內嵌客製化FPGA元件 802.11ac測試效率大躍進
新一代802.11ac標準帶來許多挑戰，相信許多測試工程師正忙著找出最合適的測試設備。而要以舊方法找出效能最佳的單機台儀器顯然是完全不可行，肇因於現今測試工程師是時間、成本、空間等資源有限，須進一步減少空間，且縮短測試與開發時間，同時還能為公司精簡預算，因此廠商若能提供使用者可設定功能的現場可編程閘陣列(FPGA)架構儀器，協助測試工程師解決這些挑戰，對工程師來說，無非是工作上的一大助益。本技術文章的重點在於特地使用開放式FPGA來測試802.11ac標準的優勢。
靈活運用分析工具組 加速訊號產生與擷取效率
無線區域網路(WLAN)分析工具組的軟體人機介面可搭配PXI儀器使用，提供快速的產生或擷取功能。使用者可將分析軟體人機介面用於已調變或頻譜量測作業；也可將兩個小封裝熱插拔收發器(SFP)搭配最多四個PXI儀器，打造4×4多重輸入多重輸出(MIMO)的設定配置。
802.11ac於5GHz頻帶運作，強制頻寬則為20、40、80MHz；160MHz支援功能目前仍屬於選擇性的。此外，測試人員也可選擇非鄰近的80+80MHz發射(TX)與接收(RX)頻寬。根據IEEE目前的規定(圖1)，802.11ac標準須在5GHz頻帶內與802.11a和802.11n向下相容，確保不會彼此排斥。其他的強制規格還包含80MHz頻寬、256QAM調變、最多八個空間串流與多個使用者的MIMO功能。
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| 圖1 802.11ac頻帶配置圖 |
事實上，只要搭配160MHz最大頻寬、8×8MIMO設定、256QAM與短防護週期，802.11ac即可發揮6.93Gbit/s的理論最大值。頻寬為80MHz，再加上四個TX通道與256-QAM調變時，平均資料傳輸率便是1.56Gbit/s。
有鑑於此，80MHz頻寬、64QAM訊號、800奈秒(ns)防護週期，再加上一個空間串流的資料傳輸率計算步驟如下。基本上總共會有兩百三十四個資料載波，符碼率的計算方式則為256/80MHz+800ns，再加上資料傳輸率公式的數字，就可以得到以下三個公式。其中，NBPSCS是每個空間串流中，每個子載波的已編碼位元數；NSD是每個頻率區段中複雜資料數字的數目；R為編碼率；TSYM則是符碼週期。
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支援多個訊號 MIMO技術全面進化
如圖2所示，MU-MIMO可以一個終端同時在相同頻帶中的多位使用者之間傳輸或接收訊號。MU-MIMO是一組進階的MIMO技術，運用多個獨立的無線電終端，來提升每個終端的通訊效能。單一使用者的MIMO僅限於存取確實連接至個別終端的多個天線。
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| 圖2 MU-MIMO對802.11ac而言堪稱一種突破，因其支援多個訊號接收者。 |
使用PXI儀器對於MIMO技術而言非常合適，因其同步處理PXI儀器內建的背板與同步化和記憶體核心(SMC)晶片。透過各家PXI儀器商的技術，即可在不同的分析器或生產器之間，達到最高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，單一機箱最多可安裝五個VST、十八個插槽，以便打造完整的5×5MIMO系統。反觀，若採用傳統的箱型儀器來建置這樣的系統，纜線與儀器設定會變得非常複雜。
導入客製化FPGA元件 量測效能升級
使用FPGA搭配RF儀器並非全新概念，不過提供使用者可設定功能的FPGA卻是前所未見的創新功能。開放式FPGA的用途包括自動增益控制、調變/解調變、傅立葉轉換(FFT)與平均、通道模擬等。
由於傳統箱型儀器會限制運算式的存取功能，例如FFT或甚至觸發。使用者如要客製箱型儀器所使用的FFT或觸發運算式，可能會有點困難。不過新一代的軟體設計儀器可讓工程師針對個人需求來客製化儀器，就像是客製化手機應用程式一樣。
隨著調變方式越來越複雜，工程師也必須維護出色的訊號品質。表1顯示出802.11ac不同調變方式的RMS錯誤向量幅度(Error Vector Magnitude, EVM)規定。
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測試設備的量測能力必須優於此規格(256QAM為-32 dB)，至少要10dB才能提供充裕的特性與生產測試空間。如圖3所示，PXI儀器的EVM數據領先業界，就像所有的無線標準與測試設備一樣，使用者可以稍加修改軟硬體，以便充分發揮量測效能。
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| 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 測試精準度大幅提升
另一方面，本文將會持續討論其他最佳化設定的效能；包含相位追蹤、通道追蹤、相位差歪曲補償。圖4為PXI針對80MHz、256QAM訊號進行-46dB的EVM量測，透過先進的PXI儀器迴送模式產生並擷取80MHz、MCS 9、802.11ac訊號。
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| 圖4 PXI可針對80MHz 256QAM訊號進行-46dB的EVM量測 |
追蹤調變訊號補償相位失真
追蹤調變訊號補償相位失真
相位追蹤功能非常適合用來追蹤剩餘頻率偏移與相位雜訊所造成的調變訊號相位變化。如果使用者將正交頻分多功(OFDM)相位追蹤方式屬性設為標準(Standard)，此工具組就會針對OFDM訊號執行試驗性(Pilot)架構的常見相位錯誤更正功能，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為瞬間(Instantaneous)，WLAN分析工具組就會針對OFDM訊號，執行Pilot架構的常見相位錯誤更正功能，同時補償每個調變訊號的相位失真；而IEEE標準並未定義這類補償功能。如要判斷振幅的調變失真與相位錯誤的效應，補償功能會非常實用。此工具組採用這種方式來追蹤相位，僅會計算EVM，也就是封包長度與不同子載波內複雜調變訊號振幅變化所造成的錯誤。請注意，圖5(a)~(d)為256QAM訊號的放大星座圖。這裡僅顯示四個訊號，以便說明變更參數的影響。
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| 圖5 (a)～(d)顯示出就80MHz 802.11ac訊號而言，相位追蹤對EVM數據的影響。此圖表僅列出256QAM星座圖中的四個訊號。 |
追蹤通道量測頻率響應
一旦啟動通道追蹤功能，WLAN分析工具組就會針對前置訊號與資料來量測通道響應(圖6)，並當做整個封包的通道頻率響應預估數據。又如果停用此通道追蹤功能，工具組僅會針對長訓練序列(Long Training Sequence, LTS)量測通道響應，並當做整個封包的通道頻率響應預估數據。
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| 圖6 啟動通道追蹤功能的影響 |
針對相位差歪曲訊號補償
如圖7所示，WLAN分析工具組也可針對產生器或待測裝置所造成的相位歪曲提供補償功能。如果調變方式有大量的點，例如256QAM，那麼補償相位差歪曲即可發揮最佳效能。圖8則為256QAM星座圖(放大其中四個訊號)顯示出相位差歪曲的補償效應。
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| 圖7 具有相位差歪曲的訊號 |
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| 圖8 256QAM星座圖顯示出相位差歪曲的補償效應 |
訊號中插入減損觀察裝置反應
WLAN生產工具組可讓使用者在所產生的訊號中插入減損，並且觀察待測裝置的反應。有了WLAN產生工具組即可加入載波頻率偏移、取樣時脈偏移、IQ減損與載波雜訊比等減損。
依頻數選擇頻譜遮罩進行80MHz測試
如圖9所示，由於802.11ac規定須進行80MHz頻譜遮罩測試，並可額外選擇80+80MHz與160MHz頻譜遮罩測試，因此80MHz區段必須是鄰近或非鄰近(不同頻帶中)的區段。
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| 圖9 80 MHz 802.11ac 訊號的頻譜遮罩量測 |
工程師可使用兩個同步化的產生器或分析器，以產生並擷取80+80訊號。如圖10所示，若兩個區段屬於不同頻段，那麼一般的80MHz頻譜遮罩即適用於各區段；但如果兩個區段屬於同頻段且為鄰近區段，這時便適用重疊頻譜遮罩。
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| 圖10 兩個同步化產生器或分析器可產生並擷取80+80訊號 |
兼顧品質與效率 PXI儀器獲市場青睞
每位測試工程師都面臨了縮短測試時間的挑戰。在特性環境中，工程師必須持續測試新產品的穩定度；至於在生產環境中，測試工程師須盡可能測試多種參數，且速度也要越快越好。
PXI平台同時針對儀器與所採用的處理器提供模組化功能。對測試工程師而言，加快測試速度的最好方式就是使用最新、最快的處理器。在傳統的箱型儀器上升級處理器非常麻煩，工程師也只能仰賴儀器供應商提供最新的處理器。反觀，採用PXI系統，工程師即可購買高效能電腦來執行所有處理作業。
有了開放編程的FPGA元件，工程師可藉由開放式架構來客製化儀器，進而啟用複雜的觸發解決方案，甚至是在該儀器上實作通道模擬也沒問題。相信以模組化硬體為基礎，並透過軟體進行定義與設計，可提供所需的高效能測試系統。藉此靈活的架構，全新的向量訊號收發器可針對多種RF應用加以設定，包含無線連線與通道模擬，還能因應未來需求隨時擴充。
