部分：時間估計、頻率同步、信道估計。我們逐一分析如下：

時間估計

圖1、時間估計

· 包同步

首先我們介紹包同步。包同步是時間同步的第一步，完成對傳輸包邊沿的大致估計。

當(dāng) 的值高于指定門限時，判斷為此時數(shù)據(jù)包發(fā)送，否則，斷定無數(shù)據(jù)發(fā)送，從而獲得數(shù)據(jù)包的邊界。

(公式一)

a) 接收信號電平rn,當(dāng)輸入信號為噪聲時rn=mn， 處于較低電平。當(dāng)有信號輸入時，將會有一個迅速上升的上升沿，由此得到信號邊沿。但是，由于無法定義準(zhǔn)確合適門限，導(dǎo)致觸發(fā)可能會偏早或偏遲。因此此種方法判斷信號邊沿將會導(dǎo)致一定的誤差。這只是時間邊界的初步估計。

圖2、接收電平強(qiáng)度檢測

b) 第二步，為進(jìn)一步提高準(zhǔn)確度：采用雙滑動窗口，mn為兩個窗口信號累計的比值，這樣的好處是信號到來時也會出現(xiàn)明顯的凸起，且與輸入信號的絕對功率無關(guān)，這樣上升沿?zé)o需糾結(jié)門限高低，它都會輸出一個較實時陡峭觸發(fā)，由此可輕易地大致捕捉到傳輸數(shù)據(jù)包的邊沿。這就是雙滑動窗捕捉。

圖3、雙滑動窗捕捉原理

c) 實際上通過第二步算法來捕捉時間邊沿仍然不夠精確，因此會在第三步采用試探針包捕捉來完成精確的時間估計。通過發(fā)送圖四結(jié)構(gòu)的自相關(guān)性非常好的短、長訓(xùn)練序列及包含時延的邏輯電路運(yùn)算完成準(zhǔn)確無誤的時間同步。

圖4、WiFi的試探針結(jié)構(gòu)

圖5、雙滑動窗及時延相關(guān)檢測的實現(xiàn)方式

d) 從上面的實現(xiàn)方法可以知道：包同步的實現(xiàn)是通過對信號的AD轉(zhuǎn)換、累計、時延、比對和運(yùn)算完成的，由基帶部分判別完成。如果基帶部分出現(xiàn)延遲、或運(yùn)算錯誤，將會導(dǎo)致時間邊界的判斷誤差增大甚至無法還原。非信令測試只會對產(chǎn)品的射頻部分的無線物理指標(biāo)驗證，不涉及基帶。而由于信令測試需要完成協(xié)議交互、編解碼，必須通過基帶部分實現(xiàn)，因此，信令測試可以對基帶部分實現(xiàn)的時間估計性能進(jìn)行量化測試。因此，對于研發(fā)、測試部門來說，信令測試是有較好的驗證作用的。

· 采樣時鐘鎖定

我們知道，當(dāng)WiFi的OFDM信號采樣時鐘出現(xiàn)偏差的時候，會出現(xiàn)兩種后果：

a) 采樣到的符號(symbol)在規(guī)定時間點(diǎn)出現(xiàn)細(xì)微抖動，即信號的相位將出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，達(dá)到一定程度時，將無法恢復(fù)信號;

b) 由于采樣時鐘的偏差，導(dǎo)致符號間干擾(ISI)，進(jìn)而導(dǎo)致信號的SNR變差。

推理如下：

采樣時鐘誤差：

(公式二)

受影響的信噪比：

(公式三)

由此導(dǎo)致的相位偏差為：

(公式四)

因此，需要采用鎖相環(huán)+壓控晶振或固定頻點(diǎn)晶振來完成對頻率誤差的糾正：

圖6、采用鎖相環(huán)+壓控晶振或固定頻點(diǎn)晶振來完成對頻率誤差的糾正

c) 當(dāng)AP或Station的晶振出現(xiàn)問題的時候，將會出現(xiàn)采樣頻率失鎖問題。我們看到，這一部分也是在基帶部分來完成的。如果僅僅采用非信令的方式測量AP或Station，那只是測量AP、Station的射頻部分，采樣時鐘失鎖是無法檢測到的。

· 頻率同步

在WiFi同步過程中，與時間同步一樣，頻率同步也同樣地重要。

因為我們知道，WiFi技術(shù)中，特別是采用OFDM技術(shù)的802.11n, AC等制式對頻率錯誤非常敏感。

頻率錯誤會直接導(dǎo)致導(dǎo)致信號的SNR惡化：

(公式五)

引起頻率誤差的原因主要為來自：相鄰子載波的干擾(ICI)及各子載波的功率回退。相鄰子載波的ICI導(dǎo)致SNR變差容易理解，而各子載波功率回退導(dǎo)致的頻率誤差需要解釋一下：

OFDM采用的是各正交子載波的功率峰值處傳送數(shù)據(jù)，如果在正交頻點(diǎn)處功率出現(xiàn)回退，意味著峰值不在正交頻率處出現(xiàn)，解調(diào)數(shù)據(jù)時將在子載波頻率附近尋找峰值獲得承載數(shù)據(jù)，也就意味著當(dāng)子載波功率峰值出現(xiàn)偏移，即峰值對應(yīng)的頻率出現(xiàn)偏移，不再正交，即出現(xiàn)所謂的“頻率誤差”。嚴(yán)重者將導(dǎo)致錯誤解調(diào)傳輸數(shù)據(jù)甚至無法解調(diào)。

我們知道：OFDM的子載波實現(xiàn)是通過基帶的FFT+串并轉(zhuǎn)換實現(xiàn)的，因此，基帶運(yùn)算的準(zhǔn)確與否以及基帶電路是否出現(xiàn)異常，都會直接影響信號的FFT變換的準(zhǔn)確性和精度，進(jìn)而影響頻率誤差大小，進(jìn)而影響信號的SNR。

圖7、OFDM的子載波實現(xiàn)方法

· 信道估計

最后，在實現(xiàn)了時間同步、頻率同步后，進(jìn)入信道估計，由此保證數(shù)據(jù)得到正確解調(diào)。

見圖四，C1、C2即是為試探針用于信道估計部分信息。填寫的是相關(guān)性非常好的長訓(xùn)練序列碼字。

我們定義一路接收信號為R、傳輸矩陣為H，訓(xùn)練序列為X，噪聲為W，因此：

(公式六)

這樣，信道估計矩陣可以通過兩路(假設(shè)信號為兩路信號，實際可能為多路，同理)，則通過兩路接收信號分別與相應(yīng)的訓(xùn)練序列相乘，即可還原出原來的信號出來：

(公式七)

由此，我們看到：通過測試信號試探針里的C1、C2部分，可完成對傳輸信道模型的估計，得到準(zhǔn)確的傳輸模型，完成對接收信號解調(diào)。

我們看到：在這個信道估計的過程中，試探針的C1、C2解調(diào)(相乘)，也是在基帶完成的。如果此基帶部分出現(xiàn)問題，將導(dǎo)致信道估計失常、無法解析數(shù)據(jù)。

3、回顧

當(dāng)我們清晰地理解了WiFi時間同步、頻率同步、信道估計的實現(xiàn)機(jī)理的時候，我們回過頭來對文章開頭的信令測試故事做一個回顧：

在現(xiàn)實網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)WiFi的OFDM信號采樣時鐘出現(xiàn)偏差的時候，會出現(xiàn)兩種后果：

· 采樣到的符號(symbol)在規(guī)定時間點(diǎn)出現(xiàn)細(xì)微抖動，即信號的相位將出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，達(dá)到一定程度時，將無法恢復(fù)信號;

· 由于采樣時鐘的偏差，導(dǎo)致符號間干擾(ISI)，進(jìn)而導(dǎo)致信號的SNR變差：

但是，非信令測試卻無法發(fā)現(xiàn)符號時鐘失鎖(Symbol Clock Error)。因為當(dāng)非信令測試的時候，工具直接通過工廠測試模式直接控制射頻前端輸出指定頻率、指定功率的射頻無基帶信息承載的物理層信號，工具根本沒有啟用管理采樣時鐘同步、符號同步的基帶部分，只是通過射頻觸發(fā)方式完成同步測量。因此無法驗證基帶部分是否工作正常，結(jié)果導(dǎo)致上例的“在現(xiàn)實網(wǎng)絡(luò)服務(wù)中WiFi終端接入困難”問題無法在出廠前被發(fā)現(xiàn)。但如果采用信令綜測儀就能發(fā)現(xiàn)這一問題。

其實，它就是由于基帶電路的鎖相環(huán)出現(xiàn)問題，導(dǎo)致采樣時鐘偏差，進(jìn)而導(dǎo)致采樣符號相位反轉(zhuǎn)、因此符號抖動，嚴(yán)重者導(dǎo)致解析錯誤。同時，也導(dǎo)致符號間串?dāng)_嚴(yán)重，最后導(dǎo)致路由器錯誤、甚至無法解析接入信號，接入申請無法識別，結(jié)果當(dāng)然就是——接入困難甚至無法接入。

當(dāng)我們更換了鎖相環(huán)后，問題迎刃而解。此處，信令測試體現(xiàn)出了它獨(dú)特的作用。

4、結(jié)論

由上描述可知：WiFi的同步分為三大部分：時間同步、頻率同步、信道估計。時間同步獲得數(shù)據(jù)包的時間邊界;頻率同步用于糾正頻率誤差，獲得準(zhǔn)確的與通訊方一致頻率;信道估計可以通過解調(diào)試探針方式獲得準(zhǔn)確的信道估計模型，從而保證順利解調(diào)信號。這個從“信號接收電平強(qiáng)度檢測”到“確定信號傳輸模型”的同步過程中，任何一步的缺失，都會可能導(dǎo)致較差的EVM，或者惡化的SNR，或者直接導(dǎo)致無法解調(diào)信號。因此，在產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計、測試階段，如果使用信令測試方式，就能確認(rèn)產(chǎn)品的基帶部分、射頻部分是否正常工作，無線性能是否達(dá)到規(guī)范要求。

信令測試可能會發(fā)現(xiàn)某些非信令測試無法發(fā)現(xiàn)的被測件基帶部分存在的問題，為我們解決問題提供有益的原始數(shù)據(jù)。建議使用R&S公司獨(dú)有的CMW270 WiFi信令測試方案，其方案除了可以驗證的WiFi AP或Station產(chǎn)品(包括基帶、射頻部分)是否符合Wlan無線規(guī)范測試要求外，甚至還可以測試LTE與WiFi共存情況下的相互影響關(guān)系。

圖8、R&S公司CMW270 WiFi信令測試方案