電子發(fā)燒友網(wǎng)核心提示：新一代802.11ac標(biāo)準(zhǔn)帶來(lái)許多挑戰(zhàn)，相信許多測(cè)試工程師正忙著找出最合適的測(cè)試設(shè)備。而要以舊方法找出效能最佳的單機(jī)臺(tái)儀器顯然是完全不可行，肇因于現(xiàn)今測(cè)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(cè)試與開發(fā)時(shí)間，同時(shí)還能為公司精簡(jiǎn)預(yù)算，因此廠商若能提供使用者可設(shè)定功能的現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）架構(gòu)儀器，協(xié)助測(cè)試工程師解決這些挑戰(zhàn)，對(duì)工程師來(lái)說(shuō)，無(wú)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(lái)測(cè)試802.11ac標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)勢(shì)。

　　靈活運(yùn)用分析工具組　加速訊號(hào)產(chǎn)生與擷取效率

　　無(wú)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(cè)作業(yè)；也可將兩個(gè)小封裝熱插拔收發(fā)器（SFP）搭配最多四個(gè)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(cè)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(huì)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(gè)空間串流與多個(gè)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(gè)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(hào)、800奈秒（ns）防護(hù)週期，再加上一個(gè)空間串流的資料傳輸率計(jì)算步驟如下?；旧峡偣矔?huì)有兩百叁十四個(gè)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(gè)公式。其中，NBPSCS是每個(gè)空間串流中，每個(gè)子載波的已編碼位元數(shù)；NSD是每個(gè)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(gè)訊號(hào)　MIMO技術(shù)全面進(jìn)化

　　如圖2所示，MU-MIMO可以一個(gè)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(hào)。MU-MIMO是一組進(jìn)階的MIMO技術(shù)，運(yùn)用多個(gè)獨(dú)立的無(wú)線電終端，來(lái)提升每個(gè)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(gè)別終端的多個(gè)天線。

　　圖2 MU-MIMO對(duì)802.11ac而言堪稱一種突破，因其支援多個(gè)訊號(hào)接收者。

　　使用PXI儀器對(duì)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(guò)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(gè)VST、十八個(gè)插槽，以便打造完整的5×5MIMO系統(tǒng)。反觀，若採(cǎi)用傳統(tǒng)的箱型儀器來(lái)建置這樣的系統(tǒng)，纜線與儀器設(shè)定會(huì)變得非常復(fù)雜。

　　導(dǎo)入客製化FPGA元件　量測(cè)效能升級(jí)

　　使用FPGA搭配RF儀器并非全新概念，不過(guò)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(dòng)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(huì)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(huì)有點(diǎn)困難。不過(guò)新一代的軟體設(shè)計(jì)儀器可讓工程師針對(duì)個(gè)人需求來(lái)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(lái)越復(fù)雜，工程師也必須維護(hù)出色的訊號(hào)品質(zhì)。表1顯示出802.11ac不同調(diào)變方式的RMS錯(cuò)誤向量幅度（Error Vector Magnitude， EVM）規(guī)定。

　　測(cè)試設(shè)備的量測(cè)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(cè)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(wú)線標(biāo)準(zhǔn)與測(cè)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(cè)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(cè)試精準(zhǔn)度大幅提升

　　另一方面，本文將會(huì)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(duì)80MHz、256QAM訊號(hào)進(jìn)行-46dB的EVM量測(cè)，透過(guò)先進(jìn)的PXI儀器迴送模式產(chǎn)生并擷取80MHz、MCS 9、802.11ac訊號(hào)。

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

　　追蹤調(diào)變訊號(hào)補(bǔ)償相位失真

　　相位追蹤功能非常適合用來(lái)追蹤剩余頻率偏移與相位雜訊所造成的調(diào)變訊號(hào)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(huì)針對(duì)OFDM訊號(hào)執(zhí)行試驗(yàn)性（Pilot）架構(gòu)的常見相位錯(cuò)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(huì)針對(duì)OFDM訊號(hào)，執(zhí)行Pilot架構(gòu)的常見相位錯(cuò)誤更正功能，同時(shí)補(bǔ)償每個(gè)調(diào)變訊號(hào)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(cuò)誤的效應(yīng)，補(bǔ)償功能會(huì)非常實(shí)用。此工具組採(cǎi)用這種方式來(lái)追蹤相位，僅會(huì)計(jì)算EVM，也就是封包長(zhǎng)度與不同子載波內(nèi)復(fù)雜調(diào)變訊號(hào)振幅變化所造成的錯(cuò)誤。請(qǐng)注意，圖5（a）~（d）為256QAM訊號(hào)的放大星座圖。這裡僅顯示四個(gè)訊號(hào)，以便說(shuō)明變更參數(shù)的影響。

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

　　追蹤通道量測(cè)頻率響應(yīng)

　　一旦啟動(dòng)通道追蹤功能，WLAN分析工具組就會(huì)針對(duì)前置訊號(hào)與資料來(lái)量測(cè)通道響應(yīng)（圖6），并當(dāng)做整個(gè)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(huì)針對(duì)長(zhǎng)訓(xùn)練序列（Long Training Sequence， LTS）量測(cè)通道響應(yīng)，并當(dāng)做整個(gè)封包的通道頻率響應(yīng)預(yù)估數(shù)據(jù)。

　　圖6 啟動(dòng)通道追蹤功能的影響

　　針對(duì)相位差歪曲訊號(hào)補(bǔ)償

　　如圖7所示，WLAN分析工具組也可針對(duì)產(chǎn)生器或待測(cè)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(gè)訊號(hào)）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(hào)

　　圖8 256QAM星座圖顯示出相位差歪曲的補(bǔ)償效應(yīng)

　　訊號(hào)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(hào)中插入減損，并且觀察待測(cè)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(cè)試

　　如圖9所示，由于802.11ac規(guī)定須進(jìn)行80MHz頻譜遮罩測(cè)試，并可額外選擇80+80MHz與160MHz頻譜遮罩測(cè)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(hào)的頻譜遮罩量測(cè)

　　工程師可使用兩個(gè)同步化的產(chǎn)生器或分析器，以產(chǎn)生并擷取80+80訊號(hào)。如圖10所示，若兩個(gè)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(gè)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(gè)同步化產(chǎn)生器或分析器可產(chǎn)生并擷取80+80訊號(hào)

　　兼顧品質(zhì)與效率　PXI儀器獲市場(chǎng)青睞

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

　　PXI平臺(tái)同時(shí)針對(duì)儀器與所採(cǎi)用的處理器提供模組化功能。對(duì)測(cè)試工程師而言，加快測(cè)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(jí)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(cǎi)用PXI系統(tǒng)，工程師即可購(gòu)買高效能電腦來(lái)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(lái)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(méi)問(wèn)題。相信以模組化硬體為基礎(chǔ)，并透過(guò)軟體進(jìn)行定義與設(shè)計(jì)，可提供所需的高效能測(cè)試系統(tǒng)。藉此靈活的架構(gòu)，全新的向量訊號(hào)收發(fā)器可針對(duì)多種RF應(yīng)用加以設(shè)定，包含無(wú)線連線與通道模擬，還能因應(yīng)未來(lái)需求隨時(shí)擴(kuò)充。