殘餘EVM特性優異　PXI儀器加速802.11ac產測

2012-10-15

Pi Huang

802.11是由國際電機電子工程師學會(IEEE)所開發出來的一套無線區域網路(WLAN)標準，主要用於2.4GHz與5GHz免執照頻段的地區無線通訊。業界成立的Wi-Fi聯盟致力於推廣WLAN技術及負責符合802.11標準的產品認證。目前802.11系列標準是國際上廣泛採用的標準。

WLAN設備通常依據執行的實體層版本宣傳其功能。熱門的標準包括802.11b、802.11a、802.11g以及最近的802.11n。

由於骨幹網路(如xDSL光纖)速度增加及要求高資料傳輸速率的新應用方式出現，如高畫質(HD)內容串流和即時檔案傳輸，因此IEEE啟動802.11ac和802.11ad兩項新計畫，明顯增加超過802.11n所提供的最大的資料傳輸速率。表1列出802.11實體層標準的總結。以下的介紹著重於802.11ac。

又被稱為超高吞吐量(VHT)的802.11ac用於接替稱為高吞吐量(HT)的802.11n。如同WLAN內之前的演進技術，802.11ac可與之前的標準完全反向相容。

802.11ac工作小組TGac在2008年成立，並且開始開發即將是IEEE 802.11-2009修正版的802.11ac。此標準預期會在2012年年底前完成，且在2013年取得802.11工作小組最終核准。

本文探討802.11ac的最新發展，並分析該設備的製造測試要求。內容分別為802.11ac使用模式、性能目標、實體層概要和製造環境的測試挑戰等。

802.11ac傳輸更有效率

IEEE發現需要Gigabit吞吐量的一些應用方式而定義出在802.11ac Usage Models Document的參考資料中的六個使用模式，如表2所做的總結。這可當作802.11ac發展的基礎。使用模式著重於打造數位家庭。

事實上，由於802.11ac確保資料傳輸速率高，因此在居家環境使用的多重高頻寬應用方式可以同時運轉，例如高解析度視訊串流、即時檔案傳輸、網路瀏覽零延遲(圖1)。

圖1　802.11ac在數位居家環境的應用

由於傳輸資料能力的速度加快，因此802.11ac也在功率效率上提供重大的優勢潛力。802.11ac晶片預計比之前標準的晶片更具有能源效率。這對於如手機等電池供電的設備是一項必要的需求，而且也允許使用者開啟WLAN而毋須耗費太多電力。這將會促進新的應用方式和使用情境的產生，如蜂巢式(Cell)IP資料分流。

802.11ac具三種性能目標

為支援新的應用方式及具未來功能的裝置，TGac為802.11ac定義出三種主要的性能與功能性需求：

‧	系統性能
	802.11ac應分別達到500Mbit/s及1Gbit/s以上的最大單站吞吐量和多站整體吞吐量。這是在媒體存取控制(MAC)資料服務存取點(SAP)測得，5GHz頻帶不可超過80MHz的通道頻寬。由於資料傳輸速率為MAC而非實體層(PHY)之要求，此表示應滿足MAC效率，而非僅改善PHY資料傳輸速率。

‧	反向相容性
	修正版802.11ac應提供在5GHz頻率段運作的802.11a和802.11n設備的反向相容性。

‧	共存
	修正版802.11ac應提供可確保802.11ac和802.11a/n設備共存的機制。

此外，應注意802.11ac只須與802.11a和802.11n反向相容及共存。這是因為802.11ac設備只在5GHz頻段運作。

802.11ac採用新技術

為確保反向相容性和共存，802.11ac在可能的情況下重新採用802.11n技術規範。例如802.11ac在正交分頻多工(OFDM)使用相同的PHY調變，並且維持與11n相同的編碼及交錯結構。但為了達到性能目標，某些修正和新的11ac功能是必要的。如表3所示，與802.11n相比，802.11ac採用一些新的功能(以粗體表示)。

802.11ac設備的實體層強制性參數是80MHz頻寬、64QAM 5/6和一個空間串流。此設定的資料傳輸速率是293Mbit/s。但是，如設備的參數是選擇性參數(160MHz、256QAM 5/6和八個空間串流)，則資料傳輸速率可達到6.93Gbit/s。

實體層收斂協定(PLCP)規定單一實體層協定資料單元格式(PPDU)，如圖2所示。為確保反向相容性，特定的非超高吞吐量(Non-VHT)場域被設定為可由802.11a和802.11n設備接收的場域。

圖2　VHT PPDU格式

前置符元的前四個場域可由非VHT場域站接收。前三個場域與802.11n的場域相同，而第四個場域設定為802.11n或802.11ac。前置符元的其餘的場域是供VHT設備使用。VHT-STF超高吞吐量短訓練欄位用於改善多重輸入多重輸出(MIMO)傳輸的自動增益控制評估。VHT-LTF是接收器的MIMO通道評估的長訓練序列。VHT-SIG-B超高吞吐量訊號欄位B提供資料長度資訊和單一或多用戶模式的調變與編碼方式(MCS)。

製造測試時　挑戰才開始

WLAN製造測試系統被廣泛安裝在全球的WLAN設備工廠。硬體平台長期大致維持不變，而隨著WLAN標準的演進，軟體升級通常足以應付其他測試需求。但是802.11ac的新功能為測試系統帶來大量的需求，而且許多現有的硬體平台將必須升級。

802.11ac增加一些改變，其中有三項變化對製造測試設備帶來重大的挑戰，包括寬頻寬、多個空間串流及高密度調變。此外，測試速度也是製造的重要需求。

測試設備需具寬頻測量能力

802.11ac只在5GHz免執照頻段運作。與2.4GHz的頻段相比，其具有使用的頻寬更寬和干擾度更低的優勢。依照「IEEE P802.11ac D1.0」的參考資料，圖3和圖4是美國和歐洲的通道可用性的總結。因此，測試設備必須產生及分析80MHz瞬間頻寬或頻率達到5.835GHz的160MHz(選擇性)訊號。

圖3　美國通道

圖4　歐洲通道

發送器的測試必須單次擷取完全訊號頻寬以進行訊號品質、頻率、功率和頻譜平坦度測量。頻譜遮罩測量須要分析更寬的頻寬，如802.11ac 80MHz的240MHz。這可使用頻譜縫合以更經濟的方式執行，擷取多個訊號快照，在頻域縫合快照並顯示完整頻寬。

若為接收器的測試，必須產生完整的頻寬訊號波形以刺激待測元件(DUT)。這可提供不同操作模式的接收敏感性測試。

兼顧MIMO測試速度/成本

MIMO是於發送器與接受器兩端使用多重天線，透過先進數位訊號處理改善通訊性能。其利用個別的傳送/接收鏈改善連結穩固性或增加資料傳輸速率。IEEE在802.11n採用MIMO，並且擴充支援802.11ac達八個空間串流及多用戶多重輸入多重輸出(MU-MIMO)的能力。相對於單用戶MIMO，多用戶MIMO允許終端機同時傳送訊號至相同頻率段的多用戶，或接收相同頻率段的多用戶的訊號(圖5)。

圖5　單用戶和多用戶MIMO的範例

在研發環境中，MIMO開發通常會要求測試設備對多路徑通道模擬的不同MIMO模式執行多串流的編碼/解碼。但是在製造環境中，測試的重點會轉移到射頻元件校準和設備品質保證，因為研發已完成設備的設計驗證。

製造的MIMO測試也應讓速度與成本達到最佳化。目前其中一個做法是測試MIMO收發器的個別射頻路徑。這通常會透過轉換矩陣連續對每個MIMO路徑執行，以進一步節省測試設備的成本，因為測試收發器通道的只需要一個(圖6)。此方式足以因應MIMO製造需求，並在性能及成本間提供一個折衷方式。

圖6　MIMO製造測試系統的實例

提供極佳殘餘EVM性能

802.11ac規定OFDM模式的調變方式達256QAM。與之前的WLAN標準的最高調變方式64QAM相比，256QAM調變密度是四倍。傳輸速率更高所需的傳輸訊號品質比之前的WLAN調變編碼方式更嚴格。表4對802.11ac各種調變方式的誤差向量幅度(EVM)或接收星座誤差(RCE)需求做出總結。不論訊號頻寬多少，這項需求是相同的。

如圖7所示，EVM性能受到相位、頻率及幅度誤差的影響。說明具備多點的星座的高階調變表示不同的符元可能有非常不同的訊號幅度。對於訊號具有相乘效果的減損(Impairment)，如非線性和相位雜訊，因高階調變變得更明顯。