提升WLAN測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)量速度

由于業(yè)界正在不斷尋求更低的測(cè)試成本，許多RF測(cè)試工程師必須繼續(xù)地縮短測(cè)量時(shí)間。如你所知，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)（WLAN）裝置的測(cè)試操作也必須要迎合這個(gè)趨勢(shì)。無(wú)論是用于設(shè)計(jì)檢驗(yàn)的自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)或者是最終產(chǎn)品的測(cè)試操作，測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)量速度已經(jīng)變得越來(lái)越重要。然而，在大多數(shù)情況下，除了縮短測(cè)試的時(shí)間并降低測(cè)試成本之外，系統(tǒng)的測(cè)量精度與可重復(fù)性卻不能受到影響。這篇技術(shù)文章將針對(duì)WLAN測(cè)量操作，說(shuō)明可能影響測(cè)量速度的多個(gè)權(quán)衡要素。在了解了相關(guān)概念之后，還將針對(duì)提供測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)量速度，提供更好的實(shí)踐說(shuō)明。本技術(shù)文章將按照順序?qū)ο铝幸剡M(jìn)行說(shuō)明：平均度與可重復(fù)性；完整脈沖與部分脈沖的EVM；復(fù)合測(cè)量與單一測(cè)量；測(cè)量頻跨與測(cè)量時(shí)間，最后是CPU與測(cè)量時(shí)間的關(guān)系。針對(duì)上述相關(guān)的要素，本技術(shù)文章將通過(guò)NI PXIe-5663 -- 6.6 GHz RF矢量信號(hào)分析儀來(lái)進(jìn)行范例測(cè)量操作。這些實(shí)例使用NI PXIe-5673 -- 6.6 GHz RF矢量信號(hào)發(fā)生器作為激勵(lì)。而且所有的范例都使用了NI WLAN測(cè)量套件（Measurement Suite），其中包括NI LabVIEW與LabWindows™/CVI的信號(hào)產(chǎn)生與分析工具包來(lái)搭建測(cè)量平臺(tái)。若要進(jìn)一步了解應(yīng)該如何設(shè)置PXI WLAN測(cè)試系統(tǒng)，可以參閱配置軟件定義的WLAN測(cè)試系統(tǒng)。雖然這篇技術(shù)文章著重于PXI RF儀器的操作，但相同的基本測(cè)量要素也可能通用于任何RF儀器。因此，無(wú)論是PXI儀器與傳統(tǒng)的RF儀器，都可以通過(guò)這篇技術(shù)文件來(lái)提高相關(guān)的性能。

1. 權(quán)衡要素1 – 平均度與可重復(fù)性
無(wú)論是自動(dòng)化設(shè)計(jì)檢驗(yàn)還是生產(chǎn)測(cè)試方面的應(yīng)用，提升測(cè)量結(jié)果可重復(fù)性的常見(jiàn)技術(shù)，就是平均多次測(cè)量的結(jié)果。然而，如果要設(shè)定大量的平均值來(lái)提高測(cè)量結(jié)果的可重復(fù)性，將會(huì)增加測(cè)量的時(shí)間，一般來(lái)說(shuō)，總體的測(cè)量時(shí)間可以通過(guò)平均值的次數(shù)而進(jìn)行線性的調(diào)整。因此，如果單一測(cè)量操作需要用時(shí)20ms，那么相同的測(cè)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(lái)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(cè)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(duì)可重復(fù)性的影響，就可以使用NI PXIe-5673 RF矢量信號(hào)發(fā)生器與NI PXIe-5663 RF矢量信號(hào)分析儀來(lái)執(zhí)行環(huán)回測(cè)試。通過(guò)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(hào)。同樣的，使用4種不同信號(hào)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(duì)測(cè)量時(shí)間的影響。如果使用1024位的有效載荷，那么每種信號(hào)類型都將具有不同數(shù)量的OFDM符號(hào)。舉例來(lái)說(shuō)，BPSK脈沖將具有343個(gè)符號(hào)，而64-QAM脈沖將使用39個(gè)符號(hào)。因此，每種信號(hào)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1 802.11a/g可變數(shù)據(jù)傳輸率的調(diào)制方式，脈沖間隔以及符號(hào)數(shù)

誤差矢量強(qiáng)度（EVM）測(cè)量操作可以提供完整的信號(hào)調(diào)制質(zhì)量。在EVM測(cè)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(duì)IEEE802.11a/g脈沖，測(cè)量的結(jié)果將覆蓋各個(gè)OFDM子載波與符號(hào)。以EVM的均方根（RMS）表示。根據(jù)表1來(lái)看，應(yīng)該可以直接看出脈沖中的符號(hào)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(guò)54Mbps脈沖的可重復(fù)測(cè)量操作。從而可以得知較長(zhǎng)脈沖也具有較多的符號(hào)。但是，僅當(dāng)EVM是通過(guò)完整脈沖（而非特定部分脈沖）表現(xiàn)為RMS時(shí)，上述的假說(shuō)才是成立的。權(quán)衡要素2將針對(duì)部分脈沖進(jìn)行分析，說(shuō)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(zhǎng)脈沖的測(cè)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(cè)量標(biāo)準(zhǔn)偏差之間的關(guān)系。這些測(cè)量操作都是通過(guò)NI PXIe-5673 RF矢量信號(hào)發(fā)生器和NI PXIe-5663 RF矢量信號(hào)分析儀來(lái)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(cè)量平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差

圖1展示了當(dāng)每次測(cè)量操作所使用的平均次數(shù)增加的時(shí)候，1000次EVM測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)偏差將隨之降低。請(qǐng)注意，由于 圖1 所使用的信號(hào)源是RF矢量信號(hào)發(fā)生器- 專門為了產(chǎn)生可重復(fù)的信號(hào)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(qǐng)注意，只有以絕對(duì)測(cè)量值（Absolute measurement value）表示的測(cè)量其可重復(fù)性才有意義。一般來(lái)說(shuō)，只要測(cè)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(cè)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(duì)的一致性

表2 顯示，無(wú)論調(diào)制方式的不同所測(cè)得EVM將趁于一致，然而，這也表示使用者可以通過(guò)較長(zhǎng)的脈沖來(lái)獲得較好的標(biāo)準(zhǔn)偏差。當(dāng)然也將需要測(cè)量更多的符號(hào)。舉例來(lái)說(shuō)，如果進(jìn)行10次平均就可以在64-QAM信號(hào)上達(dá)到0.081dB的標(biāo)準(zhǔn)偏差，那么當(dāng)測(cè)量BPSK信號(hào)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(lái)說(shuō)，只需要花費(fèi)較長(zhǎng)的測(cè)量時(shí)間，就可以通過(guò)平均操作來(lái)達(dá)到較低的標(biāo)準(zhǔn)偏差結(jié)果。表3就以54Mbps脈沖來(lái)說(shuō)明了這種關(guān)系，請(qǐng)注意，表3的測(cè)量時(shí)間包含 了門控功率和EVM測(cè)量操作。

表 3. 測(cè)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(hào)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(cè)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(guò)1000次的測(cè)量操作所計(jì)算得出的。表3則說(shuō)明，測(cè)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(duì)多次平均進(jìn)行測(cè)量操作。另外，還請(qǐng)注意表3所列出的單次平均的EVM與功率測(cè)量將花費(fèi)9.4ms，但如果將平均次數(shù)設(shè)定在10次，測(cè)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(cè)量時(shí)，就可以在某些情況下獲得較快的EVM測(cè)量。按照默認(rèn)值來(lái)處理，NI WLAN分析工具包將執(zhí)行OFDM EVM測(cè)量來(lái)作為整個(gè)脈沖序列中所有子載波中每個(gè)符號(hào)的RMS。同樣的，NI WLAN分析工具包將802.11b DSSS EVM測(cè)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(cè)量脈沖的第一部分，那么不僅可以得到可重復(fù)的測(cè)量并節(jié)約測(cè)量時(shí)間。在這樣的情況下，您可以通過(guò)編程來(lái)配置運(yùn)算EVM所需要的符號(hào)數(shù)目或者片段數(shù)。

為了說(shuō)明部分脈沖分析的影響，我們可以通過(guò)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(zhǎng)度與343組符號(hào)；而64-QAM脈沖具有176 µs的長(zhǎng)度和39組OFDM符號(hào)。同樣的，本實(shí)驗(yàn)展示了運(yùn)算EVM測(cè)量時(shí)間的結(jié)果作為1000次測(cè)量的平均值。每一個(gè)測(cè)量值都通過(guò)一次平均來(lái)實(shí)現(xiàn)并關(guān)閉了軌跡。圖2 展示了用來(lái)進(jìn)行運(yùn)算操作的符號(hào)數(shù)量與BPSK脈沖測(cè)量時(shí)間的關(guān)系。

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

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

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

圖3 對(duì)較長(zhǎng)的脈沖序列來(lái)說(shuō)，部分脈沖分析會(huì)更快

用了NI PXIe-8106控制器來(lái)加快測(cè)量的速度。請(qǐng)注意，這些結(jié)果僅適用于某些條件，針對(duì)較長(zhǎng)的BPSK與QPSK 802.11a/g信號(hào)而言，僅進(jìn)行部分脈沖分析的確可以縮短測(cè)量的時(shí)間。

通過(guò)WLAN分析工具包，也可以使用相同的方法來(lái)設(shè)定IEEE802.11b EVM測(cè)量操作只對(duì)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(guò)多級(jí)片段來(lái)計(jì)算EVM。因?yàn)槟J(rèn)的EVM測(cè)量將對(duì)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(duì)1000組片段執(zhí)行EVM測(cè)量操作。

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

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