PXI Express Wi-Fi分析 OFDM相位 Wi-Fi FPGA 相位追蹤 PXI

內嵌FPGA客製化功能發威　PXI VST加速Wi-Fi測試

2012-08-03

小樵

新的802.11標準帶來許多挑戰，促使許多測試工程師忙著找出最合適的測試設備。在此同時，測試工程師會發現，要以舊方法找出效能最佳的昂貴箱型儀器，完全不可行。讀者可能無法理解其中原因，其實答案很簡單：測試工程師手上的資源越來越緊縮，尤其是時間、成本、空間。

因此現代的測試工程師早就開始使用全新的直覺式技術，進一步減少空間，縮短測試與開發時間，同時還能精簡預算。使用可設定功能的現場可編程閘陣列(FPGA)PXI架構儀器，測試工程師將可解決這些挑戰。

透過FPGA客製化量測儀器

圖1　內建FPGA的PXI測試儀器可針對使用者需求客製化

儀器廠商開發的PXI向量訊號收發器(VST)中央頻率達6GHz時，即時頻寬為80MHz(圖1)。此儀器搭載使用者可設定功能的FPGA，有利於加快測試速度或運用即時運算式，例如快速傅立葉轉換(FFT)、功率控制，甚至是調變/解調變。

此款無線區域網路(Wi-Fi)測試器具有三個PXI Express插槽的寬度，還包含一個使用者可設定功能的數位輸入/輸出(I/O)連接埠，專門用於待測物(DUT)控制類型。

Wi-Fi向量訊號收發器的軟體人機介面可搭配PXIe-5644R分析軟體，提供快速的產生或擷取功能。使用者可將分析軟體人機介面用於已調變或頻譜量測作業，也可將兩個SFP搭配最多四個分析軟體，打造4×4多重輸入多重輸出(MIMO)的設定配置。

802.11ac採用5GHz頻段

802.11ac於5GHz頻帶運作，強制頻寬則為20MHz、40MHz、80MHz。160MHz支援功能目前仍屬於選擇性，此外，也可選擇非鄰近的80+80MHz TX與RX頻寬(圖2)。

圖2　802.11ac頻帶配置

國際電機電子工程師學會(IEEE)目前規定802.11ac標準必須在5GHz頻帶內與802.11a和802.11n向下相容，確保不會彼此排斥。其他的強制規格還包含80MHz頻寬、256QAM調變、最多八個空間串流，以及多使用者MIMO(MU-MIMO)功能。

只要搭配160MHz最大頻寬、8×8 MIMO設定、256QAM與短防護週期，802.11ac即可發揮6.93Gbit/s的理論最大值。頻寬為80MHz，再加上四個TX通道與256QAM調變時，平均資料傳輸率便是1.56Gbit/s。

80MHz頻寬、64QAM訊號、800奈秒(ns)防護週期，再加上一個空間串流的資料傳輸率計算步驟如下。基本上共有二百三十四個資料載波(242、8Pilot)。符碼率的計算方式為256/80MHz+800ns(GI)，再加上資料傳輸率公式的數字，就會得到下列結果：

.......................公式1

.......................公式2

.......................公式3

公式中NBPSCS為每個空間串流中，每個子載波的已編碼位元數；NSD指每個頻率區段中複雜資料數字的數目；R為編碼率；TSYM表示符碼週期。

MU-MIMO提高測試難度

圖3　MU-MIMO為802.11ac技術的突破，可支援多個訊號接收者。

MU-MIMO可以一個終端同時在相同頻帶中的多位使用者之間傳輸/接收訊號，是進階的MIMO技術，運用多個獨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僅限於存取確實連接至個別終端的多個天線(圖3)。

PXI平台對測試MIMO技術具備優勢，因其同步處理PXI儀器內建的背板與同步化和記憶體核心(SMC)晶片。透過NI-TLCK技術，即可在不同的分析器或生產器之間達到最高0.1度的相位偏差，即使是多個已連接機箱也相同。

此外，單一機箱最多可安裝五個新的PXI向量訊號收發器，以便打造完整的5×5 MIMO系統。如果採用傳統的箱型儀器建置這樣的系統，纜線與儀器設定會變得非常複雜。

事實上，使用FPGA搭配射頻(RF)測試儀器並非全新概念，不過針對向量訊號收發器而言則是新的創新功能。開放式FPGA的用途包括伺服、自動增益控制、調變/解調變、FFT與平均，以及通道模擬。

傳統箱型儀器會限制運算式的存取功能，例如FFT或觸發，使用者如要客製化箱型儀器所使用的FFT或觸發運算式，可能會有點困難。不過新一代的軟體設計儀器可讓工程師針對個人需求客製化儀器，就如同客製化手機應用程式。

儀器EVM表現左右測試結果良窳

隨著調變方式越來越複雜，工程師也必須維護出色的訊號品質。表1顯示802.11ac不同調變方式的均方根向量訊號幅度(RMS EVM)規定。測試設備的量測能力必須優於此規格(256QAM為-32dB)，至少要10dB才能提供充裕的特性與生產測試空間。圖4顯示PXI向量訊號收發器的EVM回送模式數據統計。此外，如同所有的無線標準與測試設備，使用者可以稍加修改軟硬體以便充分發揮量測效能。

圖4　使用PXIe-5644R的802.11ac EVM迴送模式

PXI向量訊號收發器功能多元

接著討論其他PXI向量訊號收發器其他方面的效能，包含相位追蹤、通道追蹤、相位差歪曲補償。請注意，下列所有圖片皆透過PXI向量訊號收發器迴送(Loopback)模式產生並擷取80MHz、MCS 9 802.11ac訊號。

相位追蹤可找出調變訊號相位變化

相位追蹤功能適合用來追蹤剩餘頻率偏移與相位雜訊所造成的調變訊號相位變化。如果使用者將正交分頻多工(OFDM)相位追蹤方式屬性設為「Standard」(標準)，此工具組就會針對OFDM訊號執行Pilot架構的常見相位錯誤更正功能，如同IEEE Standard 802.11a-1999的17.3.9.7段落與IEEE Standard 802.11n-2009的20.3.21.7.4段落所載明。

又如果將OFDM相位追蹤方式屬性設為「Instantaneous」(瞬間)，Wi-Fi分析工具組就會針對OFDM訊號執行Pilot架構的常見相位錯誤更正功能，同時補償每個調變訊號的相位失真；而IEEE標準並未定義這類補償功能，如要判斷振幅的調變失真與相位錯誤的效應，補償功能會非常實用。此工具組採用這種方式追蹤相位，僅會計算EVM，也就是封包長度與不同子載波內複雜調變訊號振幅變化所造成的錯誤。

通道追蹤啟動與否影響通道響應數據

一旦啟動通道追蹤功能(圖5)，Wi-Fi分析工具組就會針對前置訊號與資料量測通道響應，並且作為整個封包的通道頻率響應預估數據；又如果停用此通道追蹤功能，工具組僅會針對長訓練序列(LTS)量測通道響應，並且作為整個封包的通道頻率響應預估數據。