NI PXI結(jié)合FPGA實(shí)現(xiàn)最佳WLAN測量，支持802.11ac

 概述

在下一代無線局域網(wǎng)白皮書中已經(jīng)討論了最新的802.11標(biāo)準(zhǔn)存在的一些問題。眾所周知，測試工程師都想盡快找到測試該標(biāo)準(zhǔn)的測試設(shè)備。大多數(shù)測試工程師發(fā)現(xiàn)使用最佳性能的昂貴盒式儀器的傳統(tǒng)方法已經(jīng)無法適用于該情況。出現(xiàn)該問題的原因十分簡單：測試工程師急需各種資源，主要包括時(shí)間、預(yù)算和空間。當(dāng)前測試工程師已通過各種新技術(shù)來縮減預(yù)算并減小空間，以及加快測試和開發(fā)時(shí)間。NI提供的用戶可編程FPGA儀器可幫助測試工程師解決這些問題。本文章主要討論通過現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA) 針對802.11ac進(jìn)行測試的優(yōu)勢。

WLAN測量入門指南

NI PXIe-5644R是業(yè)界首臺(tái)矢量信號(hào)收發(fā)儀(VST)。該VST的特點(diǎn)是高達(dá)80MHz的實(shí)時(shí)帶寬以及最高至6 GHz的中心頻率。該儀器同時(shí)包括可編程FPGA，可用于提高測試速度或?qū)崿F(xiàn)各種實(shí)時(shí)算法，如快速傅立葉變換(FFT)、功率控制以及調(diào)制或解調(diào)等。完整的WLAN測試儀器的寬度為三個(gè)PXI Express插槽，并包括可用于待測設(shè)備(DUT)控制類型應(yīng)用的數(shù)字I/O端口。

圖1. NI PXIe-5644R是用于WLAN測量的最佳選擇，可編程FPGA允許用戶根據(jù)需要自定制儀器。

軟面板

NI WLAN分析工具包提供的軟面板可通過NI PXIe-5644R使用快速生成或采集功能。該分析軟面板可用于調(diào)制或頻譜測量。通過軟面板和多達(dá)4臺(tái)NI PXIe-5644R也可獲得4x4 MIMO配置。

圖2. 利用NI WLAN分析工具包可方便地使用NI PXIe-5644R進(jìn)行測量。

圖3. 利用NI WLAN生成工具包可生成80 MHz帶寬的802.11ac信號(hào)。

802.11ac可支持5 GHz波段并強(qiáng)制包括20、40和80 MHz帶寬。支持160 MHz當(dāng)前為可選項(xiàng)?？蛇x項(xiàng)還包括非連續(xù)80+80 MHz TX和RX帶寬。

圖4.802.11ac波段分配

IEEE草案要求802.11ac標(biāo)準(zhǔn)可向后兼容802.11a和802.11n的5 GHz波段，以便允許同時(shí)存在不同標(biāo)準(zhǔn)。部分其它強(qiáng)制規(guī)范包括：80 MHz帶寬、256-QAM調(diào)制、高達(dá)8條空間流、多用戶多輸入和多輸出(MIMO)。

當(dāng)使用最大帶寬160 MHz、8x8 MIMO配置、256-QAM和短保護(hù)間隔時(shí)，802.11ac理論上可獲得最大6.93 Gbit/s。當(dāng)使用80 MHz帶寬、4 tx通道以及256-QAM調(diào)制時(shí)，平均數(shù)據(jù)率為1.56 Gbit/s。

以下步驟可用于計(jì)算下列配置的數(shù)據(jù)率：80 MHz帶寬、帶800 ns保護(hù)間隔的64-QAM信號(hào)以及一條空間流?；旧嫌?34數(shù)據(jù)載波(242—8導(dǎo)頻)。符號(hào)率計(jì)算方式如下：256/80 MHz + 800 ns (GI)。將數(shù)值代入數(shù)據(jù)率公式可得：

數(shù)據(jù)率

數(shù)據(jù)率

數(shù)據(jù)率

其中

NBPSCS = 每子載波每空間流的編碼位數(shù)

NSD = 每頻段的復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)數(shù)

R = 碼率

TSYM = 符號(hào)間隔

多用戶MIMO (MU-MIMO)

MU-MIMO可允許一個(gè)終端同時(shí)與同一個(gè)波段的多個(gè)用戶收發(fā)信號(hào)。MU-MIMO屬于高級(jí)MIMO技術(shù)，可利用多個(gè)獨(dú)立無線電終端以便提高單個(gè)終端的通信能力。單用戶MIMO僅考慮使用實(shí)際連接至每個(gè)單獨(dú)接線端的多個(gè)天線。

圖5.MU-MIMO屬于802.11ac的特有概念，可允許多個(gè)接收器。

PXI平臺(tái)通過背板以及NI PXI儀器中嵌入的同步和內(nèi)存核心(SMC)芯片可提供同步能力，使得該P(yáng)XI平臺(tái)尤其適用于MIMO。通過NI-TLCK技術(shù)，可在多個(gè)分析儀和發(fā)生器(甚至多個(gè)連接機(jī)箱)間獲得高達(dá)0.1相位偏移度。

此外新的NI PXIe-5644R VST提供更小尺寸，可允許在單個(gè)機(jī)箱中使用多達(dá)5個(gè)VST以便創(chuàng)建完整的5x5 MIMO系統(tǒng)。通過傳統(tǒng)盒式儀器實(shí)現(xiàn)類似系統(tǒng)時(shí)將會(huì)需要更復(fù)雜的線纜和儀器設(shè)置。

圖6. 一套4x4 MIMO 802.11ac解決方案可方便地置于

一臺(tái)18插槽PXI Express機(jī)箱中。

用戶可編程FPGA的優(yōu)勢

雖然在射頻儀器中使用FPGA并不是新概念，但NI PXIe-5644R為用戶提供了新的可編程FPGA。FPGA可用于以下應(yīng)用：

• 伺服

• 自動(dòng)增益控制

• 調(diào)制和解調(diào)

• FFT和平均

• 通道仿真

傳統(tǒng)盒式儀器將會(huì)限制使用諸如FFT和觸發(fā)等算法。對盒式儀器使用的FFT或觸發(fā)進(jìn)行自定義通常十分困難。類似于在手機(jī)上自定義各種應(yīng)用，新的基于軟件的儀器可允許工程師根據(jù)需要對儀器進(jìn)行完全自定義。

獲取最佳EVM值

隨著調(diào)制方式越來越復(fù)雜，保持高質(zhì)量的信號(hào)變得更加重要。表1顯示了802.11ac中不同調(diào)制方式的RMS EVM要求。

表1. 802.11ac中調(diào)制方式的RMS EVM要求

測試設(shè)備通常需提供比規(guī)范要求(如-32 dB用于256 QAM)高至少10 dB的測量能力，從而提供足夠的空間用于特征和產(chǎn)品測試。如圖7所示，NI PXIe-5644R可提供業(yè)界領(lǐng)先的EVM值。

圖7. 使用NI PXIe-5644R的802.11ac EVM環(huán)回模式

針對所有無線標(biāo)準(zhǔn)和測試設(shè)備，可以通過調(diào)整軟件和硬件以獲取最佳測量方式。使用NI PXIe-5665 VSA進(jìn)行相鄰?fù)ǖ朗д鏈y量中討論了可用于信號(hào)分析儀的部分硬件優(yōu)化。

下面將討論諸如相位跟蹤、通道跟蹤、正交偏移補(bǔ)償?shù)绕渌鼉?yōu)化方式。

注： 以下圖片均使用通過NI PXIe-5644R環(huán)回模式生成和采集的80 MHz、MCS 9 802.11ac信號(hào)。

圖8. NI PXIe-5644R可對80 MHz 256-QAM信號(hào)進(jìn)行-46 dB EVM測量。

相位跟蹤

相位跟蹤可用于跟蹤由殘余頻偏和相位噪聲引起的調(diào)制符號(hào)的相位變化。如果將正交頻分復(fù)用(OFDM)相位跟蹤方法設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)IEEE標(biāo)準(zhǔn)802.11a-1999的17.3.9.7章節(jié)和IEEE標(biāo)準(zhǔn)802.11n-2009的20.3.21.7.4章節(jié)指定，該工具包可對OFDM符號(hào)執(zhí)行基于導(dǎo)頻的通用相位誤差糾正。

如果將OFDM相位跟蹤方法設(shè)置為瞬時(shí)，WLAN分析工具包可對OFDM符號(hào)執(zhí)行基于導(dǎo)頻的通用相位誤差糾正，以及在每個(gè)調(diào)制符號(hào)中補(bǔ)償相位失真。IEEE標(biāo)準(zhǔn)中并未定義該類型補(bǔ)償，但該補(bǔ)償對于確定幅值中調(diào)制失真和相位誤差十分有用。通過該相位跟蹤方法，該工具包僅計(jì)算誤差向量幅度(EVM)，EVM為對包長度和不同子載波的復(fù)數(shù)調(diào)制符號(hào)變化引起的誤差。

默認(rèn)值為標(biāo)準(zhǔn)。

注：下圖為放大的256-QAM信號(hào)圖。為了更好的說明參數(shù)變化效果，下圖僅顯示了4個(gè)符號(hào)。

圖9. 上圖顯示了80 MHz 802.11ac信號(hào)進(jìn)行相位跟蹤對EVM數(shù)的影響。該圖表在256-QAM信號(hào)圖中僅顯示了4個(gè)符號(hào)。

通道跟蹤

通過啟用通道跟蹤，WLAN分析工具包可估計(jì)前導(dǎo)包和數(shù)據(jù)的通道響應(yīng)，然后將該響應(yīng)作為整個(gè)包的通道頻率響應(yīng)估計(jì)。如禁用通道跟蹤，該工具包可估計(jì)長訓(xùn)練序列(LTS)的通道響應(yīng)，然后將該響應(yīng)作為整個(gè)包的通道頻率響應(yīng)估計(jì)。

圖10. 啟用通道跟蹤的效果

正交偏移補(bǔ)償

WLAN分析工具包也可以補(bǔ)償由于發(fā)生器/DUT引起的相位偏移。圖11顯示了帶正交偏移的信號(hào)。正交偏移補(bǔ)償最適用于帶大量點(diǎn)的調(diào)制方式(如256 QAM)。

圖11. 帶正交偏移的信號(hào)

256-QAM信號(hào)圖(已放大為僅顯示4個(gè)符號(hào))顯示了正交偏移補(bǔ)償?shù)男Ч?/p>

圖12. 啟用相位偏移補(bǔ)償?shù)男Ч?/p>

添加減損

NI WLAN生成工具包也可以在生成信號(hào)中增加減損并查看DUT的響應(yīng)。通過WLAN生成工具包可添加以下減損：

• 載波頻率偏移

• 采樣時(shí)鐘偏移

• IQ減損

o 增益失調(diào)

o 直流偏移

o 正交偏移

o 定時(shí)偏移

• 載波噪聲比

傳輸頻譜屏蔽

802.11ac要求強(qiáng)制80 MHz頻譜屏蔽測試?？蛇x項(xiàng)也包括80+80 MHz和160 MHz頻譜屏蔽測試。80 MHz段可以為連續(xù)或非連續(xù)(在不同波段中)。

圖13. 80 MHz 802.11ac信號(hào)的頻譜屏蔽測量

工程師可以通過兩個(gè)同步的發(fā)生器或分析儀生成并采集80+80信號(hào)。如圖14所示，如果兩段屬于不同波段，將在每段中應(yīng)用常規(guī)80 MHz頻譜屏蔽，但當(dāng)兩段屬于同一波段并且為連續(xù)時(shí)，將在信號(hào)中應(yīng)用疊加的頻譜屏蔽。

圖14. 80+80 802.11ac信號(hào)的頻譜屏蔽測量

測量速度

所有測試工程師都面臨縮減測試時(shí)間的挑戰(zhàn)。在特定環(huán)境中，工程師需要保證新產(chǎn)品的穩(wěn)定測試流程。在生成環(huán)境中，測試工程師需要以最快時(shí)間測試盡可能多的參數(shù)。

PXI平臺(tái)可為儀器以及使用的處理器提供模塊化方法，測試工程師提高測試速度的最簡便方法就是使用最新最快的處理器。在傳統(tǒng)箱式儀器中嘗試升級(jí)處理器將會(huì)十分困難。工程師們很大程度上依賴于儀器制造商來提供最新的處理器。通過PXI系統(tǒng)，工程師自己即可購買高性能計(jì)算機(jī)來執(zhí)行所有處理計(jì)算。

NI射頻儀器已在主控計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)所有調(diào)制/解調(diào)以及處理計(jì)算，該主控計(jì)算機(jī)可以嵌入PXI機(jī)箱或者使用由PXI系統(tǒng)控制的外部計(jì)算機(jī)。

圖15顯示了在802.11ac中使用不同平均數(shù)執(zhí)行EVM和頻譜屏蔽測試所需的測試時(shí)間。

圖15. 執(zhí)行EVM和頻譜測試的測試時(shí)間

總結(jié)

NI PXIe-5644R的速度、性能、體積和靈活性使其成為WLAN測試的理想儀器。通過開放式架構(gòu)，用戶可以對儀器進(jìn)行FPGA級(jí)別的各種自定義，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的觸發(fā)解決方案，工程師甚至可以在儀器中實(shí)現(xiàn)通道仿真。