擴充處理器有彈性 PXI有效縮短WLAN測試時間
然而，在許多情況下，除縮短測試時間並降低成本外，亦不能犧牲測試的精確性與可重複性。此篇文章將針對WLAN量測作業，說明可影響量測速度的多個平衡要素，並依序說明平均(Averaging)對可重複性(Repeatability)、完整叢集對部分叢集的錯誤向量強度(Error Vector Magnitude, EVM)、複合量測對單一量測、量測間隔與量測時間，以及中央處理器(CPU)對量測時間的影響，且在了解相關概念後，對提升測試系統的量測速度，提供更好的實作說明。
此外，雖然此文章著重於PXI RF儀控作業，但相同的基本量測要件亦適用於任何RF儀器。因此，不論是PXI與傳統RF儀控，均可透過此篇文章提升相關效能。
設定大量平均值 提高量測重複性
不論是自動化設計檢驗或生產測試應用，提升量測可重複性的常見技術，即是平均多筆量測結果。然而，若要設定大量的平均值以提升可重複性，將會增加量測時間的成本。
一般來說，總量測時間可透過平均值的數量而進行線性調整，因此，若單一量測作業必須耗費20毫秒(ms)，則相同量測進行十次平均時，將耗費將近200毫秒。
此外，由於平均作業將計入不可重複的減損(Impairment)，如加成性白高斯雜訊(Additive White Gaussian Noise, AWGN)，以有效取消不必要的量測作業，因此將提高可重複性。
同樣的，使用四種不同的訊號類型，分別為BPSK(6Mbit/s)、QPSK(18Mbit/s)、16-QAM(24Mbit/s)與64-QAM(54Mbit/s)，則可了解脈波叢(Burst)尺寸與調變架構對量測時間的影響。若使用1,024位元的酬載(Payload)，則每種訊號類型均具有不同數量的正交分頻多工(OFDM)符碼。例如，BPSK叢集使用三百四十三組符碼，而64-QAM訊號則使用三十九組符碼，也因此每種訊號類型的叢集區間亦不盡相同(表1)。
 |
EVM量測作業，可完整了解訊號的調變品質，在EVM量測作業中，共內建兩種方法可呈現平均結果。針對IEEE 802.11a/g叢集，量測結果將涵蓋各個OFDM子載波與符碼(Symbol)，以EVM的均方根(RMS)表示。如表1所示，應可直接看出叢集中的符碼數量，且若EVM為較低的6Mbit/s(BPSK)資料傳輸率，應可產生超過54Mbit/s叢集的可重複量測作業，從而可得知較長叢集亦具有較多的符碼。但僅限EVM是透過完整叢集(而非特定部分叢集)呈現為RMS時，上述假設才可成立。
一般情況下，假設在執行較長叢集的量測作業時，將可產生更多的可重複EVM結果。圖1顯示平均次數與量測標準誤差之間的關係，當使用-10dBm的RF平均功率時，此兩組儀器的中央頻率均設定為2.412GHz。
 |
| 圖1 平均作業可降低量測平均值的標準誤差 |
如圖1所示，當每次量測作業所使用的平均次數增加時，1,000EVM量測的標準誤差(Deviation)即跟著降低。由於圖1所使用的訊號源為RF向量訊號產生器，係專為產生可重複訊號所設計的產品，因此圖1中的EVM與標準誤差，均大幅優於802.11g傳輸器所可能產生的實際情況。可將圖1顯示結果作為可重複性的基準，並僅限以絕對量測值(Absolute Measurement Value)表示的量測可重複性才有意義。一般來說，只要測試儀器的EVM基準越高，則可重複性的影響越小，表2則顯示量測作業設定為十次平均時的EVM結果。
 |
如表2所示，跨所有調變架構所測得的EVM將趨於一致。然而，此亦代表使用者可透過較長叢集獲得較佳的標準誤差，當然亦將量測更多符碼。例如，若進行十次平均，即可於64-QAM訊號上達到0.081dB的標準誤差時，則當量測BPSK訊號的完整叢集時，僅需五次平均即可達到相同的標準誤差。
一般來說，僅須耗費較長量測時間，即可透過平均作業達到較低的結果標準誤差。表3即以54Mbit/s叢集說明此關係，表3的量測時間包含閘控功率與EVM量測作業。
 |
EVM是以完整叢集的RMS計算所得，且其中的平均值與標準誤差，是以超過一千次的量測作業所算出。表3則說明，量測時間與平均次數之間趨於線性的關係。
WLAN分析(Analysis)工具組使用所謂非同步提取(Asynchronous Fetching)技術，即當分析器提取新的記錄時，亦同時處理先前的紀錄；因此使用者不須受限於線性時間(Linear Time)，亦可針對多筆平均設定量測作業，單次平均的EVM與功率量測將耗費9.4毫秒；但若設定十次平均，量測作業亦僅耗費63.6毫秒，亦即各次平均僅需6.3毫秒。
執行部分叢集加速EVM量測速度
若將儀器設定執行部分叢集，而非完整叢集的量測時，則可於某些情況下，達到較快的EVM量測。然而，有許多範例指出，若僅量測叢集的第一部分，即可產生可重複的量測結果，並省下量測時間。在此情況下，使用者可針對要用於計算EVM量測所需的符碼或切片數量，透過程式設計的方法進行設定。
為說明部分叢集分析的影響，可透過兩組不同的叢集並設定分別使用BPSK(6Mbit/s)與64-QAM(54Mbit/s)。如表1所示，BPSK叢集具備1,434微秒(μs)的區間與三百四十三組符碼；而64-QAM叢集具備176微秒的區間與三十九組OFDM符碼。同樣的，其計算EVM量測時間的結果，即為一千次量測作業的平均值，所執行的各次量測均進行一次平均，且其軌跡均產生變化。
圖2即是計算量測作業所用的符碼數量，與BPSK叢集量測時間的關係。如BPSK此種較長的叢集來說，若能分析僅部分的叢集而非各個符碼，即可大幅縮短量測時間。若使用數量較少的符碼，則可將此叢集的量測時間從40毫秒縮短為22毫秒。此外，在較快的量測條件下，可重複性的結果僅可能稍微變差。
 |
| 圖2 BPSK叢集所測得標準誤差與符碼之間的關係 |
很明顯的，僅量測部分叢集的優點，即是可縮短較長叢集的量測時間，理由即是因執行量測的經常性因素，如記憶體配置、驅動程式呼叫與擷取時間，將可補償整體量測時間的較小部分。相反來看，較短叢集如64-QAM與16-QAM，在使用符碼數量時的彈性即較低。例如，64-QAM叢集在開始時僅包含三十九組符碼，由於必須再多加十六組符碼才能進行可重複的EVM量測，因此無法大幅縮短64-QAM叢集的整體量測時間。圖3即針對54Mbit/s叢集，說明量測時間與所需符碼數量之間的關係。
 |
| 圖3 對較長的叢集，則可分析部分叢集以加快量測速度。 |
由於802.11b即使用直接序列展頻(Direct-Sequence Spread Spectrum, DSSS)，因此將透過多組切片計算EVM。因為預設的EVM量測將計算完整的。叢集，使用者可將WLAN分析工具組設定執行僅一千組切片(Chip)的EVM量測作業。從圖4可看出，若針對1Mbit/s訊號叢集減少量測的切片數量，則可將量測時間從300毫秒縮短為170毫秒。
 |
| 圖4 以較少DSSS切片設定EVM而形成的802.11b量測時間 |
以複合量測取代單一量測作業
以複合量測取代單一量測作業
縮短WLAN量測時間的第三項要點，即是執行複合式量測作業，以取代個別設定的量測作業。透過WLAN分析工具組，僅需單一的複合式量測作業，即可進行所有的時域量測(功率對時間、EVM與頻率偏移)。由於複合式量測可於單一叢集中計算多項量測結果，因此效率高於依序執行的獨立量測作業。
當使用複合式量測作業量測功率時，必須考慮兩種方式，若使用WLAN分析工具組，即可透過完整叢集量測RF功率，或透過部分叢集進行閘控量測，表4顯示各項量測作業所需的量測時間。此表格中的所有結果，為一百次量測各自進行單次平均之後的總平均值。此範例使用十六組OFDM符碼得出各次802.11a/gEVM量測作業，並針對20120微秒的部分叢集進行閘控功率(Gated Power)量測。
 |
從表4可知，當針對802.11a/g的單一叢集，執行如EVM與功率的重要複合量測時，總量測時間將可大幅低於個別量測的時間。表4所示的複合量測則包含EVM、閘控功率(部分叢集)，與TX功率(完整叢集)。
若針對802.11b訊號進行複合式量測，亦可省下差不多的時間。針對此訊號類型，重要量測可包含EVM、功率、功率緩升(Ramp-up)時間，與功率緩降(Ramp-down)時間。同樣的，由於複合式量測可讓使用者同步進行多項量測作業，因此實為加速裝置測試速度的方法。此處即跨一千切片進行EVM量測，且以100微秒的時間間隔計算閘控功率。
同樣的，表5說明平行量測作業可達較高效益。若分別執行11Mbit/s CCK叢集、EVM、TXP與緩升/緩降量測作業，將需要126毫秒量測總時間；但若平行量測僅需64毫秒量測總時間。
 |
量測間隔對量測時間影響性依儀器種類而不同
執行WLAN頻譜量測時須注意第四項要點，即為量測時間與量測間隔(Span)之間的關係。IEEE 802.11標準是針對802.11a/g訊號定義60MHz遮罩，針對802.11b訊號定義66MHz遮罩，並還有數個範例可用於客製間隔。例如，檢驗工程師可能需要100MHz的間隔，以檢查調變訊號之外的混附訊號。
更進一步來說，工程師亦可能對802.11b訊號僅使用44MHz間隔，以縮短量測時間。對數位IF分析器與傳統的掃頻(Swept-Tune)分析器而言，若量測間隔較寬，所需的量測時間亦較長；若使用傳統的掃頻分析器，則量測時間與間隔將呈現線性關係。如此一來，若將100kHz RBW濾波器以所需間隔進行掃頻，而量測時間將與量測間隔構成線性關係。但若透過向量訊號分析器，則結果將有些許不同。與向量訊號分析器的瞬間頻寬(Instantaneous Bandwidth)相較，頻譜量測作業的即時頻寬較為狹窄，因此不須重新微調(Re-Tune)儀器的RF前端，亦可完成量測作業。
在50MHz與100MHz之間的間隔中，則須針對分析器的RF前端重新進行一次微調。因此，若搭配PCU所需的額外訊號處理作業，則分析器前端的重新微調作業將提升整體量測時間。透過圖5可發現，66MHz的間隔(完整的802.11a/g遮罩)必須耗費約12.5毫秒的時間，如此一來，所增加的額外時間則為本端震盪器(Local oscillator, LO)的趨穩時間，而非作業處理時間。
 |
| 圖5 使用控制器的WLAN 802.11a/g遮罩對間隔 |
此與EVM量測相似的是，使用者必須考慮量測時間與平均次數之間的關係。由於平均作業可針對雜訊水平(Noise Floor)提供合理的解釋，因此工程師往往會執行多次平均。在圖6中，則可觀察單次平均與一百次平均的頻譜遮罩量測(66MHz間隔)作業。
 |
| 圖6 針對頻譜遮罩量測作業，平均可降低量測的不確定性。 |
因此，量測頻寬與平均次數，均將影響頻譜遮罩量測的整體速度。一般來說，僅有RF前端須進行微調時，量測頻寬對量測時間的影響較大；另一方面，平均次數與量測時間成線性相關。
以占用高處理器資源量測之一的802.11b頻譜遮罩量測(44MHz間隔)為例。圖7則顯示量測時間與平均次數之間的線性關係。更進一步來說，CPU量測時間與CPU的關係極為密切，在此條件下，具備較高運算功能的CPU，將可大幅縮短量測時間。
 |
| 圖7 使用不同CPU時的802.11b頻譜遮罩時間對平均次數 |
高速CPU有效提升量測效能
量測系統所使用的CPU，可大幅影響WLAN訊號量測時間。CPU為軟體定義PXI量測系統中的基本核心要件之一，CPU效能亦往往是影響量測效能最鉅的單一因素，對RF量測尤為如此。現今使用者已可透過現有的多核心CPU搭配WLAN分析工具組，獲得極高的工業級量測結果。
雖然實際系統效能仍受其他多項因素所影響，如記憶體空間或其他背景執行的應用，但在自動化測試系統中，CPU效能與量測時間的關係仍密不可分。表6則是以PXI控制器為基礎，顯示相關比較結果。
 |
多項CPU特性均可影響整體的量測速度；其中影響最大的，包含處理核心數量、CPU時脈、前端匯流排、L2快取尺寸與系統記憶體。圖8則顯示時間與叢集資料傳輸率之間的關係，還有CPU對EVM量測時間的影響。
 |
| 圖8 較快的CPU可縮短量測時間 |
如上表格與圖示所述，有多項因素可影響WLAN訊號的整體量測時間。因此，若要將量測系統的速度發揮到極致，則須仔細考慮相關設定，包含平均次數、所要量測的符碼與量測間隔(頻譜)。
更進一步來看，雖然使用者可調整多項量測設定以縮短量測時間，卻亦須考量可能連帶影響的可重複性、精確度或量測完整性，進而取得平衡。因此，若不要犧牲量測品質，又要能提升測試傳輸量，最簡單的方法莫過於使用高速CPU；而軟體定義架構PXI測試系統的重要優勢之一，即是能讓使用者選擇所需的CPU，除可大幅提升量測速度外，PXI系統亦可進行高度的客製化，因此使用者可享有未來升級處理器的彈性，以達到更快的量測速度。
