概述
在下一代無線局域網白皮書中已經討論了最新的802.11標準存在的一些問題。眾所周知，測試工程師都想盡快找到測試該標準的測試設備。大多數測試工程師發現使用最佳性能的昂貴盒式儀器的傳統方法已經無法適用于該情況。出現該問題的原因十分簡單：測試工程師急需各種資源，主要包括時間、預算和空間。當前測試工程師已通過各種新技術來縮減預算并減小空間，以及加快測試和開發時間。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場可編程門陣列(FPGA) 針對802.11ac進行測試的優勢。
WLAN測量入門指南
NI PXIe-5644R是業界首臺矢量信號收發儀(VST)。該VST的特點是高達80MHz的實時帶寬以及最高至6 GHz的中心頻率。該儀器同時包括可編程FPGA，可用于提高測試速度或實現各種實時算法，如快速傅立葉變換(FFT)、功率控制以及調制或解調等。完整的WLAN測試儀器的寬度為三個PXI Express插槽，并包括可用于待測設備(DUT)控制類型應用的數字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制或頻譜測量。通過軟面板和多達4臺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。
802.11ac可支持5 GHz波段并強制包括20、40和80 MHz帶寬。支持160 MHz當前為可選項。可選項還包括非連續80+80 MHz TX和RX帶寬。
圖4.802.11ac波段分配
IEEE草案要求802.11ac標準可向后兼容802.11a和802.11n的5 GHz波段，以便允許同時存在不同標準。部分其它強制規范包括：80 MHz帶寬、256-QAM調制、高達8條空間流、多用戶多輸入和多輸出(MIMO)。
當使用最大帶寬160 MHz、8x8 MIMO配置、256-QAM和短保護間隔時，802.11ac理論上可獲得最大6.93 Gbit/s。當使用80 MHz帶寬、4 tx通道以及256-QAM調制時，平均數據率為1.56 Gbit/s。
以下步驟可用于計算下列配置的數據率：80 MHz帶寬、帶800 ns保護間隔的64-QAM信號以及一條空間流。基本上有234數據載波(242—8導頻)。符號率計算方式如下：256/80 MHz + 800 ns (GI)。將數值代入數據率公式可得：
其中
NBPSCS = 每子載波每空間流的編碼位數
NSD = 每頻段的復數數據數
R = 碼率
TSYM = 符號間隔
多用戶MIMO (MU-MIMO)
MU-MIMO可允許一個終端同時與同一個波段的多個用戶收發信號。MU-MIMO屬于高級MIMO技術，可利用多個獨立無線電終端以便提高單個終端的通信能力。單用戶MIMO僅考慮使用實際連接至每個單獨接線端的多個天線。
圖5.MU-MIMO屬于802.11ac的特有概念，可允許多個接收器。
PXI平臺通過背板以及NI PXI儀器中嵌入的同步和內存核心(SMC)芯片可提供同步能力，使得該PXI平臺尤其適用于MIMO。通過NI-TLCK技術，可在多個分析儀和發生器(甚至多個連接機箱)間獲得高達0.1相位偏移度。
此外新的NI PXIe-5644R VST提供更小尺寸，可允許在單個機箱中使用多達5個VST以便創建完整的5x5 MIMO系統。通過傳統盒式儀器實現類似系統時將會需要更復雜的線纜和儀器設置。
圖6. 一套4x4 MIMO 802.11ac解決方案可方便地置于
一臺18插槽PXI Express機箱中。
用戶可編程FPGA的優勢
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可用于以下應用：
伺服
自動增益控制
調制和解調
FFT和平均
通道仿真
傳統盒式儀器將會限制使用諸如FFT和觸發等算法。對盒式儀器使用的FFT或觸發進行自定義通常十分困難。類似于在手機上自定義各種應用，新的基于軟件的儀器可允許工程師根據需要對儀器進行完全自定義。
獲取最佳EVM值
隨著調制方式越來越復雜，保持高質量的信號變得更加重要。表1顯示了802.11ac中不同調制方式的RMS EVM要求。
表1. 802.11ac中調制方式的RMS EVM要求
測試設備通常需提供比規范要求(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品測試。如圖7所示，NI PXIe-5644R可提供業界領先的EVM值。
圖7. 使用NI PXIe-5644R的802.11ac EVM環回模式
針對所有無線標準和測試設備，可以通過調整軟件和硬件以獲取最佳測量方式。使用NI PXIe-5665 VSA進行相鄰通道失真測量中討論了可用于信號分析儀的部分硬件優化。
下面將討論諸如相位跟蹤、通道跟蹤、正交偏移補償等其它優化方式。
注： 以下圖片均使用通過NI PXIe-5644R環回模式生成和采集的80 MHz、MCS 9 802.11ac信號。
圖8. NI PXIe-5644R可對80 MHz 256-QAM信號進行-46 dB EVM測量。
相位跟蹤可用于跟蹤由殘余頻偏和相位噪聲引起的調制符號的相位變化。如果將正交頻分復用(OFDM)相位跟蹤方法設置為標準，根據IEEE標準802.11a-1999的17.3.9.7章節和IEEE標準802.11n-2009的20.3.21.7.4章節指定，該工具包可對OFDM符號執行基于導頻的通用相位誤差糾正。
如果將OFDM相位跟蹤方法設置為瞬時，WLAN分析工具包可對OFDM符號執行基于導頻的通用相位誤差糾正，以及在每個調制符號中補償相位失真。IEEE標準中并未定義該類型補償，但該補償對于確定幅值中調制失真和相位誤差十分有用。通過該相位跟蹤方法，該工具包僅計算誤差向量幅度(EVM)，EVM為對包長度和不同子載波的復數調制符號變化引起的誤差。
默認值為標準。
注：下圖為放大的256-QAM信號圖。為了更好的說明參數變化效果，下圖僅顯示了4個符號。
圖9. 上圖顯示了80 MHz 802.11ac信號進行相位跟蹤對EVM數的影響。該圖表在256-QAM信號圖中僅顯示了4個符號。
通道跟蹤
通過啟用通道跟蹤，WLAN分析工具包可估計前導包和數據的通道響應，然后將該響應作為整個包的通道頻率響應估計。如禁用通道跟蹤，該工具包可估計長訓練序列(LTS)的通道響應，然后將該響應作為整個包的通道頻率響應估計。
圖10. 啟用通道跟蹤的效果
正交偏移補償
WLAN分析工具包也可以補償由于發生器/DUT引起的相位偏移。圖11顯示了帶正交偏移的信號。正交偏移補償最適用于帶大量點的調制方式(如256 QAM)。
圖11. 帶正交偏移的信號
256-QAM信號圖(已放大為僅顯示4個符號)顯示了正交偏移補償的效果。
圖12. 啟用相位偏移補償的效果
添加減損
NI WLAN生成工具包也可以在生成信號中增加減損并查看DUT的響應。通過WLAN生成工具包可添加以下減損：
載波頻率偏移
采樣時鐘偏移
IQ減損
增益失調
直流偏移
正交偏移
定時偏移
載波噪聲比
傳輸頻譜屏蔽
802.11ac要求強制80 MHz頻譜屏蔽測試。可選項也包括80+80 MHz和160 MHz頻譜屏蔽測試。80 MHz段可以為連續或非連續(在不同波段中)。
圖13. 80 MHz 802.11ac信號的頻譜屏蔽測量
工程師可以通過兩個同步的發生器或分析儀生成并采集80+80信號。如圖14所示，如果兩段屬于不同波段，將在每段中應用常規80 MHz頻譜屏蔽，但當兩段屬于同一波段并且為連續時，將在信號中應用疊加的頻譜屏蔽。
圖14. 80+80 802.11ac信號的頻譜屏蔽測量
測量速度
所有測試工程師都面臨縮減測試時間的挑戰。在特定環境中，工程師需要保證新產品的穩定測試流程。在生成環境中，測試工程師需要以最快時間測試盡可能多的參數。
PXI平臺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。在傳統箱式儀器中嘗試升級處理器將會十分困難。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，工程師自己即可購買高性能計算機來執行所有處理計算。
NI射頻儀器已在主控計算機中實現所有調制/解調以及處理計算，該主控計算機可以嵌入PXI機箱或者使用由PXI系統控制的外部計算機。
圖15顯示了在802.11ac中使用不同平均數執行EVM和頻譜屏蔽測試所需的測試時間。
圖15. 執行EVM和頻譜測試的測試時間
總結
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，用戶可以對儀器進行FPGA級別的各種自定義，從而實現復雜的觸發解決方案，工程師甚至可以在儀器中實現通道仿真。