如何提升WLAN测试系统的测量速度？

　　概览
　　由于业界正在不断寻求更低的测试成本，许多RF测试工程师必须继续地缩短测量时间。如你所知，无线网络（WLAN）装置的测试操作也必须要迎合这个趋势。无论是用于设计检验的自动化测试系统或者是最终产品的测试操作，测试系统的测量速度已经变得越来越重要。然而，在大多数情况下，除了缩短测试的时间并降低测试成本之外，系统的测量精度与可重复性却不能受到影响。这篇技术文章将针对WLAN测量操作，说明可能影响测量速度的多个权衡要素。在了解了相关概念之后，还将针对提供测试系统的测量速度，提供更好的实践说明。本技术文章将按照顺序对下列要素进行说明：平均度与可重复性；完整脉冲与部分脉冲的EVM；复合测量与单一测量；测量频跨与测量时间，最后是CPU与测量时间的关系。针对上述相关的要素，本技术文章将通过NI PXIe-5663 -- 6.6 GHz RF矢量信号分析仪来进行范例测量操作。这些实例使用NI PXIe-5673 -- 6.6 GHz RF矢量信号发生器作为激励。而且所有的范例都使用了NI WLAN测量套件（Measurement Suite），其中包括NI LabVIEW与LabWindows™/CVI的信号产生与分析工具包来搭建测量平台。若要进一步了解应该如何设置PXI WLAN测试系统，可以参阅配置软件定义的WLAN测试系统。虽然这篇技术文章着重于PXI RF仪器的操作，但相同的基本测量要素也可能通用于任何RF仪器。因此，无论是PXI仪器与传统的RF仪器，都可以通过这篇技术文件来提高相关的性能。
　　权衡要素1 – 平均度与可重复性
　　无论是自动化设计检验还是生产测试方面的应用，提升测量结果可重复性的常见技术，就是平均多次测量的结果。然而，如果要设定大量的平均值来提高测量结果的可重复性，将会增加测量的时间，一般来说，总体的测量时间可以通过平均值的次数而进行线性的调整。因此，如果单一测量操作需要用时20ms，那么相同的测量结果10次取平均的时候，就将花费近200ms。
　　更进一步来看，由于平均操作可以将不可重复的减损（Impairment）- 如加性高斯白噪声（Additive white Gaussian noise，AWGN）在多次测量之间进行抵消，因此可以有效地提高可重复性。如果要了解平均操作对可重复性的影响，就可以使用NI PXIe-5673 RF矢量信号发生器与NI PXIe-5663 RF矢量信号分析仪来执行环回测试。通过上述装置，可以在2.412GHz上产生802.11g正交频分多工（OFDM），-10dBm功率强度的RF信号。同样的，使用4种不同信号种类– BPSK （6 Mbps）、QPSK （18 Mbps）、16-QAM （24 Mbps），与 64-QAM （54 Mbps）就可以了解脉冲的大小与调制类型对测量时间的影响。如果使用1024位的有效载荷，那么每种信号类型都将具有不同数量的OFDM符号。举例来说，BPSK脉冲将具有343个符号，而64-QAM脉冲将使用39个符号。因此，每种信号类型的脉冲间隔也不一样，表1显示了不同类型脉冲宽度的不同。
　　表1 802.11a/g可变数据传输率的调制方式，脉冲间隔以及符号数
　　
　　误差矢量强度（EVM）测量操作可以提供完整的信号调制质量。在EVM测量操作中，有两种内置的方法可以展现平均的结果。针对IEEE802.11a/g脉冲，测量的结果将覆盖各个OFDM子载波与符号。以EVM的均方根（RMS）表示。根据表1来看，应该可以直接看出脉冲中的符号数量，而且如果EVM是较低的6Mbps（BPSK）数据传输率，应该可以产生超过54Mbps脉冲的可重复测量操作。从而可以得知较长脉冲也具有较多的符号。但是，仅当EVM是通过完整脉冲（而非特定部分脉冲）表现为RMS时，上述的假说才是成立的。权衡要素2将针对部分脉冲进行分析，说明相关的可重复性。
　　在一般的情况下，我们可以假设：在执行较长脉冲的测量操作的时候，将可以产生更多的可重复的EVM结果。图1显示了平均次数与测量标准偏差之间的关系。这些测量操作都是通过NI PXIe-5673 RF矢量信号发生器和NI PXIe-5663 RF矢量信号分析仪来进行的。使用-10dBm的RF平均功率，并且将这两种仪器的中间频率均设定为2.412GHz。
　　
　　图1 平均操作可以降低测量平均值的标准偏差
　　图1展示了当每次测量操作所使用的平均次数增加的时候，1000次EVM测量的标准偏差将随之降低。请注意，由于 图1 所使用的信号源是RF矢量信号发生器- 专门为了产生可重复的信号而设计的产品，所以图1中的EVM与标准偏差均大大好于802.11g转换器所可能产生的实际情况。因此，可以将图1显示的结果作为可重复性的标准。并且，请注意，只有以绝对测量值（Absolute measurement value）表示的测量其可重复性才有意义。一般来说，只要测试仪器的EVM标准越高，其可重复性的影响就越小。表2则显示测量操作设定为10次平均时的EVM结果。
　　表2 EVM与调制类型保持相对的一致性
　　
　　表2 显示，无论调制方式的不同所测得EVM将趁于一致，然而，这也表示使用者可以通过较长的脉冲来获得较好的标准偏差。当然也将需要测量更多的符号。举例来说，如果进行10次平均就可以在64-QAM信号上达到0.081dB的标准偏差，那么当测量BPSK信号的完整脉冲时，只需要5次平均就可以达到相同的标准偏差。
　　一般来说，只需要花费较长的测量时间，就可以通过平均操作来达到较低的标准偏差结果。表3就以54Mbps脉冲来说明了这种关系，请注意，表3的测量时间包含 了门控功率和EVM测量操作。
　　表 3. 测量时间随着平均次数的增加而增加
　　
　　在表3中，我们使用PXIe-5663 RF矢量信号分析仪与一套NI PXIe-8106控制器执行复合的EVM与门控功率测量操作。EVM是由完整脉冲的RMS计算所得；而且其中的平均值与标准偏差是以超过1000次的测量操作所计算得出的。表3则说明，测量时间与平均次数之间那趋于线性的关系。NI WLAN分析工具包使用了所谓的非同步提取（Asynchronous fetching）技术，即当分析仪提取出新的记录的时候，也同时处理以前的记录。因此，使用者不需要受到线性时间（Linear time）的限制就可以对多次平均进行测量操作。另外，还请注意表3所列出的单次平均的EVM与功率测量将花费9.4ms，但如果将平均次数设定在10次，测量操作就仅花费了63.6ms，即每次的平均耗时为6.3ms。
　　权衡要素2 – 完整脉冲EVM与部分脉冲EVM
　　如果将仪器设定为执行部分脉冲EVM，而不是处理完整脉冲EVM测量时，就可以在某些情况下获得较快的EVM测量。按照默认值来处理，NI WLAN分析工具包将执行OFDM EVM测量来作为整个脉冲序列中所有子载波中每个符号的RMS。同样的，NI WLAN分析工具包将802.11b DSSS EVM测量作为整个脉冲序列所有片段的RMS。但是，仍然有诸多范例显示，如果仅测量脉冲的第一部分，那么不仅可以得到可重复的测量并节约测量时间。在这样的情况下，您可以通过编程来配置运算EVM所需要的符号数目或者片段数。
　　为了说明部分脉冲分析的影响，我们可以通过两组不同的脉冲并设定其分别使用BPSK （6 Mbps） 和 64-QAM （54 Mbps）。如表1所示，BPSK脉冲具有1434 µs的长度与343组符号；而64-QAM脉冲具有176 µs的长度和39组OFDM符号。同样的，本实验展示了运算EVM测量时间的结果作为1000次测量的平均值。每一个测量值都通过一次平均来实现并关闭了轨迹。图2 展示了用来进行运算操作的符号数量与BPSK脉冲测量时间的关系。
　　
　　图2 BPSK脉冲所测得标准偏差与符号之间的关系
　　如图2所示，对于BPSK这种较长的脉冲序列来说，如果可以只分析序列的一部分而不是所有的符号，就可以大大缩短测量的时间。如果使用比较少的符号，就可以将该脉冲的测量时间从40ms缩短为22ms。此外，在较快的测量条件下，测量结果的可重复性可能会出现稍微的偏差。
　　很显然，部分脉冲测量的优点是可以缩短较长脉冲的测量时间。造成这个结果的原因就是对于较长的脉冲序列来说，进行一次测量的准备时间（内存分配、驱动调用以及数据采集的时间）与整个脉冲的测量时间相比仅占很小的一部分。而与之相反，对较短的脉冲序列（例如64-QAM和16QAM）来说，相对于使用的符号来说，灵活性就相对小了。例如，一个64-QAM脉冲序列仅包括39个先头符号。因为您需要多于16个符号来进行可重复的EVM测量，所以您将不能在64-QAM脉冲序列上显著地缩短测量时间。图3显示了针对54Mb/s的脉冲其测量时间与符号数目的关系。
　　
　　图3 对较长的脉冲序列来说，部分脉冲分析会更快
　　图2与图3所显示的结果，都使用了NI PXIe-8106控制器来加快测量的速度。请注意，这些结果仅适用于某些条件，针对较长的BPSK与QPSK 802.11a/g信号而言，仅进行部分脉冲分析的确可以缩短测量的时间。
　　通过WLAN分析工具包，也可以使用相同的方法来设定IEEE802.11b EVM测量操作只对部分脉冲进行计算。由于802.11b使用直接序列扩频（DSSS），因此将通过多级片段来计算EVM。因为默认的EVM测量将对完整的脉冲进行计算，使用者可以将WLAN分析工具包设定为仅对1000组片段执行EVM测量操作。
　　
　　图4. 以较少的DSSS片段来配置EVM所得到的802.11b的测量时间
　　从图4可以看出，如果针对1Mbps的信号脉冲减少测量的片段数量，就可以将测量的时间从300ms缩短为170ms。
　　权衡要素3 – 复合测量与单一测量
　　缩短WLAN测量时间的第三个要素，就是执行复合式的测量操作来取代个别设定的测量操作。通过WLAN分析工具包，只需要执行单一的复合式测量操作就可以进行所有的时域测量（时域功率、EVM和频率偏移）。由于复合测量可以从单一脉冲中计算得到多项测量结果，因此其效率高于顺序执行的独立测量操作。
　　当使用复合式测量操作测量功率时，必须考虑两种方式，如果使用WLAN分析工具包，即可以通过完整的脉冲序列来测量RF功率，也可以通过部分脉冲序列来进行门控测量。表4展示了各个测量操作所需要的测量时间。该表格中的所有结果，都是100次测量各自进行了单次平均之后的总的平均值。在些范例中，我们使用了16组OFDM符号来完成每次802.11a/g EVM测量操作。并针对20~120 µs的部分脉冲序列进行门控功率测量。
　　表4. 进行802.11a/g复合测量与单一测量所需要的时间
　　
　　从表4可知，针对802.11a/g的单一脉冲序列执行如EVM与功率等重要的复合测量时，其总测量时间与多个单一测量的时间总和相比将可以有大幅地降低。表4所示的复合测量包含了EVM，门控功率（部分脉冲）与TX功率（完整脉冲）测量。
　　如果对802.11b信号进行相应的复合式测量，也可以省下差不多的时间。针对该信号类型，重要的测量可以包括EVM、功率、功率上升时间与功率下降时间。同样的，由于复合式测量可以让使用者同步地进行多个测量操作，因此是一种加速装置测量速度的方法。表5即是以NI PXIe-8106双核控制器运行LabVIEW 8.6.1进行测量的结果。这里通过对1000个片段进行EVM测量，并且以100 µs的时间间隔来计算门控功率。
　　表5. 进行802.11b复合测量与单一测量所需要的时间对比
　　
　　同样的，表5说明了并行测量操作可以达到较高的效率。如果分别执行11Mbps CCK脉冲、EVM、TXP和上升/下降测量操作，将总共需要126ms的测量时间，但如果是平等测量，则仅需要64ms的总测量时间。
　　权衡要素4 – 测量频跨与测量时间
　　执行WLAN频谱测量所需要注意的第四个权衡要素，就是测量的频跨与测量时间之间的关系。IEEE 802.11标准为802.11a/g信号定义了60MHz的频域遮罩，为802.11b定义了66MHz的频域遮罩；并且还有几个实例可用于用户自定制，举例来说，测试工程师可能需要100MHz的频跨来测试调制信号频率范围以外的混叠信号。更进一步来说，工程师也可能对802.11b信号只使用44MHz的频跨以缩短测量时间。
　　不管是数字IF分析仪还是传统的扫频分析仪来说，测量频宽越大，需要的测量时间越长。使用传统的扫频分析仪，测量的时间与频跨会是线性的关系。在这样的条件下，如果将一个100kHz的RBW滤波器在所需要的频跨范围中进行扫频，测量的时间将与测量的频跨成线性关系。如果使用矢量信号分析仪（如NI PXI-5661和NI PXIe-5663），那么其结果将会有所不同。与矢量信号分析仪的实时带宽相比，频谱测量操作的实时带宽较为狭小，因此不需要另外的RF前端来对信号进行重调以完成测量。
　　例如，NI PXIe-5663 RF矢量信号分析仪如果提供50MHz的实时带宽，那么使用者就不需要花费大量的时间来重新调整仪器的前端，也可以执行低于50MHz频跨的频谱测量操作。图5即是使用NI PXIe-8106控制器执行频谱测量操作，根据频跨范围的不同而在3~12.5ms之间变化。
　　
　　图5. 运行于NI PXIe-8106控制器的WLAN 802.11g/g测试的频域遮罩对频跨的关系（NIRFSA 2.2或更新版本）
　　与之相对的，如果频跨是在50MHz与100MHz之间，就必须要对分析仪的RF前端重新进行一次调整。因此，加上CPU对信号进行额外处理所需要的时间分析仪前面重调操作将会增加全局测量时间。图5展示了一个66MHz频跨（完全的802.11a/g频域遮罩）的信号需要近12.5ms的时间来测量。在这样的条件下，附加时间将会取决于本地晶振的稳定时间而不是信号处理的时间。
　　请注意，与该EVM测量相似的是：操作者必须考虑测量时间与平均次数之间的关系。由于平均操作可以合理地降低本底噪声，所以一般工程师都会在测量的时候执行几次平均。在图6中，可以观察到单次平均与100次平均下的频谱遮罩测量（66MHz频跨）结果的区别。
　　
　　图6 对频谱模板测量操作来说，适当的平均可以降低测量的不确定性
　　因此，测量频跨与平均次数，都将影响频谱模板测量的整体速度，一般来说，只有在RF前端必须进行重调时，测量频跨对测量时间的影响会比较大，而从另一方面来看，平均次数帽与测量的时间有线性的关系。
　　例如，考虑对处理器资源要求较高的802.11b的频谱模板测量（44MHz频域范围），图7展示了测量时间与平均次数之间的线性关系。
　　
　　图7 在不同CPU条件下频谱模板测量时间与平均次数的关系
　　更进一步来说，CPU测量时间与CPU的特性有相当大的关系。在这个实例中，CPU的运算能力越强，例如使用NI PXIe-8106控制器，就能够越快地完成这个测试。
　　权衡要素5 - CPU对测量时间的影响
　　第五个会大幅影响WLAN信号测量的权衡要素是测量系统所使用的CPU。CPU是软件定义的PXI测量系统的核心基本部件之一。CPU的性能也往往是影响测量性能最直接的因素，对RF的测量更是如此。幸运的是，现在的用户可以通过目前的多核CPU配合WLAN分析工具包来获得极高的工业级的测量结果。
　　虽然实际系统的性能仍然受到很多其它因素的影响（如存储介质容量的大小或其它应用背景的影响），但在自动化测试系统中，CPU性能与测量时间的关系密不可分。表6就展示了以PXI控制器为基础的比较结果。
　　表6 多款PXI Express 控制器的重要参数对比
　　
　　以上几个CPU的性能都会对整体的测量速度造成影响，但其中影响最大的，包括处理核的数量、CPU时钟频率、前端总线、L2缓存的大小和系统内存的大小。
　　图8展示的是脉冲数据传输率与测量时间的关系。还有CPU对EVM测量时间的影响，如图所示，NI PXIe-8106双核控制器在所有的数据传输率中，都可以取得较快的EVM测量时间。
　　
　　图8 较快的CPU可以缩短测量的时间
　　虽然PXIe-8106在所有的数据传输率下都可以取得最快的速度，但是请注意，它并非本次实验使用的所有控制器中时钟频率最高的。虽然NI PXIe-8130所使用的AMD CPU的时钟比NI PXIe-8106的时钟频率要高，但由于其L2缓存大小较小，因此影响了其运算的速度。NI PXIe-8106所使用的Intel Core 2Duo T700 CPU，是这次实验中L2缓存最大（4MB）的CPU。
　　结论
　　如上面的表格与图示所展示的，有很多的因素都可能影响WLAN信号的整体测量时间。因此，如果想要将测量系统的速度发挥到极致，就必须要仔细地考虑相关的配置，包括平均次数、所要测量的符号数与测量频跨（频谱）。更进一步地看，虽然操作者可以调整多个测量配置来缩短测量的时间，却也需要同时考虑可能关联影响的可重复性、精度或者是测量的完整性，进而达到结果的平衡。因此，如果要不牺牲测量的品质又要能够提升测试的数据传输量，最简单的办法莫过于选择更好的CPU。而软件定义的PXI架构的测试系统的重要优势之一就是可以让操作者可以根据自己的需要选择CPU。除了可以大幅提升测量速度之外，PXI系统也可以高度的自定制。所以，操作者可以获得未来升级处理器的灵活性以达到更快的测量速度。