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IEEE 802.11ac生产测试概述

发布时间: 2018-11-09 点击量: 410
IEEE 802.11ac 是正在被集成到无线设备中的全新 WLAN (无线局域网) 标准。支持该标准的产品目前已面市,各生产厂商已开始进入量产阶段。生产测试工程师需要既能够支持 新的802.11ac 测试规范,又可以兼容已有各WLAN标准 和其他无线连接技术的测试仪器。本文参照技术规范草案介绍 了802.11ac 标准的主要生产测试项目、其用途及相关的测试方法。 802.11ac 简介 802.11ac 是 由IEEE 802.11ac 工作组 (TGac) 提出的全新WLAN标准,其目标是提供超高速(VHT)的本地无线连接技术——峰值传输速率10倍于当前WLAN 802.11n HT标准,通信带宽最高可达160MHz(四倍于802.11n标准),及最高8路MIMO信号通路。 本文依据技术规范[1],介绍了802.11ac设备量产所需的测试要求。 生产测试需求 从生产测试的角度看,必须了解 WLAN 标准的变化和演进并提前制定计划。例如,由于通信带宽达到80 MHz ,802.11ac 测试设备显然需要具有更宽的处理带宽用以信号分析和产生而实现对被测物的测试。这正如当年 802.11n标准被引入时的情形,当时需要部署足以测试带宽达到40 MHz 的测试设备。 测试物理连接方案 当 802.11n 标准引入时,一个重要的问题是如何搭建测试系统以对由多天线组成的MIMO系统进行测试。这给生产测试工程师提出了新的挑战——如何实现对多条射频路径进行测试,同时保持测试设备成本不变,并最大限度减小对测试时间/吞吐量的影响。 802.11ac 进一步扩大了这种挑战,但对于MIMO 的测试需求未变,因此现有测试配置依然可用。针对 802.11ac测试规范列出的测试项目,可采用以下测试物理连接方式: 图1: 测试设备设置 信号分析仪用于发射机相关测试,而信号发生器用于提供接收机测试所需的下行信号。为简便起见,将测试设备配置为单端口形式,以一个 RF 端口 (TX/RX)与被测物相连。该配置可完成对如下任意场景的测试: 支持单一射频信号链路的802.11ac SISO(1x1) 设备 支持单一射频信号链路的802.11ac MIMO (nxm)设备,对设备上的每条射频通路进行独立地测量(可对n个发射机依次实现测试)。 如果要实现同时连接多个设备进行并行测试,则需要额外的硬件。对于模块化测试设备平台来说,硬件的添加和升级是十分简便。 测试计划 与 802.11n 测试计划一样,802.11ac的 测试计划期望包涵一系列的测试项目以对设备实际使用中的各种情形加以覆盖。与 802.11n 测试计划兼容被测设备的旧有和 HT两种 工作模式一样,802.11ac测试计划也具备此种后向兼容能力 (技术规范中非常重要的特性所在)。面对可能出现的802.11ac测试需求,测试工程师们会更倾向于这一方式。 显然,这是用于满足新设计和新标准强制的测试需求的主要方式。例如,测试工程师可能会对至少 80 MHz发射带宽的信号进行频谱模板特征的考核,在MCS 9256 QAM 调制方式下检验调制精度,同时也以802.11ac MCS 9 信号考察接收机性能。 测试计划中的 具体测试项目与 802.11n的 十分类似。以下是根据标准[1]得到的测试项目列表: 邻道和非邻道抑制测试需要独立的调制信号源提供额外的干扰信号。这些测试应在生产之前完成认证,而不是生产测试阶段要考察的项目,因此本文不做进一步讨论。 发射机测试 发射频谱模板 – 22.3.18.1 频谱模板测试是为了检验被测设备所发射信号的频谱特性是否满足规范已归定好的相关要求,避免对其他设备造成干扰。该项目一般在被测物处于最大发射功率状态下加以测试。 接下来的图表归纳了针对各个带宽信号的相关要求: 测试工程师应检验信号频谱是否符合上述 以dBr表示的频谱模板要求,这些值均是相对于信号的最大频谱密度而言的。或者根据输入信号功率电平, 以dBm/MHz表述的 是允许的最大包络值。两种情况下的最大值被选为最终的技术规范。 每次测量时,应采用 100 kHz 分析带宽和 30 KHz 观测带宽进行测量。图 3为 MCS 8 80 MHz 信号的测量示例。 图3: 频谱模板测量 最后,技术规范描述了80 + 80 MHz 非连续频谱模式的测量步骤,这是 802.11ac 的新特性。其频谱模板由两个 80 MHz 的模板通过组合或重叠的方式构成。模板包络门限可通过下表计算得到: 图4: 相距 160 MHz 的非连续频谱模板样例 利用测试设备进行频谱模板测量时,应提供所需的频谱模板,测试设备根据该模板进行测量判断,并返回 合格或不合格的结果。 频谱平坦度 – 22.3.18.2 频谱平坦度测量每个子载波功率相对于平均功率的偏差,该测量采用 BPSK 调制包。由于与待测信号带宽相关,技术规范规定是针对每一子载波的。图5所示为VHT 数据符号某一BPSK 调制子载波i 上的平均星座功率Ei,avg 。 根据相对于子载波频率所处区域的不同,中心区域 (-B 至 B)或外围区域 (-B 至 –C 与 B 至 C),模板门限在不同情况下(以红线显示),分为±4dB 或 +4/-6dB两种情况。表 3根据发射带宽提供子载波索引。请注意,子载波 点B代表外围区域起始处 (含): 图5: 频谱平坦度测试规范 表3: 基于发射带宽的频谱平坦度子载波索引 图 6所示为对一 80 MHz 信号的测量实例。 图6: 频谱平坦度测量 发射中心频率允差 – 22.3.18.3 该测试考查发射机频率误差 (相对于所期望的载波频率),一般通过对调制信号进行解调操作得到。合格标准为 <±20 ppm (0.002%),例如:当载波频率为5500 MHz时,其值为 ±275 kHz。 符号时钟频率允差 – 22.3.18.4 符号时钟频率允差考量符号时钟频率相对于所期望符号时钟频率的偏差。合格标准为 <±20 ppm。该测试项检测本振源随时间迁移产生的任何频率变化。如果测出频率误差,不必重复这项测量。 发射中心频率泄漏 – 22.3.18.5.2 发射中心频率泄漏测试被用于检测位于调制信号中心频率处的非期望功率。这种泄漏有时会引起接收机问题。 泄漏是根据 LO (载波)所在 位置不同,依三种条件加以定义的。例如,使用80 MHz 信道发射20 或 40 MHz带宽信号时,LO 信号将不在传输带宽的中心位置。 表4: 发射中心频率泄漏测试条件与门限 PT = 总发射功率, N 表示数据加导频 分析带宽为 312.5 kHz。 发射机星座误差 – 22.3.18.5.3 发射机星座误差和发射中心频率泄漏一起构成了对发射机调制精度的测试要求。两者适用于所有带宽条件。技术规范指明被测空间信号流数量应等于天线数量,同时测试设备输入端口数也应该是与此一致的。表 5以 dB为单位,给出了不同 MCS 的相对星座误差 (RCE)值。测量结果不应超过与数据速率相关的值。802.11ac MCS 9 最小 RCE 要求比 802.11n 相应项目严格的多,因此需要更好的设计允差和更加精确的测试设备。 表5: 允许的发射机星座误差 有效载荷数据是随机的,并且至少为16个数据 OFDM 符号长度,完成测试所需帧数不少于20。 图 7和图8所示为测试信号发生器产生的 MCS 8信号,对超过20个由16个符号有效载荷组成的帧进行测量,得到的调制精度和星座图结果举例。 图7: 返回RCE的调制结果 图8: MCS 8 256 QAM 星座图 接收机测试 该部分涉及的所有测试结果均由被测设备本身上报得出。测试设备被要求用于提供正确的下行信号以完成这些测试项目。接下来的部分提及了对该信号产生的一些要求。 信号设计/生成 测试仪器厂商提供了强大的信号产生工具,以辅助客户设计产生各种配置的WLAN 信号。但一般来说,大部分芯片组和商用设备在生产过程中需要调整的特定配置参数非常少。最常见的要求是调整数据包长度和采用特定的 MAC 地址。以下是 一个典型的802.11ac下行信号配置表: MCS7 64 QAM 5/6 编码率 让我们从数据字段开始,我们需要了解 对于 MCS 7信号400 个字符等于多少个字节。具体字节数是依MCS 而定的。参照表 22-41 [1],对于保护间隔为800 ns的 单路数据流,单一每个 OFDM 符号包含 1170 比特,即146.25个字节。那么400个字符就是58500个字节。根据技术规范,数据源可以是 PRBS9序列。这些参数可配置在信号设计包中 (图 9) 并进行相应的 PPDU 检验 (图10): 图9: 数据字段配置举例 图10: PPDU 内容举例 本图显示数据字段占用第3200到第 131519码片空间,共128320个码片。对于 80 MHz 信道带宽、采样率为 80 Msps 的 802.11ac VHT 信号,1个标记码片持续时间为 0.0125 us。每个OFDM 符号为 4 us,因此每个符号包含320个码片。这样,可以求出400个符号为128000个码片,因此数据字段确定的值是正确的。事实上,一次设计和打包的长度为 1个字符 (320个码片)。 一般的要求是使用广播 MAC 标头配置 WLAN 信号。参考IEEE 802.11 2007 [2],图 11 (表7-1)给出了信标 (广播模式) 的设置方法,其对应于 图 12 (图7-2) [2]的内容 图11: 有效类型与子类型组合 图12: 帧控制字段 如表所示 b4 到 b7 比特位需配置为信标(Beacon)状态,以在帧控制字段内实现对子字段的定义。只需使用最少的有效比特位,直接向帧控制字段填入 “0000000100000000”, 即可非常轻松地完成。以下信号设计包中显示了这种配置方法: 图13: 广播模式 MAC 标头配置示例 通过选择并配置所需的其他参数,可以打包生成所需信号用于接收机的回放测试。 接收机最小输入灵敏度 – 22.3.19.1 最小输入灵敏度测试是检验接收机成功解调 802.11ac 信号能力的重要验证测试项目。对于长度为4096字节的PSDU,误包率 (PER) 应低于 10%。下表显示了要达到的门限电平值: 表6: 接收机最小输入电平灵敏度  技术规范建议使用4096个字节。以MCS 7为例,在800 ns 保护间隔条件下,每个 OFDM 符号含有1170个比特,即146.25个字节。那么4096个字节就是28个字符。而对于 MCS9,这个值恰好为21个字符。 接收机最大输入电平 - 22.3.19.4 与最低灵敏度测试相反,这项测试用于保证被测设备在天线馈入较高功率电平时依然能实现正确接收。技术规范要求该测试可以使用任意MCS编码方式,但测试信号长度应为4096个PSDU字节,并且接收功率必须高于 -30 dBm。同样,此测试的门限也是误包率低于10%。 802.11ac 测试准备就绪 对带宽为80 MHz信号的产生与分析是目前802.11ac测试的最低需求,而未来对80 + 80 MHz 和 160 MHz两种信号方案的支持需求也是潜在存在的。 目前仅有少数几家测试仪器厂商能够支持 80 MHz带宽802.11ac信号相关测试,其中就包括Aeroflex PXI3000 模块化RF测试平台。该平台已是当前各WLAN 和蜂窝无线通信技术设备的成熟测试解决方案。 已采用 Aeroflex 模块化测试仪器的客户,由 802.11n 升级到 802.11ac 80MHz 测试能力,只需添加软件选件,而无需任何硬件的改变。 制造商在测试其设备时不可能仅关心802.11ac一种技术。实际上,WLAN很可能只是作为一种配套技术出现在最终产品上,,这方面手机就是一个明显的例子。早期的 WLAN 测试设备往往仅局限于 WLAN相关 测试。 随着时间的推移,当新的芯片组整合进更多的无线技术后,如Bluetooth、GPS、FM 和 WiMAX 等,这些技术与WLAN的测试要求一起被提了出来。 因此,一款测试设备可同时支持已有 WLAN技术 和其他无线连接标准及各种蜂窝通信制式,将成为制造商们的理想投资方案。将 RF 测试集中到单一的测试工位,同时使用单款测试仪器完成所有 相关 测试,已成为制造厂商们的一种趋势 – 这是首选解决方案。 一个开放的、标准模块化的软硬件测试平台还将给制造商带来更多好处,特别是当需要将 RF 测试功能与其他测试设备集成到单一、低成本、紧凑、灵活的 ATE 平台的时候。 使用相应测试设备时,测试工程师需要掌握新的 802.11ac 相关测试需求,以了解应该部署什么样的测试计划、如何设置各个测试项目以及如何利用测试设备完成这些测试。
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