提升WLAN測試系統的測量速度

由于業界正在不斷尋求更低的測試成本，許多RF測試工程師必須繼續地縮短測量時間。如你所知，無線網絡（WLAN）裝置的測試操作也必須要迎合這個趨勢。無論是用于設計檢驗的自動化測試系統或者是最終產品的測試操作，測試系統的測量速度已經變得越來越重要。然而，在大多數情況下，除了縮短測試的時間并降低測試成本之外，系統的測量精度與可重復性卻不能受到影響。這篇技術文章將針對WLAN測量操作，說明可能影響測量速度的多個權衡要素。在了解了相關概念之后，還將針對提供測試系統的測量速度，提供更好的實踐說明。本技術文章將按照順序對下列要素進行說明：平均度與可重復性；完整脈沖與部分脈沖的EVM；復合測量與單一測量；測量頻跨與測量時間，最后是CPU與測量時間的關系。針對上述相關的要素，本技術文章將通過NI PXIe-5663 -- 6.6 GHz RF矢量信號分析儀來進行范例測量操作。這些實例使用NI PXIe-5673 -- 6.6 GHz RF矢量信號發生器作為激勵。而且所有的范例都使用了NI WLAN測量套件（Measurement Suite），其中包括NI LabVIEW與LabWindows?/CVI的信號產生與分析工具包來搭建測量平臺。若要進一步了解應該如何設置PXI WLAN測試系統，可以參閱配置軟件定義的WLAN測試系統。雖然這篇技術文章著重于PXI RF儀器的操作，但相同的基本測量要素也可能通用于任何RF儀器。因此，無論是PXI儀器與傳統的RF儀器，都可以通過這篇技術文件來提高相關的性能。

1. 權衡要素1 – 平均度與可重復性
無論是自動化設計檢驗還是生產測試方面的應用，提升測量結果可重復性的常見技術，就是平均多次測量的結果。然而，如果要設定大量的平均值來提高測量結果的可重復性，將會增加測量的時間，一般來說，總體的測量時間可以通過平均值的次數而進行線性的調整。因此，如果單一測量操作需要用時20ms，那么相同的測量結果10次取平均的時候，就將花費近200ms。

更進一步來看，由于平均操作可以將不可重復的減損（Impairment）- 如加性高斯白噪聲（Additive white Gaussian noise，AWGN）在多次測量之間進行抵消，因此可以有效地提高可重復性。如果要了解平均操作對可重復性的影響，就可以使用NI PXIe-5673 RF矢量信號發生器與NI PXIe-5663 RF矢量信號分析儀來執行環回測試。通過上述裝置，可以在2.412GHz上產生802.11g正交頻分多工（OFDM），-10dBm功率強度的RF信號。同樣的，使用4種不同信號種類– BPSK (6 Mbps)、QPSK (18 Mbps)、16-QAM (24 Mbps)，與 64-QAM (54 Mbps)就可以了解脈沖的大小與調制類型對測量時間的影響。如果使用1024位的有效載荷，那么每種信號類型都將具有不同數量的OFDM符號。舉例來說，BPSK脈沖將具有343個符號，而64-QAM脈沖將使用39個符號。因此，每種信號類型的脈沖間隔也不一樣，表1顯示了不同類型脈沖寬度的不同。

表1 802.11a/g可變數據傳輸率的調制方式，脈沖間隔以及符號數

誤差矢量強度（EVM）測量操作可以提供完整的信號調制質量。在EVM測量操作中，有兩種內置的方法可以展現平均的結果。針對IEEE802.11a/g脈沖，測量的結果將覆蓋各個OFDM子載波與符號。以EVM的均方根（RMS）表示。根據表1來看，應該可以直接看出脈沖中的符號數量，而且如果EVM是較低的6Mbps（BPSK）數據傳輸率，應該可以產生超過54Mbps脈沖的可重復測量操作。從而可以得知較長脈沖也具有較多的符號。但是，僅當EVM是通過完整脈沖（而非特定部分脈沖）表現為RMS時，上述的假說才是成立的。權衡要素2將針對部分脈沖進行分析，說明相關的可重復性。

在一般的情況下，我們可以假設：在執行較長脈沖的測量操作的時候，將可以產生更多的可重復的EVM結果。圖1顯示了平均次數與測量標準偏差之間的關系。這些測量操作都是通過NI PXIe-5673 RF矢量信號發生器和NI PXIe-5663 RF矢量信號分析儀來進行的。使用-10dBm的RF平均功率，并且將這兩種儀器的中間頻率均設定為2.412GHz。

圖1 平均操作可以降低測量平均值的標準偏差

圖1展示了當每次測量操作所使用的平均次數增加的時候，1000次EVM測量的標準偏差將隨之降低。請注意，由于圖1 所使用的信號源是RF矢量信號發生器- 專門為了產生可重復的信號而設計的產品，所以圖1中的EVM與標準偏差均大大好于802.11g轉換器所可能產生的實際情況。因此，可以將圖1顯示的結果作為可重復性的標準。并且，請注意，只有以絕對測量值（Absolute measurement value）表示的測量其可重復性才有意義。一般來說，只要測試儀器的EVM標準越高，其可重復性的影響就越小。表2則顯示測量操作設定為10次平均時的EVM結果。

表2 EVM與調制類型保持相對的一致性

表2 顯示，無論調制方式的不同所測得EVM將趁于一致，然而，這也表示使用者可以通過較長的脈沖來獲得較好的標準偏差。當然也將需要測量更多的符號。舉例來說，如果進行10次平均就可以在64-QAM信號上達到0.081dB的標準偏差，那么當測量BPSK信號的完整脈沖時，只需要5次平均就可以達到相同的標準偏差。

一般來說，只需要花費較長的測量時間，就可以通過平均操作來達到較低的標準偏差結果。表3就以54Mbps脈沖來說明了這種關系，請注意，表3的測量時間包含了門控功率和EVM測量操作。

表 3. 測量時間隨著平均次數的增加而增加

在表3中，我們使用PXIe-5663 RF矢量信號分析儀與一套NI PXIe-8106控制器執行復合的EVM與門控功率測量操作。EVM是由完整脈沖的RMS計算所得；而且其中的平均值與標準偏差是以超過1000次的測量操作所計算得出的。表3則說明，測量時間與平均次數之間那趨于線性的關系。NI WLAN分析工具包使用了所謂的非同步提取（Asynchronous fetching）技術，即當分析儀提取出新的記錄的時候，也同時處理以前的記錄。因此，使用者不需要受到線性時間（Linear time）的限制就可以對多次平均進行測量操作。另外，還請注意表3所列出的單次平均的EVM與功率測量將花費9.4ms，但如果將平均次數設定在10次，測量操作就僅花費了63.6ms，即每次的平均耗時為6.3ms。

2. 權衡要素2 – 完整脈沖EVM與部分脈沖EVM
如果將儀器設定為執行部分脈沖EVM，而不是處理完整脈沖EVM測量時，就可以在某些情況下獲得較快的EVM測量。按照默認值來處理，NI WLAN分析工具包將執行OFDM EVM測量來作為整個脈沖序列中所有子載波中每個符號的RMS。同樣的，NI WLAN分析工具包將802.11b DSSS EVM測量作為整個脈沖序列所有片段的RMS。但是，仍然有諸多范例顯示，如果僅測量脈沖的第一部分，那么不僅可以得到可重復的測量并節約測量時間。在這樣的情況下，您可以通過編程來配置運算EVM所需要的符號數目或者片段數。

為了說明部分脈沖分析的影響，我們可以通過兩組不同的脈沖并設定其分別使用BPSK (6 Mbps) 和 64-QAM (54 Mbps)。如表1所示，BPSK脈沖具有1434 μs的長度與343組符號；而64-QAM脈沖具有176 μs的長度和39組OFDM符號。同樣的，本實驗展示了運算EVM測量時間的結果作為1000次測量的平均值。每一個測量值都通過一次平均來實現并關閉了軌跡。圖2 展示了用來進行運算操作的符號數量與BPSK脈沖測量時間的關系。

圖2 BPSK脈沖所測得標準偏差與符號之間的關系

如圖2所示，對于BPSK這種較長的脈沖序列來說，如果可以只分析序列的一部分而不是所有的符號，就可以大大縮短測量的時間。如果使用比較少的符號，就可以將該脈沖的測量時間從40ms縮短為22ms。此外，在較快的測量條件下，測量結果的可重復性可能會出現稍微的偏差。

很顯然，部分脈沖測量的優點是可以縮短較長脈沖的測量時間。造成這個結果的原因就是對于較長的脈沖序列來說，進行一次測量的準備時間（內存分配、驅動調用以及數據采集的時間）與整個脈沖的測量時間相比僅占很小的一部分。而與之相反，對較短的脈沖序列（例如64-QAM和16QAM）來說，相對于使用的符號來說，靈活性就相對小了。例如，一個64-QAM脈沖序列僅包括39個先頭符號。因為您需要多于16個符號來進行可重復的EVM測量，所以您將不能在64-QAM脈沖序列上顯著地縮短測量時間。圖3顯示了針對54Mb/s的脈沖其測量時間與符號數目的關系。

圖3 對較長的脈沖序列來說，部分脈沖分析會更快

用了NI PXIe-8106控制器來加快測量的速度。請注意，這些結果僅適用于某些條件，針對較長的BPSK與QPSK 802.11a/g信號而言，僅進行部分脈沖分析的確可以縮短測量的時間。

通過WLAN分析工具包，也可以使用相同的方法來設定IEEE802.11b EVM測量操作只對部分脈沖進行計算。由于802.11b使用直接序列擴頻（DSSS），因此將通過多級片段來計算EVM。因為默認的EVM測量將對完整的脈沖進行計算，使用者可以將WLAN分析工具包設定為僅對1000組片段執行EVM測量操作。

圖4. 以較少的DSSS片段來配置EVM所得到的802.11b的測量時間