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WIFI信令測(cè)試在研發(fā)階段的作用

2018-03-23 來(lái)源：羅德與施瓦茨開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室作者：李詠東字號(hào)：大中小

1、關(guān)于信令測(cè)試的故事

2016年的某天，某著名網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品公司技術(shù)負(fù)責(zé)人致電尋求技術(shù)支持：我們的無(wú)線路由器遇到了一個(gè)困惑：我們某款路由器應(yīng)用于實(shí)際WiFi網(wǎng)絡(luò)中時(shí)，WiFi終端接入非常困難。但是我們使用測(cè)試工具檢測(cè)此路由器，它的所有物理射頻指標(biāo)都非常優(yōu)異。不知道是為什么？

我來(lái)到了測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)看到：WiFi路由器受控于芯片公司的測(cè)試工具，其WiFi發(fā)射機(jī)指標(biāo)在非信令測(cè)試儀上顯示：無(wú)論功率、EVM還是頻譜等指標(biāo)都是正常的。這到底是什么原因?qū)е耊iFi終端接入困難呢？

我們想到了使用信令綜測(cè)儀模擬現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)以驗(yàn)證情況。結(jié)果有了新的發(fā)現(xiàn)：在信令模式下，WiFi路由器的發(fā)射機(jī)指標(biāo)顯示不再正常：符號(hào)時(shí)鐘嚴(yán)重失鎖（Symbol Clock Error）。我們迅速更換了基帶電路的鎖相環(huán)，問(wèn)題得以順利解決。

這，又是為什么呢？

2、信令測(cè)試原理及其獨(dú)特作用

2.1 信令測(cè)試與非信令測(cè)試的機(jī)理

2.1.1信令測(cè)試（Signaling measurement）

WiFi的信令測(cè)試是指模擬現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)的呼叫連接，通過(guò)AP與Station相互握手消息交互完成信號(hào)連接，儀器扮演Station或AP角色來(lái)完成與被測(cè)件的無(wú)線連接，并測(cè)試被測(cè)件的無(wú)線性能指標(biāo)的測(cè)試。

2.1.2非信令測(cè)試(NoSignaling measurement)

通過(guò)進(jìn)入WiFi芯片的工廠測(cè)試模式，直接控制射頻模塊發(fā)送指定功率、指定頻率或控制芯片接收指定數(shù)據(jù)包，儀表直接測(cè)量被測(cè)件的物理層射頻指標(biāo)，沒(méi)有MAC層以上的協(xié)議交互。

2.2 WiFi信令連接過(guò)程中的同步機(jī)理

我們知道，無(wú)線信號(hào)傳輸有兩種方式：

一種是廣播方式，信號(hào)持續(xù)發(fā)射，因此同步可以通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的跟蹤比對(duì)來(lái)實(shí)現(xiàn)，此方式比較容易實(shí)現(xiàn)同步，如移動(dòng)通信的LTE、WCDMA等通訊技術(shù)；

另外一種是包交換方式，信號(hào)為單幀發(fā)射，需要在短時(shí)間秒內(nèi)準(zhǔn)確地捕捉到數(shù)據(jù)包的邊界，從而完成準(zhǔn)確的同步，如WiFi的通訊技術(shù)。

因此，在WiFi連接中，對(duì)同步的要求是較高的。

總的來(lái)說(shuō)，WiFi的同步過(guò)程包括三大部分：時(shí)間估計(jì)、頻率同步、信道估計(jì)。我們逐一分析如下：

2.2.1 時(shí)間估計(jì)：

圖1、時(shí)間估計(jì)

1) 包同步

首先我們介紹包同步。包同步是時(shí)間同步的第一步，完成對(duì)傳輸包邊沿的大致估計(jì)。

a) 當(dāng)有信號(hào)輸入時(shí)，將會(huì)有一個(gè)迅速上升的上升沿，由此得到信號(hào)邊沿，這只是時(shí)間邊界的初步估計(jì)。

b) 第二步，為進(jìn)一步提高準(zhǔn)確度：采用雙滑動(dòng)窗口，按照前后兩個(gè)窗口內(nèi)的積分功率比值觸發(fā)。這樣上升沿?zé)o需糾結(jié)門(mén)限高低，它都會(huì)輸出一個(gè)較實(shí)時(shí)陡峭觸發(fā)，由此可輕易地大致捕捉到傳輸數(shù)據(jù)包的邊沿。這就是雙滑動(dòng)窗捕捉。

c) 在第三步采用試探針包捕捉來(lái)完成精確的時(shí)間估計(jì)。

圖2、Wifi 的試探針結(jié)構(gòu)

d) 包同步的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)對(duì)信號(hào)的AD轉(zhuǎn)換、累計(jì)、時(shí)延、比對(duì)和運(yùn)算完成的，由基帶部分判別完成。非信令測(cè)試只會(huì)對(duì)產(chǎn)品的射頻部分的無(wú)線物理指標(biāo)驗(yàn)證，不涉及基帶。因此，信令測(cè)試可以對(duì)基帶部分實(shí)現(xiàn)的時(shí)間估計(jì)性能進(jìn)行量化測(cè)試。因此，對(duì)于研發(fā)、測(cè)試部門(mén)來(lái)說(shuō)，信令測(cè)試是有較好的驗(yàn)證作用的。

2) 采樣時(shí)鐘鎖定

我們知道，當(dāng)WiFi的OFDM信號(hào)采樣時(shí)鐘出現(xiàn)偏差的時(shí)候，會(huì)出現(xiàn)兩種后果：

a) 采樣到的符號(hào)（symbol）在規(guī)定時(shí)間點(diǎn)出現(xiàn)細(xì)微抖動(dòng)，即信號(hào)的相位將出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，達(dá)到一定程度時(shí)，將無(wú)法恢復(fù)信號(hào)；

b) 由于采樣時(shí)鐘的偏差，導(dǎo)致符號(hào)間干擾（ISI），進(jìn)而導(dǎo)致信號(hào)的SNR變差.

因此，需要采用鎖相環(huán)+壓控晶振或固定頻點(diǎn)晶振來(lái)完成對(duì)頻率誤差的糾正：

圖3、采用鎖相環(huán)+壓控晶振或固定頻點(diǎn)晶振來(lái)完成對(duì)頻率誤差的糾正

c) 當(dāng)AP或Station的晶振出現(xiàn)問(wèn)題的時(shí)候，將會(huì)出現(xiàn)采樣頻率失鎖問(wèn)題。我們看到，這一部分也是在基帶部分來(lái)完成的。

2.2.2 頻率同步

在WiFi同步過(guò)程中，與時(shí)間同步一樣，頻率同步也同樣地重要。

a) WiFi技術(shù)中，特別是采用OFDM技術(shù)的802.11n, AC等制式對(duì)頻率錯(cuò)誤非常敏感。
頻率錯(cuò)誤會(huì)直接導(dǎo)致信號(hào)的SNR惡化。
b) 引起頻率誤差的原因主要為來(lái)自：相鄰子載波的干擾（ICI）及各子載波的功率回退。
c) OFDM的子載波實(shí)現(xiàn)是通過(guò)基帶的FFT+串并轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)的，因此，基帶運(yùn)算的準(zhǔn)確與否以及基帶電路是否出現(xiàn)異常，都會(huì)直接影響信號(hào)的FFT變換的準(zhǔn)確性和精度，進(jìn)而影響頻率誤差大小，進(jìn)而影響信號(hào)的SNR。

2.2.3 信道估計(jì)

a) 通過(guò)測(cè)試信號(hào)試探針里的C1、C2部分，可完成對(duì)傳輸信道模型的估計(jì)，得到準(zhǔn)確的傳輸模型，完成對(duì)接收信號(hào)解調(diào)。
b) 在信道估計(jì)的過(guò)程中，試探針的C1、C2解調(diào)（相乘），也是在基帶完成的。如果此基帶部分出現(xiàn)問(wèn)題，將導(dǎo)致信道估計(jì)失常、無(wú)法解析數(shù)據(jù)。

3、回顧

在現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)WiFi的OFDM信號(hào)采樣時(shí)鐘出現(xiàn)偏差的時(shí)候，會(huì)出現(xiàn)兩種后果：

1) 采樣到的符號(hào)（symbol）在規(guī)定時(shí)間點(diǎn)出現(xiàn)細(xì)微抖動(dòng)，即信號(hào)的相位將出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)，達(dá)到一定程度時(shí)，將無(wú)法恢復(fù)信號(hào)。

2) 由于采樣時(shí)鐘的偏差，導(dǎo)致符號(hào)間干擾（ISI），進(jìn)而導(dǎo)致信號(hào)的SNR變差。

但是，非信令測(cè)試卻無(wú)法發(fā)現(xiàn)符號(hào)時(shí)鐘失鎖（Symbol Clock Error）。因?yàn)楫?dāng)非信令測(cè)試的時(shí)候，工具根本沒(méi)有啟用管理采樣時(shí)鐘同步、符號(hào)同步的基帶部分，只是通過(guò)射頻觸發(fā)方式完成同步測(cè)量。因此無(wú)法驗(yàn)證基帶部分是否工作正常，結(jié)果導(dǎo)致上例的“在現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)中WiFi終端接入困難”問(wèn)題無(wú)法在出廠前被發(fā)現(xiàn)。但如果采用信令綜測(cè)儀就能發(fā)現(xiàn)這一問(wèn)題。

實(shí)際上問(wèn)題是由于基帶電路的鎖相環(huán)出現(xiàn)問(wèn)題，導(dǎo)致采樣時(shí)鐘偏差，進(jìn)而導(dǎo)致采樣符號(hào)相位反轉(zhuǎn)、因此符號(hào)抖動(dòng)，嚴(yán)重者導(dǎo)致解析錯(cuò)誤。同時(shí)，也導(dǎo)致符號(hào)間串?dāng)_嚴(yán)重，最后導(dǎo)致路由器錯(cuò)誤、甚至無(wú)法解析接入信號(hào)，接入申請(qǐng)無(wú)法識(shí)別，結(jié)果當(dāng)然就是——接入困難甚至無(wú)法接入。

當(dāng)我們更換了鎖相環(huán)后，問(wèn)題迎刃而解。此處，信令測(cè)試體現(xiàn)出了它獨(dú)特的作用。

4、結(jié)論

WiFi的同步分為三大部分：時(shí)間同步、頻率同步、信道估計(jì)。從“信號(hào)接收電平強(qiáng)度檢測(cè)”到“確定信號(hào)傳輸模型”的同步過(guò)程中，任何一步的缺失，都會(huì)可能導(dǎo)致較差的EVM，或者惡化的SNR，或者直接導(dǎo)致無(wú)法解調(diào)信號(hào)。因此，在產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)、測(cè)試階段，如果使用信令測(cè)試方式，就能確認(rèn)產(chǎn)品的基帶部分、射頻部分是否正常工作，無(wú)線性能是否達(dá)到規(guī)范要求。

信令測(cè)試可能會(huì)發(fā)現(xiàn)某些非信令測(cè)試無(wú)法發(fā)現(xiàn)的被測(cè)件基帶部分存在的問(wèn)題，為我們解決問(wèn)題提供有益的原始數(shù)據(jù)。建議使用R&S公司獨(dú)有的CMW270 WiFi信令測(cè)試方案，其方案除了可以驗(yàn)證的WiFiAP或Station產(chǎn)品（包括基帶、射頻部分）是否符合Wlan無(wú)線規(guī)范測(cè)試要求外，甚至還可以測(cè)試LTE與WiFi共存情況下的相互影響關(guān)系。