LabVIEW测试WLAN的测量设置与范例

如今，我们很难想象没有无线区域网络(WLAN) 的生活会是什么样子。 事实上，WLAN或Wi-Fi技术可延伸至多款产品，如接入点、路由器，以及手机。 由于WLAN设备的市场正不断扩大，因此更有许多人投入WLAN测量工程师的行列。 本技术白皮书主要阐述了WLAN测试选项的基本概念，并对物理层进行了概述。 本文还探讨了如何使用软件定义的视频测量系统，以快速并精确执行完整的WLAN测量。 在阅读完本技术白皮书后，对WLAN测试不熟悉的工程师，也可了解基本的测量类型。

1. WLAN物理层介绍

WLAN标准是根据IEEE 802.11工作小组所定义并维护的，其中包含芯片制造商和接入点制造商。 此团队已经定义了多个802.11标准 – 从802.11a到802.11z均囊括在内。 然而，对WLAN设备而言，最常见的协议为IEEE 802.11a、b、g，与n。

在1999年，工作团队为WLAN设定了802.11a与802.11b标准。 若将IEEE 802.11a标准设定为5 GHz的未授权工业、科学与医疗(ISM)频带，则可达到最高54 Mb/s的传输率。 相对来说，IEEE 802.11b标准则可于2.4 GHz ISM频带上达到最高11 Mb/s的信息传输率。 2003年发布的IEEE 802.11g，也可在2.4 GHz的ISM频带达到最高54 Mb/s的数据传输率。 IEEE 802.11n为目前最新的版本，其中整合如多重输入/输出(MIMO)与并行通道的功能，可于2.4与5 GHz频带中达到300 Mb/s的数据传输率。

WLAN所使用的2组基本传输构架，分別为直接序列展频(DSSS)与正交频多分工(OFDM)。 此外，其内在的调制架构包含CCK，以及BPSK与64-QAM等正交架构。 表1即为使用特定传输构架与调制类型的标准。

表1. 多个802.11版本所使用的传输构架与调制类型

与WiMAX(IEEE 802.16d/e)和3GPP长期演进技术(LTE)的OFDM构架标准不同，WLAN的OFDM信号中，所有子载波均使用相同的调制架构。 因此对IEEE 802.11a/g信号而言，调制构架可直接影响最大传输率，与特定信号的编码速率。 表2呈现了此关系。

表 2. 数据传输率、编码速率，与突发间隔时间的关系

在表2中如54 Mb/s的高信号传输率，则必须使用如64-QAM的高位调制构架。 更进一步来说，1024数据比特的标准突发间隔，将大幅高于低位的调制构架。 当要提升测试系统的测量速度时，必须先了解较长突发间隔与较长测量时间的关系。 一般来说，当在单一突发上执行误差矢量幅度(EVM)测量时，若能使仪器设定仅采集所需的测量资料，即可加快测量速度。 举例来说，当测量64-QAM突发时，若将采集时间长度设定为200 µs，则其测量速度可高于10 ms或以上的时间长度。

2. 射频虚拟仪器概述

只要通过NI软件定义的WLAN测试，即可选择多款仪器来测试WLAN设备。 本技术白皮书概述了虚拟PXI测量系统的构架，从而说明传统仪器和虚拟仪器之间的差异。

PXI仪器整合高性能的多核心控制器、高速 PCI/PCI Express数据总线，与经优化的测量算法，可达到业内首屈一指的测量速度。 WLAN测量所使用的软件即为NI WLAN测量套件，其中包含NI WLAN分析与WLAN生成工具包。 推荐使用的NI硬件有NI PXIe-5663矢量信号分析仪与NI PXIe-5673矢量信号生成器。 NI PXIe-5663可进行10 MHz至6.6 GHz的信号分析，并可达最高50 MHz的瞬间频宽。 NI PXIe-5673则可产生85 MHz至6.6 GHz的信号，并达到最高100 MHz的瞬间频宽。 其中任1组仪器均可搭配其他生成器或分析器，以执行相位相干测量。 图1则为常见的WLAN设备测试系统设定，并具备矢量信号生成器与矢量信号分析仪。

图1. 进行WLAN测量的PXI系统

软件定义的仪器，特別适用于自动化测试应用。 从构架上来说，PXI模块化仪器与传统仪器的主要差异，即为其处理核心。 虽然这两组系统使用多个相似的组件，但其主要区别在于PXI系统可使用高性能的多核心中央处理单元(CPU)。 图2即为具备多个相同核心组件的传统与PXI仪器，包含记忆体、高动态范围的模数转化器与高性能射频前端。

图2. 用户定义的CPU是PXI射频仪器的必要组件。

PXI模块化仪器的多核心CPU，可达到极佳的信号处理能力。 因此，与传统仪器相比，多款基于PXI测量系统的速度已大幅提升。 一般来说，来自Intel与AMD等芯片制造商的CPU效能均遵循摩尔定律持续成长。 因此，当制造商发布新款处理器时，用户仅需升级PXI系统的控制器即可。 针对现有的测试系统，仅需花费部分组件的成本，即可大幅提升测量速度。

软件定义仪器的第二个优势，既为可在单一硬件平台上测试多种无线标准。 此项优点特别适用于多标准的消费者产品，或系统单芯片的设备。在过去，受测设备包含GPS接收器、WLAN无线电与FM收音机，工程师因此必须购买数款专用的仪器。 而通过软件定义的仪器，仅需整合常见硬件并使用专属的软件工具包，即可测试所有标准。 图3即为此概念。

图3. 软件定义的仪器构架

图3中，可使用通用的射频前端(生成器或分析仪均可) 搭配基于Windows的CPU，即可建立软件定义的仪器。 通过NI的软件定义射频仪器，即可测试WLAN、GPS、GSM/EDGE/WCDMA、WiMAXTM、BluetoothTM、DVB-T/ATSC/ISDB-T、FM/RDS/IBOC以及其他无线标准。

3. NI WLAN测量套件介绍

现有PXI仪器的软件定义特性中，如NI WLAN测量套件与相关软件的组合，均为测量系统的必要组件。 WLAN测量套件包含NI WLAN生成工具包与NI WLAN分析工具包。 这两个工具包均包含LabVIEW的API、 LabWindows™/CVI，与ANSI C/C++，且均可搭配PXI射频矢量信号生成器与分析仪使用。 针对高层操作，WLAN生成工具包可用于建立IEEE 802.11a/b/g信号。 WLAN分析工具包，则可通过矢量信号分析仪所采集的信号，进一步提供测量结果。 图4为此测量方式的程序框图。

图4. WLAN测试系统的构架

无论是使用属性节点或用于编程的API，均可进行特殊标准、数据传输率、突发间隔与载波频率等设置。 图5与图6即是通过属性节点或用于编程的API，以调整常用设置。

图5. 以LabVIEW属性节点设定WLAN测量

图6.以LabVIEW用于编程的API设定WLAN测量

图6a. 以LabWindows™/CVI用于编程的API设定WLAN测量

其入门范例程序，是专为自动化测量应用所设计的。 若要进行更多互动式测量，则可使用如图7所示的近似LabVIEW或LabWindows™/CVI展示面板。

图7. WLAN测量的LabVIEW展示面板

图7为频域中的基本802.11g频谱遮罩。 请注意，下列章节叙述的所有测量，均是通过此范例执行的。

4. 常见的WLAN测量

在进行任何WLAN组件或无线电的特性描述时，所需的特定测量往往取决于该被测设备。 举例来说，若要了解功率放大器的特性参数，则必须整合EVM与三阶交互调变(IM3)测量，以进行非线性化的特性描述。 然而，由于载波偏移测量属于射频信号生成器的功能，因此其重要性较低。 表3所列的是部分常见的WLAN测量。 如表3所示，若下列章节提及相关附属测量，则可使用WLAN分析工具包执行多种测量。

表3. 以WLAN分析工具包所执行的测量

5. 传输功率

WLAN测量的重点之一，即为传输功率。 目前有多种方法可测量功率，且不同的功率测量均需要不同的WLAN标准。 当进行802.11a/g传输器的特性描述时，WLAN测量系统可同时产生峰值功率与平均功率的结果。 针对802.11b设备，常见的测量系统也可提供功率的波升与波降次数。 请注意，虽然峰值功率计为功率测量的有效工具，但若要测量信号的平均功率，仍是射频矢量信号分析仪的速度最快。 而当传输器设定为输出连续调制载波时，则平均功率计仅可测量功率。

在以射频矢量信号分析仪测量功率时，将通过所触发的突发计算其结果。 如此一来，即可通过完整突发或突发的特定部分，测得平均功率。 通过WLAN分析工具包，即可设定闸控功率测量；以用户定义的开始与停止时间为基准，测量其中的平均功率。 此外如图8所示，也可使用工具包回传IEEE 802.11a/g信号的功率对时间轨迹。

图8.功率对时间轨迹中的训练序列、信道估计与数据。

图8中的功率对时间轨迹常做为调试工具，可确保突发的各个部分 – 从训练序列到OFDM符号 – 均确保传输的进行。

6. 误差矢量幅度

由于EVM可找出多种减损所造成的误差，包含正交偏移、IQ增益失衡、相位噪声，与非线性失真，因此是最重要的测量之一。 针对调制过的信号，EVM将比较信号预期与实际的相位/强度。 如图9所示，NI WLAN分析工具包，即将误差矢量|E|乘以强度矢量|V|，以得出该值。

图9. EVM Measurement的图形化表示

一般来说，用户可指定百分比(%)或分贝(dB)为EVM单位。 然而，IEEE 802.11a/g测量的EVM是以分贝为单位；IEEE 802.11b的EVM是以百分比为单位。 等式1则说明转换这2种单位的方法。

等式1. 分贝与百分比转换

举例来说，1%的EVM等于-40 dB；而5%的EVM等于-26 dB。 测量完整突发的EVM时，仪器往往呈现均方根(RMS)的EVM结果。 针对OFDM信号，将跨所有子载波与符号得出EVM并作为RMS结果。 针对DSSS信号，则是跨所有切片得出RMS。

在许多范例中，几乎可通过星座图检视所有的EVM性能。 星座图可显示各个符号的相位与强度，让用户找出特定的正交减损。 图10即为64-QAM的星座图。

图10. EVM Measurement的图形化表示

如图10所示，-46 dB的EVM等于0.5%。 使用的是NI PXIe-5673射频矢量信号生成器与NI PXIe-5663射频矢量信号分析仪，并设定为回送模式。 此2组仪器均设定为2.412 GHz的中央频率，与-10 dBm的射频功率强度。 因此在这些设定之下，仪器均达相同的-46 dB EVM。 另请注意，图10中的WLAN分析工具包可平行执行所有的时域测量。 通过复合式的测量，即可得出EVM、载波偏移，与载波泄漏；还有如IQ增益失衡与正交偏移等正交减损现象。

7. 频谱遮罩测量

频谱遮罩可进行传输器的非线性特性描述。 一般来说，频谱图可做为诊断工具，以确定分析中的信号是否产生失真现象。 由于频谱遮罩测量属于Pass/Fail的测试，因此其结果即构成频谱遮罩边际；此边际是以dB为单位，即是所测得实际信号与遮罩之间的功率差异。 图11即为802.11b信号的频谱遮罩测量。

图11. 802.11b信号的频谱遮罩

IEEE 802.11b信号与IEEE 802.11a/g信号实际使用不同的频谱遮罩。 图12即为OFDM 802.11a/g信号的遮罩。

图12. 802.11a/g 信号的频谱遮罩

请注意，频谱遮罩也可描述多种信号特性。 举例来说，传输器的非线性特性，则可让信号边带达到遮罩的限度。 此外，未妥善设定的边带信号，也可与DFDM信号上构成多余的边带。

8. 结论

如本文所述，用户可通过软件工具包设定多种WLAN测量。 事实上，WLAN测量套件针对IEEE 802.11a/b/g测量，提供了生成与分析功能。 通过LabVIEW、LabWindows/CVI，甚至 .NET等应用编程环境，即可设定PXI射频矢量信号生成器与分析仪，以迅速并轻松测试WLAN产品。 虽然这些软件定义的仪器可测试WLAN与其他多款无线标准，但此方式的主要优点之一是其测试速度。 参阅提升WLAN测试系统的测量速度，以了解应该如何设定WLAN测试系统，以达到最佳的速度、精准度，与可重复性。

9. 资源

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