回顾S WLAN 802.11ad测试解决方案的分析和介绍

1. 引言

随着智能手机、电视和平板电脑等各种无线终端的大量普及，视频等高速数据交互变得更加频繁，数据吞吐量呈现了爆发式增长态势，这些需求推动着无线通信技术不断向前发展，一种可在短距离上进行超高速无线传输的标准 IEEE 802.11ad应运而生，该技术也被称为WiGig。

802.11ad是近十年来对IEEE WLAN标准的一次革命性更新，它首次引入了60 GHz毫米波工作频段，而之前802.11n工作在2.4GHz或5GHz频段，802.11ac工作于5GHz频段，而60 GHz频段拥有比5GHz频段大数十倍以上的工作带宽。

802.11ad的技术优势体现在以下几方面：

高速率

11ad标准理论最高速率可到7 Gbps，虽然11ac通过使用 8x8 MIMO、256 QAM调制以及160 MHz带宽也能达到相似的速率，但11ad仅需一个空间流、64 QAM调制和单个信道就能实现相同速率目标。

大容量

毫米波的应用可以很大程度减少天线间尺寸，便于集成多个天线单元，在原有2.4 GHz频段天线面积上可以容纳32或更多的天线单元，大规模天线通过Beamforming技术实现高方向性通信，有效降低多个设备同时工作时的相互干扰，极大提升信道容量。

低时延

10us的往返时间成为可能，几乎可比于有线通信，满足时延要求敏感的应用如虚拟现实(VR)和增强现实(AR)。

WiGig/802.11ad技术支持广泛的应用，包括无线投影、高清视频分发、PC无线扩展坞和无线VR头盔等。产业链上芯片商有像Intel、高通和三星，终端设备典型的有TP-Link Talon AD7200路由器、戴尔E7450/7470笔记本等。

802.11ad有着以上的优点，但60 GHz频段路损较大，氧吸严重，决定了其无法穿墙或远距离传输，因此往往需要搭配11n/ac技术，组成无缝的三频WLAN产品。

2. 802.11ad技术原理

2.1 信道分配

802.11ad工作于60 GHz(57 GHz – 66 GHz)ISM频段，该频段共定义了四个信道，每个信道带宽2.16 GHz，但不是四个信道在世界各地都能适用，其中只有2号信道(60.48 GHz)全球通用，因为常被置为默认信道号。

图１全球WLAN 802.11ad频率分配

2.2 物理层

802.11ad共定义了四种物理层方式，以适应不同的使用环境，如低功耗单载波方式着眼于对功耗敏感的终端设备。11ad设备不一定需要支持全部四种方式，这里只有控制物理层(SC PHY)和常规单载波调制(SC PHY)两种是强制要求，OFDM和低功耗SC是可选方式，目前市场上商业芯片几乎都不支持OFDM方式，因此实际上最高速率是单载波调制SC工作在MCS12时的4.6 Gbps。

表1 WLAN物理层

以上所有的物理层方式使用相同的帧结构，包括了Preamble，Header，Data和TRN四部分。 

图2 802.11ad帧结构示意图

Preamble

前导包括了短训练信号和信道估计，存在于所有的物理层方式中，用于接收机识别包类型、频率误差估计，也能用于信道估计。

Header

每个物理层有不同的包头，包含发给接收设备的重要信息，例如调制编码方式，文件长度以及校验和。

Data

该部分用于传输编码调制后的真正用户数据

TRN

属于可选部分，可加入在任何包中，用于优化Beamforming设置

2.3 测试需求

频谱发射模板(Transmit Mask)

中心频率容差(Center Frequency Tolerance)

符号定时误差(Symbol clock tolerance)

本振泄露(Transmit Center Frequency leakage)

突发的上升沿和下降沿时间(Transmit Rampup and Rampdown)

不同MCS下EVM和灵敏度要求

3. 研发测试方案

802.11ad设备包括了基带BB芯片和射频收发RFIC芯片，如高通的QCA6335基带芯片和QCA6310射频芯片组合。BB芯片因其频率相对较低，通常都能支持传导连接测试；RFIC芯片因毫米波频段特性限制，天线和RFIC利用 AIP(Antenna in Package)技术封装在一起，以致只能通过OTA(Over The Air)方式进行射频测试。

3.1 BBIC测试

BBIC是信号收发的基带物理层实现模块，包括了RX和TX两部分。

3.1.1 BBIC RX测试

R&S SMW200A单表不但支持2GHz带宽的模拟IQ输出，而且也能支持1X GHz中频信号输出，满足DUT的IQ或中频输入要求。SMW200A直接集成了WiGig/802.11ad信号产生功能，无需依托外部电脑即可实时生成信号。

图3 SMW200A实现BBIC接收测试

SMW200A的11ad信号产生界面支持对Control PHY/SC PHY，MCS，Code Rate，Header，FCS以及信道编码前原始数据等进行灵活设置，非常方便用于BBIC物理层接收验证或整机灵敏度测试。

图4  SMW200A的11ad信号产生设置界面

3.1.2 BBIC TX测试

搭配4 GHz带宽高端示波器R&S RTO2044，频谱与信号分析仪R&S FSW67支持中频频率大于5.5 GHz的11ad信号解调；如果BBIC不是中频信号输出，而是单端或差分IQ输出，只需要两根或四根IQ线连接到示波器即可。

图5  FSW67 + RTO2044分析802.11ad中频信号

3.2 RFIC测试

RFIC实现了11ad信号的调制和解调，以及通过多路移相器产生和接收16路甚至多达256路的Beamforming信号，完成高指向性射频信号收发，补偿在60GHz毫米波频段传输带来的高路径损耗。

3.2.1 LO相噪测试

本振的相噪指标影响发射机的调制信号质量、邻信道泄露抑制度，以及接收侧信号质量和误码率。由于无线高速数据传输离不开高阶调制，也就意味着对本振相噪指标有较高要求。但是，毫米波频段器件相噪水平和我们熟悉的6 GHz以下频段相比却有较大差距，举例而言，如果把11ac使用的5.9 GHz本振进行10倍频得到60 GHz本振信号，相噪会随之恶化20log(60/5.9) 约20 dB。因此，在毫米波频段要实现无线传输，不仅考验设备的相噪水平，对测试测量仪表也是挑战。

图6  频综10倍频后相噪变化曲线

R&S借助于自己研发的频综ASIC芯片，使高端频谱分析仪FSW67在60GHz频率，10 kHz频偏处具备-112 dBc/Hz的相噪能力，在1 MHz频偏处更可达-128 dBc/Hz，满足于市面上各种60 GHz RFIC(如Hittite HMC6300 1MHz频偏-93dBc/Hz)的相噪测试需求，FSW67拥有足够的裕量保证相噪测量精度。

图7  频谱仪FSW67在60GHz的相噪测量能力        

3.2.2 噪声系数NF测试

噪声系数直接决定了接收机灵敏度能力，是射频研发阶段必不可少的一个测试环节。FSW67在60 GHz频段具备-155 dBm/Hz的典型底噪值，只需在FSW67频谱分析仪上选装噪声系数测量选件FSW-K30，再结合Noisecom公司的60GHz噪声系数测试附件NC5115-60G/GT，无需任何外部谐波下变频器就能非常方便地完成802.11ad接收机噪声系数测试，并且支持WR15波导口或者1.85mm同轴口两种接口。

图8  FSW67的60 GHz噪声系数测试

图9是FSW67在测试一款Wireless HD/11ad低噪放的噪声系数，其中黄色曲线是噪声系数，结果都小于5dB，另一条青色曲线表示低噪放增益。

图9  FSW67的60 GHz噪声系数界面

3.2.3 RFIC TX测试

SMW200A单表输出差分IQ或者中频IF信号作为RFIC TX测试的输入，再利用FSW67 + RTO对60GHz毫米波信号完成2.3章节和发射机相关的测试项目。

图10  RFIC TX部分测试框图

3.2.4 RFIC RX测试

为了能够产生60 GHz频段2 GHz带宽的11ad信号，需要一台具备2 GHz带宽的SMW200A，并搭配60 GHz专用的矢量上变频器SZU100A。SMW和SZU之间通过USB线+差分IQ线线束进行连接，一旦连接好后，SZU100A就是不可见的黑盒，信号产生所需的所有参数设置都在SMW界面上完成。SMW+SZU组合在输出MCS12 16QAM信号时具备低达-34 dBc的优异EVM值，保证了RFIC RX测试时射频输入端的信号质量。

图11  SMW和SZU连接图 

图12  RFIC的RX部分测试框图

3.4 终端整机测试

3.4.1 射频质量测试

对于11ad设备整机测试，发射和接收的射频指标要求如下，对于MCS12调制编码方式，要求发射机EVM优于-21 dBc，接收机灵敏度高于-53 dBm。

表2  不同MCS的EVM和灵敏度要求

SMW+SZU组合不仅输出信号质量优异，而且具备100 dB的大动态范围，典型功率范围 [-90, + 10]dBm，精度保证值可达2 dB，非常适合各种MCS等级下的接收灵敏度测试。RX测试连接图如下。

图13  终端接收指标测试

整机TX测试同RFIC的TX测试，可参考3.2.3章节，这里不再累述。

图14  设备发射指标测试

3.4.2 有源天线OTA测试

不同于2.4/5 G频段的WLAN设备，毫米波设备的天线和收发信机两者封装在一起形成天线模块，无法提供射频接口进行传导连接测试，因此OTA测试是毫米波芯片或终端测试的唯一方案。

R&S提供11ad有源天线一站式测试解决方案，包括了尺寸灵活可定制的暗室R&S ATS1000，天线分析软件R&S AMS32，以及配套的测量仪表(SMW/SZU/FSW67/ZVA67等)，该方案优势包括：

•灵活的测试配置场景：一、超高精度的转台方案，二、多探头方案

•快速且准确的天线测试能力

•有源天线TRP, EiRP, TIS, EiS, EVM等测试

•AMS32软件实现近场NF到远场FF转换   

•独创的螺旋扫描(双坐标轴转换)法，获得超快的测量速度

图15是暗室ATS1000两种OTA测试使用场景，左侧是转台加摇臂扫描方案，右侧是多探头方案。

图15  暗室ATS1000的两种OTA测试场景

4. 产线测试方案

和研发测试方案有所不同，11ad设备产线测试需要一种快速高效且成本相对较低的测试解决方案，为此R&S专门推出了802.11ad产线测试系统，包括了SMW200A信号源、示波器RTO2044以及上下变频器UD1065。同时，R&S开发了配套的生产自动化测试程序，提供人性化的界面实现对整个测试过程的控制，支持手动或远程自动化两种操作模式。软件既可以运行于示波器RTO2044，也能安装在外部PC，支持2.3章节列举的所有测试项目。

图16  产线解决方案软件界面

该测试方案通过高增益喇叭天线连接仪表实现收发质量测试，考虑到产线快速测试要求，还需要增加多个功率计探头完成beamforming功率和方向的快速测试。因成本和体积限制，产线OTA测试一般采用紧凑型的屏蔽箱TS7124，再在内部安装若干个11ad/ay专用OTA功率计探头NRPM和一个喇叭天线。如下图16所示是产线测试整体解决方案。

图17  产线测试综合方案框图

R&S TS7124屏蔽箱是目前智能手机产线上使用非常广泛的一款屏蔽箱，随着高端手机逐渐开始集成802.11ad技术， TS7124屏蔽箱除了支持传统频段蜂窝和无线测试外，还能用于毫米波11ad测试，如下图就是在TS7124的多孔天线支架上安装了三个OTA功率计探头，通过合理的探头安装位置，可实现水平或垂直方向Beamforming测试。

图18 TS7124安装多个OTA探头实现Beamforming方向测试

NPRM OTA功率探头非常适合毫米波功率测量，频率范围从27.5 GHz到75 GHz ，覆盖了802.11ad和ay频段，功率测量范围从-75 dBm到-25 dBm，满足OTA下弱信号的功率测量要求。该探头集成了低反射的Vivaldi天线，并内置功率检波器直接实现功率测量，很好地避免了毫米波线缆带来的高插损问题，非常适合11ad产线上的功率校准和Beamforming方向测试。

5. 总结

随着越来越多的手机终端/路由器/平板电脑/VR头盔加入了802.11ad技术，毫米波高带宽和OTA等测试要求对芯片研发、设备研发以及生产测试环节带来了新的挑战，罗德与施瓦茨公司提供研发和生产两套解决方案，助力802.11ad芯片和设备的开发与测试。