提升 WLAN y系y的量y速度

概觀

由於業(yè)界正不斷降低測試成本，許多 RF 測試工程師更必須縮短量測時間。如你所想，無線區(qū)域網(wǎng)路 (WLAN) 裝置的測試作業(yè)亦必須迎合此趨勢。不論是設計檢驗的自動化測試系統(tǒng)，或最后的生a測試作業(yè)，測試系統(tǒng)的量測速度愈趨重要。然而在許多情況下，除了縮短測試時間并降低成本之外，亦不能犧牲測試的精確性與可重復性。此篇技術文件將針對 WLAN 量測作業(yè)，說明可影響量測速度的多個平衡要素。在了解相關概念之后，亦將針對提升測試系統(tǒng)的量測速度，提供更好的實作說明。此技術文件將依序說明下列要素：平均對可重復性;完整叢集對部分叢集的 EVM;復合量測對單一量測;量測間隔與量測時間;最后是 CPU 對量測時間的影響。針對上列的相關要素，此技術文件均將透過 NI PXIe-5663 -- 6.6 GHz RF 向量訊號分析器，進行范例量測作業(yè)。這些實例所用的激發(fā)即 NI PXIe-5673 -- 6.6 GHz RF 向量訊號a生器。且范例均使用 NI WLAN 量測套餐 (Measurement Suite)，其中包含 NI LabVIEW 與 LabWindows™/CVI 的a生/分析工具組，以設定 WLAN 量測作業(yè)。若要進一步了解應如何設定 PXI WLAN 測試系統(tǒng)，則可參閱「設定軟體定義的 WLAN 測試系統(tǒng)」。雖然此篇技術文件著重於 PXI RF 儀控作業(yè)，但相同的基本量測要件亦適用於任何 RF 儀器。因此，不論是 PXI 與傳統(tǒng) RF 儀控，均可透過此篇技術文件提升相關效能。

不論是自動化設計檢驗或生a測試應用，提升量測可重復性的常見技術，即是平均多筆量測結果。然而，若要設定大量的平均值以提升可重復性，則將增加量測時間的成本。一般來說，總量測時間可透過平均值的數(shù)量而進行線性調整。因此，若單一量測作業(yè)必須耗費 20 ms，則相同量測進行 10 次平均時，將耗費將近 200 ms。

更進一步來看，由於平均作業(yè)將計入不可重復的減損 (Impairment) – 如加成性白高斯雜訊 (Additive white Gaussian noise，AWGN) – 以有效取消不必要的量測作業(yè)，因此將提高可重復性。若要了解平均作業(yè)對可重復性的影響，則可使用 NI PXIe-5673 RF 向量訊號a生器與 NI PXIe-5663 RF 向量訊號分析器，以執(zhí)行送 (Loopback) 測試。透過上述裝置，可於 2.412 GHz a生 802.11g 正交頻分多工 (OFDM) 訊號，與 -10 dBm 的 RF 功率強度。同樣的，使用 4 種不同的訊號類型 – BPSK (6 Mbps)、QPSK (18 Mbps)、16-QAM (24 Mbps)，與 64-QAM (54 Mbps)，則可了解脈波叢 (Burst) 尺寸與調變架構對量測時間的影響。若使用 1024 位元的酬載 (Payload)，則每種訊號類型均具有不同數(shù)量的 OFDM 符碼。舉例來說，BPSK 叢集使用 343 組符碼，而 64-QAM 訊號則使用 39 組符碼。也因此每種訊號類型的叢集區(qū)間亦不盡相同。表 1 則顯示差異之處。

表 1. 多種 802.11a/g 資料傳輸率的調變架構、叢集區(qū)間，與符碼數(shù)量

錯誤向量強度 (Error vector magnitude，EVM) 量測作業(yè)，可完整了解訊號的調變品質。在 EVM 量測作業(yè)中，共內(nèi)建 2 種方法可呈現(xiàn)平均結果。針對 IEEE 802.11a/g 叢集，量測結果將涵蓋各個 OFDM 子載波與符碼 (Symbol)，以 EVM 的均方根 (RMS) 表示。根據(jù)表 1 來看，應可直接看出叢集中的符碼數(shù)量，且若 EVM 榻系偷 6 Mbps (BPSK) 資料傳輸率，應可a生超過 54 Mbps 叢集的可重復量測作業(yè);從而可得知較長叢集亦具有較多的符碼。但僅限 EVM 是透過完整叢集 (而非特定部分叢集) 呈現(xiàn) RMS 時，上述假設才可成立。平衡要素 2 將針對部分叢集分析，說明相關可重復性。

我們可於一般情況下假設：在執(zhí)行較長叢集的量測作業(yè)時，將可a生更多的可重復 EVM 結果。圖 1 顯示平均次數(shù)與量測標飾蟛鈧間的關S。這些量測作業(yè)均是透過 NI PXIe-5673 RF 向量訊號a生器，與 NI PXIe-5663 RF 向量訊號分析器所進行。當使用 -10 dBm 的 RF 平均功率時，此 2 組儀器的中央頻率均設定 2.412 GHz。

圖 1. 平均作業(yè)可降低量測平均值的標飾蟛睢

圖 1 顯示，當每次量測作業(yè)所使用的平均次數(shù)增加時，1000 EVM 量測的標飾蟛 (Deviation) 即跟著降低。請注意，由於圖 1 所使用的訊號源 RF 向量訊號a生器 -- 專楫a(chǎn)生可重復訊號所設計的a品，因此圖 1 中的 EVM 與標飾蟛睿均大幅優(yōu)於 802.11g 傳輸器所可能a生的實際情況。因此，可將圖 1 顯示結果做榭芍馗蔥緣幕?。并请注意H限以絕對量測值 (Absolute measurement value) 表示的量測可重復性才有其意義。一般來說，只要測試儀器的 EVM 基試礁擼則可重復性的影響越小。表 2 則顯示量測作業(yè)設定 10 次平均時的 EVM 結果。

表 2. 平均 EVM 將與調變架構a生相對性的一致。

表 2 顯示出，跨所有調變架構所測得的 EVM 將趨於一致。然而，此亦代表使用者可透過較長叢集獲得較佳的標飾蟛睿當然亦將量測更多符碼。舉例來說，若進行 10 次平均即可於 64-QAM 訊號上達到 0.081 dB 的標飾蟛釷保則當量測 BPSK 訊號的完整叢集時，僅需 5 次平均即可達到相同的標飾蟛睢

一般來說，僅需耗費較長量測時間，即可透過平均作業(yè)達到較低的結果標飾蟛?。?3 即以 54 Mbps 叢集說明此關S。請注意，表 3 的量測時間包含閘控功率與 EVM 量測作業(yè)。

表 3. 量測時間隨平均次數(shù)而漸長

在表 3 中，我們使用 PXIe-5663 RF 向量訊號分析器與 1 組 NI PXIe-8106 控制器，以執(zhí)行復合的 EVM 與閘控功率量測作業(yè)。EVM 是以完整叢集的 RMS 計算所得;且其中的平均值與標飾蟛睿是以超過 1000 次的量測作業(yè)所算出。表 3 則說明，量測時間與平均次數(shù)之間趨於線性的關S。NI WLAN 分析 (Analysis) 工具組使用了所謂非同步提取 (Asynchronous fetching) 技術，即當分析器提取新的記錄時，亦同時處理先前的記錄。因此，使用者不需受限於線性時間 (Linear time)，亦可針對多筆平均設定量測作業(yè)。亦請注意表 3 若設定 1 次平均，則 EVM 與功率量測將耗費 9.4 ms。然而，若設定 10 次平均，量測作業(yè)亦僅耗費 63.6 ms;亦即每次平均可省下 6.3 ms。

平衡要素 2 – 完整叢集 EVM 對部分叢集 EVM

若將儀器設定執(zhí)行部分叢集，而非完整叢集的量測時，則可於某些情況下達到較快的 EVM 量測。依預設值來說，NI WLAN 分析 (Analysis) 工具組將針對完整叢集中的各個符碼，執(zhí)行所有子載波 RMS 的 OFDM EVM 量測。同樣的，NI WLAN 分析工具組亦將針對叢集中的所有切片 (Chip)，進行 RMS 的 802.11b DSSS EVM 量測作業(yè)。然而，仍有許多范例指出，若僅量測叢集的第一部份，即可a生可重復的量測結果并省下量測時間。在此情況下，使用者可針對要用於計算 EVM 量測所需的符碼或切片數(shù)量，透過程式設計的方法進行設定。

榱慫得韃糠執(zhí)約分析的影響，可透過 2 組不同的叢集并設定分別使用 BPSK (6 Mbps) 與 64-QAM (54 Mbps)。如表 1 所示，BPSK 叢集具備 1434 µs 的區(qū)間與 343 組符碼;而 64-QAM 叢集具備 176 µs 的區(qū)間與 39 組 OFDM 符碼。同樣的，其計算 EVM 量測時間的結果，即 1000 次量測作業(yè)的平均值。所執(zhí)行的各次量測均進行 1 次平均，且其軌E均a生變化。圖 2 即是計算量測作業(yè)所用的符碼數(shù)量，與 BPSK 叢集量測時間的關S。

圖 2. BPSK 叢集所測得標飾蟛鈑敕碼之間的關S

如圖 2 所示，如 BPSK 此種較長的叢集來說，若能分析僅部分的叢集而非各個符碼，即可大幅縮短量測時間。若使用數(shù)量較少的符碼，則可將此叢集的量測時間從 40 ms 縮短 22 ms。此外，在較快的量測條件下，可重復性的結果僅可能稍微變差。

很明顯的，僅量測部分叢集的優(yōu)點，即是可縮短較長叢集的量測時間。而其理由即是因櫓蔥辛坎獾木常性因素 (記憶體配置、驅動程式呼叫，與X取時間)，將可補償整體量測時間的較小部分。相反來看，較短叢集 (如 64-QAM 與 16-QAM) 在使用符碼數(shù)量時的彈性即較低。舉例來說，64-QAM 叢集在開始時僅包含 39 組符碼。由於必須再多加 16 組符碼才能進行可重復的 EVM 量測，因此無法大幅縮短 64-QAM 叢集的整體量測時間。圖 3 即針對 54 Mb/s 叢集，說明量測時間與所需符碼數(shù)量之間的關S。

圖 3. 對較長的叢集，則可分析部分叢集以加快量測速度

圖 2 與圖 3 所顯示的結果，均使用了 NI PXIe-8106 控制器以加快量測速度。請注意，這些結果僅適用於某些條件。針對較長的 BPSK 與 QPSK 802.11a/g 訊號而言，僅分析部分叢集確實可縮短量測時間。

透過 WLAN 分析 (Analysis) 工具組，亦可使用相同方式設定 IEEE 802.11b EVM 量測作業(yè)，僅計算部分的叢集。由於 802.11b 即使用直接序列展頻 (Direct-sequence spread spectrum，DSSS)，因此將透過多組切片計算 EVM。因樵ど璧 EVM 量測將計算完整的叢集，使用者可將 WLAN 分析 (Analysis) 工具組設定執(zhí)行僅 1000 組切片 (Chip) 的 EVM 量測作業(yè)。

圖 4. 以較少 DSSS 切片設定 EVM 而形成的 802.11b 量測時間

從圖 4 可看出，若針對 1 Mbps 訊號叢集減少量測的切片數(shù)量，則可將量測時間從 300 ms 縮短 170 ms。

平衡要素 3 – 復合量測對單一量測

縮短 WLAN 量測時間的第三項要點，即是執(zhí)行復合式量測作業(yè)，以取代個別設定的量測作業(yè)。透過 WLAN 分析 (Analysis) 工具組，僅需單一的復合式量測作業(yè)，即可進行所有的時域量測 (功率對時間、EVM，與頻率偏移)。由於復合式量測可於單一叢集中計算多項量測結果，因此其效率高於依序執(zhí)行的獨立量測作業(yè)。

當使用復合式量測作業(yè)量測功率時，必須考慮 2 種方式。若使用 WLAN 分析 (Analysis) 工具組，即可透過完整叢集量測 RF 功率，或透過部分叢集進行閘控量測。表 4 顯示各項量測作業(yè)所需的量測時間。此表格中的所有結果， 100 次量測各自進行單次平均之后的總平均值。在此范例中，我們使用 16 組 OFDM 符碼得出各次 802.11a/g EVM 量測作業(yè)。并針對 20 ~ 120 µs 的部分叢集進行閘控功率 (Gated power) 量測。

表 4. 進行 802.11a/g 復合量測與單一量測的所需時間

從表 4 可知，當針對 802.11a/g 的單一叢集，執(zhí)行如 EVM 與功率的重要復合量測時，其總量測時間將可大幅低於個別量測的時間。表 4 所示的復合量測則包含 EVM、閘控功率 (部分叢集)，與 TX 功率 (完整叢集)。

若針對 802.11b 訊號進行復合式量測，亦可省下差不多的時間。針對此訊號類型，重要量測可包含 EVM、功率、功率緩升 (Ramp-up) 時間，與功率緩降 (Ramp-down) 時間。同樣的，由於復合式量測可讓使用者同步進行多項量測作業(yè)，因此實榧鈾僮爸貌饈運俁鵲姆椒?。?5 即是以 NI PXIe-8106 雙核心控制器執(zhí)行 LabVIEW 8.6.1 的結果。此處即跨 1000 切片進行 EVM 量測，且以 100 µs 的時間間隔計算閘控功率。

表 5. 進行 802.11b 復合量測與單一量測的所需時間

同樣的，表 5 說明平行量測作業(yè)可達較高效益。若分別執(zhí)行 11 Mbps CCK 叢集、EVM、TXP，與緩升/緩降量測作業(yè)，將需要 126 ms 量測總時間;但若平行量測僅需 64 ms 量測總時間。

平衡要素 4 – 量測間隔對量測時間

執(zhí)行 WLAN 頻譜量測時所需注意的第四項要點，即榱坎饈奔溆肓坎餳涓 (Span) 之間的關S。IEEE 802.11 標適欽攵 802.11a/g 訊號定義 60 MHz 遮罩，針對 802.11b 訊號定義 66 MHz 遮罩;并還有數(shù)個范例可用於客制間隔。舉例來說，檢驗工程師可能需要 100 MHz 的間隔，以檢查調變訊號之外的混附訊號 (Spur)。更進一步來說，工程師亦可能對 802.11b 訊號僅使用 44 MHz 間隔，以縮短量測時間。

對數(shù)位 IF 分析器與傳統(tǒng)的掃頻 (Swept-tune) 分析器而言，若量測間隔較寬，其所需的量測時間亦較長。若使用傳統(tǒng)的掃頻分析器，則量測時間與間隔將呈現(xiàn)線性關S。如此一來，若將 100 kHz RBW 濾波器以所需間隔進行掃頻，而量測時間將與量測間隔構成線性關S。但若透過向量訊號分析器 (如 NI PXI-5661 與 NI PXIe-5663)，則其結果將有些許不同。與向量訊號分析器的瞬間頻寬 (Instantaneous bandwidth) 相較，頻譜量測作業(yè)的即時頻寬較橄琳，因此不需重新微調 (Re-tune) 儀器的 RF 前端，亦可完成量測作業(yè)。

舉例來說，NI PXIe-5663 RF 向量訊號分析器若提供 50 MHz 的瞬間頻寬。則使用者不需耗費大量時間重新調整儀器的前端，亦可執(zhí)行低於 50 MHz 間隔的頻譜量測作業(yè)。圖 5 即使用 NI PXIe-8106 控制器執(zhí)行頻譜量測作業(yè)，范圍限定於 3 ~ 12.5 ms，僅針對間隔進行變化。

圖 5. 使用 NI PXIe-8106 Controller 控制器的WLAN 802.11a/g 遮罩對間隔 (NI RFSA 2.2 或更高版本)

在 50 MHz 與 100 MHz 之間的間隔中，則必須針對分析器的 RF 前端重新進行 1 次微調。因此，若搭配 PCU 所需的額外訊號處理作業(yè)，則分析器前端的重新微調作業(yè)將提升整體量測時間。透過圖 5 可發(fā)現(xiàn)，66 MHz 的間隔 (完整的 802.11a/g 遮罩) 必須耗費約 12.5 ms 的時間。如此一來，所增加的額外時間則楸徑蘇鴇U器 (Local oscillator，LO) 的趨穩(wěn)時間，而非作業(yè)處理時間。

請注意，此與 EVM 量測相似的是：使用者必須考慮量測時間與平均次數(shù)之間的關S。由於平均作業(yè)可針對雜訊水平 (Noise floor) 提供合理的解釋，因此工程師往往會執(zhí)行多次平均。在圖 6 中，則可觀察單次平均與 100 次平均的頻譜遮罩量測 (66 MHz 間隔) 作業(yè)。

圖 6. 針對頻譜遮罩量測作業(yè)，平均 (Averaging) 可降低量測的不確定性。

因此，量測頻寬與平均次數(shù)，均將影響頻譜遮罩量測的整體速度。一般來說，僅有 RF 前端必須進行微調之時，量測頻寬對量測時間的影響較大。而另 1 方面來說，平均次數(shù)則與量測時間成線性相關。

以子酶嘰理器資源量測之一的 802.11b 頻譜遮罩量測 (44 MHz 間隔) 槔。圖 7 則顯示量測時間與平均次數(shù)之間的線性關S。

圖 7. 使用不同 CPU 時的 802.11b 頻譜遮罩時間對平均次數(shù)

更進一步來說，CPU 量測時間與 CPU 的關S極槊芮?。栽燀烏枷?，具備較高運算功能的 CPU (如 NI PXIe-8106)，將可大幅縮短量測時間。

平衡要素 5 – CPU 對量測時間的影響

可大幅影響 WLAN 訊號量測時間的第五項要素，即榱坎庀低乘使用的 CPU。CPU 槿硤宥ㄒ PXI 量測系統(tǒng)中的基本核心要件之一。CPU 效能亦往往是影響量測效能最的單一因素，對 RF 量測尤槿绱?。毁徝Ｊ褂谜咭芽赏高^現(xiàn)有的多核心 CPU 搭配 WLAN 分析 (Analysis) 工具組，獲得極高的工業(yè)級量測結果。

雖然實際系統(tǒng)效能仍受其他多項因素所影響 (如記憶體空間或其他背景執(zhí)行的應用)，但在自動化測試系統(tǒng)中，CPU 效能與量測時間的關S仍密不可分。表 6 則是以 PXI 控制器榛礎，顯示相關比較結果。

表 6. 多款 PXI Express 控制器的重要規(guī)格

多項 CPU 特性均可影響整體的量測速度。其中影響最大的，包含處理核心數(shù)量、CPU 時脈、前端R流排、L2 快取尺寸，與系統(tǒng)記憶體。

圖 8 則顯示時間與叢集資料傳輸率之間的關S，還有 CPU 對 EVM量測時間的影響。如圖所示，NI PXIe-8106 雙核心控制器在所有資料傳輸率之下，均可執(zhí)行較快的 EVM 量測作業(yè)。

圖 8. 較快的 CPU 即可縮短量測時間

雖然 PXIe-8106 可跨所有資料傳輸率達到較高速度，但請注意，其時脈并非所有控制器中的最高時脈。雖然 NI PXIe-8130 所使用的 AMD CPU 時脈，高於 the NI PXIe-8106 的時脈，但由於其 L2 快取尺寸較小，因此影響了運算速度。NI PXIe-8106 所使用的 Intel Core 2 Duo T7400 CPU，則具備此取樣組合中最大的 L2 快取 (4 MB)。

結論

如上表格與圖示所述，有多項因素可影響 WLAN 訊號的整體量測時間。因此，若要將量測系統(tǒng)的速度發(fā)揮到極致，則必須仔細考慮相關設定，包含平均次數(shù)、所要量測的符碼，與量測間隔 (頻譜)。更進一步來看，雖然使用者可調整多項量測設定以縮短量測時間，卻亦需要考量可能連帶影響的可重復性、精確度，或量測的完整性，進而取得平衡。因此，若不要犧牲量測品質又要能提升測試傳輸量，則最簡單的方法莫過於使用高速 CPU。而軟體定義架構 PXI 測試系統(tǒng)的重要優(yōu)勢之一，即是能讓使用者選擇所需的 CPU。除了可大幅提升量測速度之外，PXI 系統(tǒng)亦可進行高度的客制化。因此，使用者可享有未來升級處理器的彈性，以達到更快的量測速度。