PXI+FPGA效能升级　802.11ac测试效率大跃进

　　电子发烧友网核心提示：新一代802.11ac标準带来许多挑战，相信许多测试工程师正忙着找出最合适的测试设备。而要以旧方法找出效能最佳的单机台仪器显然是完全不可行，肇因于现今测试工程师是时间、成本、空间等资源有限，须进一步减少空间，且缩短测试与开发时间，同时还能为公司精简预算，因此厂商若能提供使用者可设定功能的现场可编程门阵列（FPGA）架构仪器，协助测试工程师解决这些挑战，对工程师来说，无非是工作上的一大助益。本技术文章的重点在于特地使用开放式FPGA来测试802.11ac标準的优势。

　　灵活运用分析工具组　加速讯号产生与撷取效率

　　无线区域网路（WLAN）分析工具组的软体人机介面可搭配PXI仪器使用，提供快速的产生或撷取功能。使用者可将分析软体人机介面用于已调变或频谱量测作业；也可将两个小封装热插拔收发器（SFP）搭配最多四个PXI仪器，打造4×4多重输入多重输出（MIMO）的设定配置。

　　802.11ac于5GHz频带运作，强制频宽则为20、40、80MHz；160MHz支援功能目前仍属于选择性的。此外，测试人员也可选择非邻近的80+80MHz发射（TX）与接收（RX）频宽。根据IEEE目前的规定（图1），802.11ac标準须在5GHz频带内与802.11a和802.11n向下相容，确保不会彼此排斥。其他的强制规格还包含80MHz频宽、256QAM调变、最多八个空间串流与多个使用者的MIMO功能。

　　

　　图1 802.11ac频带配置图

　　事实上，只要搭配160MHz最大频宽、8×8MIMO设定、256QAM与短防护週期，802.11ac即可发挥6.93Gbit/s的理论最大值。频宽为80MHz，再加上四个TX通道与256-QAM调变时，平均资料传输率便是1.56Gbit/s。

　　有鑑于此，80MHz频宽、64QAM讯号、800奈秒（ns）防护週期，再加上一个空间串流的资料传输率计算步骤如下。基本上总共会有两百叁十四个资料载波，符码率的计算方式则为256/80MHz+800ns，再加上资料传输率公式的数字，就可以得到以下叁个公式。其中，NBPSCS是每个空间串流中，每个子载波的已编码位元数；NSD是每个频率区段中复杂资料数字的数目；R为编码率；TSYM则是符码週期。

　　

　　支援多个讯号　MIMO技术全面进化

　　如图2所示，MU-MIMO可以一个终端同时在相同频带中的多位使用者之间传输或接收讯号。MU-MIMO是一组进阶的MIMO技术，运用多个独立的无线电终端，来提升每个终端的通讯效能。单一使用者的MIMO仅限于存取确实连接至个别终端的多个天线。

　　

　　图2 MU-MIMO对802.11ac而言堪称一种突破，因其支援多个讯号接收者。

　　使用PXI仪器对于MIMO技术而言非常合适，因其同步处理PXI仪器内建的背板与同步化和记忆体核心（SMC）晶片。透过各家PXI仪器商的技术，即可在不同的分析器或生产器之间，达到最高0.1度的相位偏差。

　　此外，目前市面上已有非常小巧的PXI VST仪器，单一机箱最多可安装五个VST、十八个插槽，以便打造完整的5×5MIMO系统。反观，若採用传统的箱型仪器来建置这样的系统，缆线与仪器设定会变得非常复杂。

　　导入客製化FPGA元件　量测效能升级

　　使用FPGA搭配RF仪器并非全新概念，不过提供使用者可设定功能的FPGA却是前所未见的创新功能。开放式FPGA的用途包括自动增益控制、调变/解调变、傅立叶转换（FFT）与平均、通道模拟等。

　　由于传统箱型仪器会限制运算式的存取功能，例如FFT或甚至触发。使用者如要客製箱型仪器所使用的FFT或触发运算式，可能会有点困难。不过新一代的软体设计仪器可让工程师针对个人需求来客製化仪器，就像是客製化手机应用程式一样。

　　随着调变方式越来越复杂，工程师也必须维护出色的讯号品质。表1显示出802.11ac不同调变方式的RMS错误向量幅度（Error Vector Magnitude， EVM）规定。

　　

　　测试设备的量测能力必须优于此规格（256QAM为-32 dB），至少要10dB才能提供充裕的特性与生产测试空间。如图3所示，PXI仪器的EVM数据领先业界，就像所有的无线标準与测试设备一样，使用者可以稍加修改软硬体，以便充分发挥量测效能。

　　

　　图3 使用高效能PXI仪器的802.11ac EVM迴送模式

　　软硬体高度整合　测试精準度大幅提升

　　另一方面，本文将会持续讨论其他最佳化设定的效能；包含相位追踪、通道追踪、相位差歪曲补偿。图4为PXI针对80MHz、256QAM讯号进行-46dB的EVM量测，透过先进的PXI仪器迴送模式产生并撷取80MHz、MCS 9、802.11ac讯号。

　　

　　图4 PXI可针对80MHz 256QAM讯号进行-46dB的EVM量测

　　追踪调变讯号补偿相位失真

　　相位追踪功能非常适合用来追踪剩余频率偏移与相位杂讯所造成的调变讯号相位变化。如果使用者将正交频分多功（OFDM）相位追踪方式属性设为标準（Standard），此工具组就会针对OFDM讯号执行试验性（Pilot）架构的常见相位错误更正功能，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段落所载明的一样。

　　若把OFDM相位追踪方式属性设为瞬间（Instantaneous），WLAN分析工具组就会针对OFDM讯号，执行Pilot架构的常见相位错误更正功能，同时补偿每个调变讯号的相位失真；而IEEE标準并未定义这类补偿功能。如要判断振幅的调变失真与相位错误的效应，补偿功能会非常实用。此工具组採用这种方式来追踪相位，仅会计算EVM，也就是封包长度与不同子载波内复杂调变讯号振幅变化所造成的错误。请注意，图5（a）~（d）为256QAM讯号的放大星座图。这裡仅显示四个讯号，以便说明变更参数的影响。

　　

　　图5 （a）～（d）显示出就80MHz 802.11ac讯号而言，相位追踪对EVM数据的影响。此图表仅列出256QAM星座图中的四个讯号。

　　追踪通道量测频率响应

　　一旦启动通道追踪功能，WLAN分析工具组就会针对前置讯号与资料来量测通道响应（图6），并当做整个封包的通道频率响应预估数据。又如果停用此通道追踪功能，工具组仅会针对长训练序列（Long Training Sequence， LTS）量测通道响应，并当做整个封包的通道频率响应预估数据。

　　

　　图6 启动通道追踪功能的影响

　　针对相位差歪曲讯号补偿

　　如图7所示，WLAN分析工具组也可针对产生器或待测装置所造成的相位歪曲提供补偿功能。如果调变方式有大量的点，例如256QAM，那么补偿相位差歪曲即可发挥最佳效能。图8则为256QAM星座图（放大其中四个讯号）显示出相位差歪曲的补偿效应。

　　

　　图7 具有相位差歪曲的讯号

　　

　　图8 256QAM星座图显示出相位差歪曲的补偿效应

　　讯号中插入减损观察装置反应

　　WLAN生产工具组可让使用者在所产生的讯号中插入减损，并且观察待测装置的反应。有了WLAN产生工具组即可加入载波频率偏移、取样时脉偏移、IQ减损与载波杂讯比等减损。

　　依频数选择频谱遮罩进行80MHz测试

　　如图9所示，由于802.11ac规定须进行80MHz频谱遮罩测试，并可额外选择80+80MHz与160MHz频谱遮罩测试，因此80MHz区段必须是邻近或非邻近（不同频带中）的区段。

　　

　　图9 80 MHz 802.11ac 讯号的频谱遮罩量测

　　工程师可使用两个同步化的产生器或分析器，以产生并撷取80+80讯号。如图10所示，若两个区段属于不同频段，那么一般的80MHz频谱遮罩即适用于各区段；但如果两个区段属于同频段且为邻近区段，这时便适用重叠频谱遮罩。

　　

　　图10 两个同步化产生器或分析器可产生并撷取80+80讯号

　　兼顾品质与效率　PXI仪器获市场青睐

　　每位测试工程师都面临了缩短测试时间的挑战。在特性环境中，工程师必须持续测试新产品的稳定度；至于在生产环境中，测试工程师须尽可能测试多种参数，且速度也要越快越好。

　　PXI平台同时针对仪器与所採用的处理器提供模组化功能。对测试工程师而言，加快测试速度的最好方式就是使用最新、最快的处理器。在传统的箱型仪器上升级处理器非常麻烦，工程师也只能仰赖仪器供应商提供最新的处理器。反观，採用PXI系统，工程师即可购买高效能电脑来执行所有处理作业。

　　有了开放编程的FPGA元件，工程师可藉由开放式架构来客製化仪器，进而启用复杂的触发解决方案，甚至是在该仪器上实作通道模拟也没问题。相信以模组化硬体为基础，并透过软体进行定义与设计，可提供所需的高效能测试系统。藉此灵活的架构，全新的向量讯号收发器可针对多种RF应用加以设定，包含无线连线与通道模拟，还能因应未来需求随时扩充。