Wifi射頻接收性能的測(cè)試方法

有兩種方法可以增大熱點(diǎn)的覆蓋范圍：一是提高熱點(diǎn)發(fā)射功率和提高手機(jī)接收靈敏度，但熱點(diǎn)的發(fā)射功率不可能無限制地被提高，所以同時(shí)還必須提高手機(jī)的接收靈敏度來增大熱點(diǎn)覆蓋范圍。根據(jù)自由空間傳輸損耗公式[1]：L(dB)=32.4+20×lgd(km)+20×lgf(MHz)　　

由此可以得出結(jié)論：在自由空間的理想情況下，手機(jī)接收靈敏度每增加6dB，便可使熱點(diǎn)的覆蓋范圍增大1倍。所以，提高WiFi手機(jī)的接收指標(biāo)有非常實(shí)際的意義。要提高WiFi手機(jī)的接收性能，首先就必須準(zhǔn)確地測(cè)試出其接收指標(biāo)，然后才能對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，最終提高整個(gè)系統(tǒng)的性能。

在802.11系統(tǒng)中[2]，信息是以幀為單位進(jìn)行傳輸?shù)?，因此可用誤幀率對(duì)接收性能進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，而在PHS系統(tǒng)中，是以誤碼率來定義接收性能指標(biāo)的[3]。無論在對(duì)接收指標(biāo)的定義上還是在接收性能的測(cè)試方法上，WiFi系統(tǒng)和PHS系統(tǒng)均存在較大差異。所以，文中將著重對(duì)WiFi射頻接收性能的測(cè)試方法進(jìn)行分析，并給出一種通用的解決方案。

1、射頻接收指標(biāo)及測(cè)試過程

1.1、射頻接收指標(biāo)的定義

根據(jù)IEEE802.11b規(guī)范，有3項(xiàng)較為關(guān)鍵的射頻接收指標(biāo)定義如下[4]：
1)接收機(jī)最小輸入電平靈敏度　對(duì)于在天線連接器上測(cè)得的-76dBm的輸入電平而言，若PSDU的長度為1024個(gè)字節(jié)，其誤幀率(FER)應(yīng)小于8%；
2)接收機(jī)最大輸入電平　對(duì)于在接收端天線上測(cè)得的-10dBm的最大輸入電平而言，若PSDU長度為1024個(gè)字節(jié)，則其誤幀率(FER)最大應(yīng)為8%；
3)接收機(jī)鄰道抑制　接收機(jī)鄰道抑制在每一信道組中的間隔，不小于25MHz的任意2個(gè)信道間鄰道干擾信號(hào)功率與有用信號(hào)功率的比值。對(duì)于采用11Mbit/sCCK調(diào)制的FER值為8%以及長度為1024字節(jié)的PSDU而言，鄰道抑制必須不小于35dB。

1.2、誤幀率

在上面3項(xiàng)指標(biāo)的定義中，均提及了1個(gè)非常重要的參數(shù)：誤幀率，即傳輸過程中丟失和出錯(cuò)的幀數(shù)和發(fā)送總幀數(shù)的比值。只有獲得正確的誤幀率，才能精確地測(cè)試出上述3項(xiàng)接收性能指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)室搭建的接收性能測(cè)試平臺(tái)，見圖1.

在圖1的測(cè)試平臺(tái)上，由PC為信號(hào)源提供一定幀格式的I/Q信號(hào)波形文件，并由信號(hào)源發(fā)出一定數(shù)量的幀。同時(shí)，DUT在PC的控制下，對(duì)這些幀進(jìn)行接收解調(diào)，求得相應(yīng)的誤幀率。然后根據(jù)誤幀率來調(diào)節(jié)信號(hào)源的發(fā)射功率，直到誤幀率正好滿足指標(biāo)要求，此時(shí)便能獲得DUT相應(yīng)的接收性能指標(biāo)。但在這個(gè)平臺(tái)上，要獲得正確的誤幀率，也存在2個(gè)難點(diǎn)：

1)信號(hào)源發(fā)出的幀格式必須滿足DUT的要求。不同芯片供應(yīng)商提供的芯片對(duì)幀格式的要求是不同的，若滿足不了芯片對(duì)幀格式的需要，DUT便不能正確統(tǒng)計(jì)收到的正確幀數(shù)，從而導(dǎo)致誤幀率的計(jì)算錯(cuò)誤；

2)信號(hào)源要能確保發(fā)出一定數(shù)目的幀，若信號(hào)源發(fā)出的總幀數(shù)都不能確定，誤幀率便無法計(jì)算。

2、幀結(jié)構(gòu)分析

不同的芯片供應(yīng)商在測(cè)試芯片接收性能時(shí)，往往采用不同的幀格式。只有幀格式滿足要求，才能統(tǒng)計(jì)出正確的收幀數(shù)，獲得準(zhǔn)確的誤幀率。常見的WiFi芯片供應(yīng)商Agere、Philips在接收測(cè)試時(shí)，對(duì)幀格式的要求也各不相同。文中主要針對(duì)Agere和Philips的幀格式要求進(jìn)行詳細(xì)分析[5-6]。

2.1、幀的形成過程

在802.11DSSS系統(tǒng)中，幀的形成包括以下4個(gè)過程。

2.1.1　MSDU的形成　

MSDU是MACServiceDataUnit的縮寫，被稱為MAC層業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)單元，是最原始的待發(fā)送數(shù)據(jù)信息。

2.1.2　MPDU的形成　

MPDU(MACProtocolDataUnit)被稱為MAC層協(xié)議數(shù)據(jù)單元。它是將MSDU按一定幀結(jié)構(gòu)封裝后獲得的待發(fā)數(shù)據(jù)信息，見圖2。封裝過程包括在MSDU前加上MAC幀頭和在后面加上幀檢驗(yàn)序列。

2.1.3　PSDU的形成　

PSDU(PLCPServiceDataUnit)被稱為PLCP子層業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)單元，實(shí)際就是從MAC層傳來的MPDU信息。

2.1.4　PPDU的形成　

PPDU(PLCPProtocolDataUnit)，被稱為PLCP子層協(xié)議數(shù)據(jù)單元。它是將PSDU按照特定的幀格式進(jìn)行數(shù)據(jù)封裝后的數(shù)據(jù)包，具體說來就是在PSDU前面再加上PLCP前導(dǎo)碼和PLCP報(bào)頭，見圖3.PPDU是最終將經(jīng)由物理介質(zhì)發(fā)送出去的數(shù)據(jù)封裝。

2.2、PPDU格式

幀格式[7]的修改全部由PC的軟件(WinIQsim或SignalStudio)實(shí)現(xiàn)，PC傳輸給信號(hào)源的I/Q波形文件已確定了幀格式。軟件中主要是使MPDU滿足芯片要求，而PPDU則自動(dòng)生成的，所以這里只介紹PPDU格式。

整個(gè)PLCP前導(dǎo)碼和報(bào)頭采用1Mbit/sDBPSK調(diào)制進(jìn)行發(fā)射，發(fā)送的數(shù)據(jù)均采用反饋加擾器加擾。SYNC字段由128個(gè)加擾的“1”組成，被用來和接收方進(jìn)行必要的同步操作；SFD被用以指示依賴與PHY的參數(shù)在PLCP前導(dǎo)碼中的開始；Signal字段指示發(fā)送(和接收)MPDU應(yīng)采用的調(diào)制速率；Service字段為預(yù)留字段；Length字段用以指示發(fā)送MPDU所需的微秒數(shù)；CRC-16字段根據(jù)CCITTCRC-16規(guī)范計(jì)算出Signal、Service和Length字段的CRC校驗(yàn)碼并一同發(fā)送，完成幀檢驗(yàn)序列保護(hù)。

2.3、MPDU

MPDU通常包括3個(gè)部分，見圖3.
①M(fèi)AC幀頭，包括幀控制、持續(xù)時(shí)間、地址及序列控制信息；
②可變長度的整體，包含基于幀類型的特定信息；
③幀檢驗(yàn)序列(FCS)，包含IEEE32bit的循環(huán)冗余碼(CRC)。

2.4、幀控制字段的結(jié)構(gòu)

幀控制字段雖然只有16個(gè)字節(jié)，但卻包含了用于解釋幀其他部分的全部信息，見圖4.

1)協(xié)議版本：當(dāng)前總是0，其余為保留值，不為0則丟棄；　　
2)類型和子類型：這2個(gè)字段共同標(biāo)識(shí)幀的類型和功能。802.11中總包含3種幀：控制幀、數(shù)據(jù)幀和管理幀。每種幀類型又分為幾種子類型。幾種常用的幀類型見表1.　　
3)去往DS和來自DS字段：輔助確定幀的最終傳輸?shù)刂?；　?br />4)多分段標(biāo)記：代表數(shù)據(jù)超過2312字節(jié)，將被分成多個(gè)數(shù)據(jù)包傳送；　　
5)重傳字段：識(shí)別當(dāng)前幀是否為1個(gè)數(shù)據(jù)幀的重傳拷貝；　　
6)功率管理字段：代表STA的節(jié)能狀態(tài)；　　
7)多數(shù)據(jù)標(biāo)記字段：代表STA有更多的數(shù)據(jù)需要發(fā)送；　　
8)排序字段：代表當(dāng)前幀是數(shù)據(jù)幀，并按照有嚴(yán)格序列要求的幀類型發(fā)送數(shù)據(jù)；　　
9)持續(xù)時(shí)間/ID字段：記錄了數(shù)據(jù)的持續(xù)時(shí)間數(shù)，該時(shí)間數(shù)將被用來使其他STA更新自己的矢量網(wǎng)絡(luò)分配。