電子發(fā)燒友網(wǎng)核心提示：新一代802.11ac標(biāo)準(zhǔn)帶來許多挑戰(zhàn)，相信許多測試工程師正忙著找出最合適的測試設(shè)備。而要以舊方法找出效能最佳的單機(jī)臺儀器顯然是完全不可行，肇因于現(xiàn)今測試工程師是時(shí)間、成本、空間等資源有限，須進(jìn)一步減少空間，且縮短測試與開發(fā)時(shí)間，同時(shí)還能為公司精簡預(yù)算，因此廠商若能提供使用者可設(shè)定功能的現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）架構(gòu)儀器，協(xié)助測試工程師解決這些挑戰(zhàn)，對工程師來說，無非是工作上的一大助益。本技術(shù)文章的重點(diǎn)在于特地使用開放式FPGA來測試802.11ac標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)勢。

　　靈活運(yùn)用分析工具組　加速訊號產(chǎn)生與擷取效率

　　無線區(qū)域網(wǎng)路（WLAN）分析工具組的軟體人機(jī)介面可搭配PXI儀器使用，提供快速的產(chǎn)生或擷取功能。使用者可將分析軟體人機(jī)介面用于已調(diào)變或頻譜量測作業(yè)；也可將兩個小封裝熱插拔收發(fā)器（SFP）搭配最多四個PXI儀器，打造4×4多重輸入多重輸出（MIMO）的設(shè)定配置。

　　802.11ac于5GHz頻帶運(yùn)作，強(qiáng)制頻寬則為20、40、80MHz；160MHz支援功能目前仍屬于選擇性的。此外，測試人員也可選擇非鄰近的80+80MHz發(fā)射（TX）與接收（RX）頻寬。根據(jù)IEEE目前的規(guī)定（圖1），802.11ac標(biāo)準(zhǔn)須在5GHz頻帶內(nèi)與802.11a和802.11n向下相容，確保不會彼此排斥。其他的強(qiáng)制規(guī)格還包含80MHz頻寬、256QAM調(diào)變、最多八個空間串流與多個使用者的MIMO功能。

　　圖1 802.11ac頻帶配置圖

　　事實(shí)上，只要搭配160MHz最大頻寬、8×8MIMO設(shè)定、256QAM與短防護(hù)週期，802.11ac即可發(fā)揮6.93Gbit/s的理論最大值。頻寬為80MHz，再加上四個TX通道與256-QAM調(diào)變時(shí)，平均資料傳輸率便是1.56Gbit/s。

　　有鑑于此，80MHz頻寬、64QAM訊號、800奈秒（ns）防護(hù)週期，再加上一個空間串流的資料傳輸率計(jì)算步驟如下?；旧峡偣矔袃砂偃膫€資料載波，符碼率的計(jì)算方式則為256/80MHz+800ns，再加上資料傳輸率公式的數(shù)字，就可以得到以下叁個公式。其中，NBPSCS是每個空間串流中，每個子載波的已編碼位元數(shù)；NSD是每個頻率區(qū)段中復(fù)雜資料數(shù)字的數(shù)目；R為編碼率；TSYM則是符碼週期。

　　支援多個訊號　MIMO技術(shù)全面進(jìn)化

　　如圖2所示，MU-MIMO可以一個終端同時(shí)在相同頻帶中的多位使用者之間傳輸或接收訊號。MU-MIMO是一組進(jìn)階的MIMO技術(shù)，運(yùn)用多個獨(dú)立的無線電終端，來提升每個終端的通訊效能。單一使用者的MIMO僅限于存取確實(shí)連接至個別終端的多個天線。

　　圖2 MU-MIMO對802.11ac而言堪稱一種突破，因其支援多個訊號接收者。

　　使用PXI儀器對于MIMO技術(shù)而言非常合適，因其同步處理PXI儀器內(nèi)建的背板與同步化和記憶體核心（SMC）晶片。透過各家PXI儀器商的技術(shù)，即可在不同的分析器或生產(chǎn)器之間，達(dá)到最高0.1度的相位偏差。

　　此外，目前市面上已有非常小巧的PXI VST儀器，單一機(jī)箱最多可安裝五個VST、十八個插槽，以便打造完整的5×5MIMO系統(tǒng)。反觀，若採用傳統(tǒng)的箱型儀器來建置這樣的系統(tǒng)，纜線與儀器設(shè)定會變得非常復(fù)雜。

　　導(dǎo)入客製化FPGA元件　量測效能升級

　　使用FPGA搭配RF儀器并非全新概念，不過提供使用者可設(shè)定功能的FPGA卻是前所未見的創(chuàng)新功能。開放式FPGA的用途包括自動增益控制、調(diào)變/解調(diào)變、傅立葉轉(zhuǎn)換（FFT）與平均、通道模擬等。

　　由于傳統(tǒng)箱型儀器會限制運(yùn)算式的存取功能，例如FFT或甚至觸發(fā)。使用者如要客製箱型儀器所使用的FFT或觸發(fā)運(yùn)算式，可能會有點(diǎn)困難。不過新一代的軟體設(shè)計(jì)儀器可讓工程師針對個人需求來客製化儀器，就像是客製化手機(jī)應(yīng)用程式一樣。

　　隨著調(diào)變方式越來越復(fù)雜，工程師也必須維護(hù)出色的訊號品質(zhì)。表1顯示出802.11ac不同調(diào)變方式的RMS錯誤向量幅度（Error Vector Magnitude， EVM）規(guī)定。

　　測試設(shè)備的量測能力必須優(yōu)于此規(guī)格（256QAM為-32 dB），至少要10dB才能提供充裕的特性與生產(chǎn)測試空間。如圖3所示，PXI儀器的EVM數(shù)據(jù)領(lǐng)先業(yè)界，就像所有的無線標(biāo)準(zhǔn)與測試設(shè)備一樣，使用者可以稍加修改軟硬體，以便充分發(fā)揮量測效能。

　　圖3 使用高效能PXI儀器的802.11ac EVM迴送模式

　　軟硬體高度整合　測試精準(zhǔn)度大幅提升

　　另一方面，本文將會持續(xù)討論其他最佳化設(shè)定的效能；包含相位追蹤、通道追蹤、相位差歪曲補(bǔ)償。圖4為PXI針對80MHz、256QAM訊號進(jìn)行-46dB的EVM量測，透過先進(jìn)的PXI儀器迴送模式產(chǎn)生并擷取80MHz、MCS 9、802.11ac訊號。

　　圖4 PXI可針對80MHz 256QAM訊號進(jìn)行-46dB的EVM量測

　　追蹤調(diào)變訊號補(bǔ)償相位失真

　　相位追蹤功能非常適合用來追蹤剩余頻率偏移與相位雜訊所造成的調(diào)變訊號相位變化。如果使用者將正交頻分多功（OFDM）相位追蹤方式屬性設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)（Standard），此工具組就會針對OFDM訊號執(zhí)行試驗(yàn)性（Pilot）架構(gòu)的常見相位錯誤更正功能，如同IEEE Standard 802.11a-1999的17.3.9.7段落以及IEEE Standard 802.11n-2009的20.3.21.7.4段落所載明的一樣。

　　若把OFDM相位追蹤方式屬性設(shè)為瞬間（Instantaneous），WLAN分析工具組就會針對OFDM訊號，執(zhí)行Pilot架構(gòu)的常見相位錯誤更正功能，同時(shí)補(bǔ)償每個調(diào)變訊號的相位失真；而IEEE標(biāo)準(zhǔn)并未定義這類補(bǔ)償功能。如要判斷振幅的調(diào)變失真與相位錯誤的效應(yīng)，補(bǔ)償功能會非常實(shí)用。此工具組採用這種方式來追蹤相位，僅會計(jì)算EVM，也就是封包長度與不同子載波內(nèi)復(fù)雜調(diào)變訊號振幅變化所造成的錯誤。請注意，圖5（a）~（d）為256QAM訊號的放大星座圖。這裡僅顯示四個訊號，以便說明變更參數(shù)的影響。

　　圖5 （a）～（d）顯示出就80MHz 802.11ac訊號而言，相位追蹤對EVM數(shù)據(jù)的影響。此圖表僅列出256QAM星座圖中的四個訊號。

　　追蹤通道量測頻率響應(yīng)

　　一旦啟動通道追蹤功能，WLAN分析工具組就會針對前置訊號與資料來量測通道響應(yīng)（圖6），并當(dāng)做整個封包的通道頻率響應(yīng)預(yù)估數(shù)據(jù)。又如果停用此通道追蹤功能，工具組僅會針對長訓(xùn)練序列（Long Training Sequence， LTS）量測通道響應(yīng)，并當(dāng)做整個封包的通道頻率響應(yīng)預(yù)估數(shù)據(jù)。

　　圖6 啟動通道追蹤功能的影響

　　針對相位差歪曲訊號補(bǔ)償

　　如圖7所示，WLAN分析工具組也可針對產(chǎn)生器或待測裝置所造成的相位歪曲提供補(bǔ)償功能。如果調(diào)變方式有大量的點(diǎn)，例如256QAM，那么補(bǔ)償相位差歪曲即可發(fā)揮最佳效能。圖8則為256QAM星座圖（放大其中四個訊號）顯示出相位差歪曲的補(bǔ)償效應(yīng)。

　　圖7 具有相位差歪曲的訊號

　　圖8 256QAM星座圖顯示出相位差歪曲的補(bǔ)償效應(yīng)

　　訊號中插入減損觀察裝置反應(yīng)

　　WLAN生產(chǎn)工具組可讓使用者在所產(chǎn)生的訊號中插入減損，并且觀察待測裝置的反應(yīng)。有了WLAN產(chǎn)生工具組即可加入載波頻率偏移、取樣時(shí)脈偏移、IQ減損與載波雜訊比等減損。

　　依頻數(shù)選擇頻譜遮罩進(jìn)行80MHz測試

　　如圖9所示，由于802.11ac規(guī)定須進(jìn)行80MHz頻譜遮罩測試，并可額外選擇80+80MHz與160MHz頻譜遮罩測試，因此80MHz區(qū)段必須是鄰近或非鄰近（不同頻帶中）的區(qū)段。

　　圖9 80 MHz 802.11ac 訊號的頻譜遮罩量測

　　工程師可使用兩個同步化的產(chǎn)生器或分析器，以產(chǎn)生并擷取80+80訊號。如圖10所示，若兩個區(qū)段屬于不同頻段，那么一般的80MHz頻譜遮罩即適用于各區(qū)段；但如果兩個區(qū)段屬于同頻段且為鄰近區(qū)段，這時(shí)便適用重疊頻譜遮罩。

　　圖10 兩個同步化產(chǎn)生器或分析器可產(chǎn)生并擷取80+80訊號

　　兼顧品質(zhì)與效率　PXI儀器獲市場青睞

　　每位測試工程師都面臨了縮短測試時(shí)間的挑戰(zhàn)。在特性環(huán)境中，工程師必須持續(xù)測試新產(chǎn)品的穩(wěn)定度；至于在生產(chǎn)環(huán)境中，測試工程師須盡可能測試多種參數(shù)，且速度也要越快越好。

　　PXI平臺同時(shí)針對儀器與所採用的處理器提供模組化功能。對測試工程師而言，加快測試速度的最好方式就是使用最新、最快的處理器。在傳統(tǒng)的箱型儀器上升級處理器非常麻煩，工程師也只能仰賴儀器供應(yīng)商提供最新的處理器。反觀，採用PXI系統(tǒng)，工程師即可購買高效能電腦來執(zhí)行所有處理作業(yè)。

　　有了開放編程的FPGA元件，工程師可藉由開放式架構(gòu)來客製化儀器，進(jìn)而啟用復(fù)雜的觸發(fā)解決方案，甚至是在該儀器上實(shí)作通道模擬也沒問題。相信以模組化硬體為基礎(chǔ)，并透過軟體進(jìn)行定義與設(shè)計(jì)，可提供所需的高效能測試系統(tǒng)。藉此靈活的架構(gòu)，全新的向量訊號收發(fā)器可針對多種RF應(yīng)用加以設(shè)定，包含無線連線與通道模擬，還能因應(yīng)未來需求隨時(shí)擴(kuò)充。