WiFi信令測試在研發(fā)階段的作用

1、關(guān)于信令測試的故事

在WiFi大規模應用前，多數WiFi產(chǎn)品在開(kāi)發(fā)階段采用直接嵌入WiFi模塊的方式來(lái)實(shí)現WiFi功能，甚至WiFi芯片廠(chǎng)家也僅粗略測量一下芯片性能即生產(chǎn)出廠(chǎng)。但是，隨著(zhù)WiFi網(wǎng)絡(luò )的大規模覆蓋和應用，對WiFi產(chǎn)品的性能要求越來(lái)越高，因此測試WiFi射頻指標的要求應運而生。

在業(yè)界，許多設計公司、測試實(shí)驗室、工廠(chǎng)采用非信令方式來(lái)測試WiFi產(chǎn)品，這在生產(chǎn)階段是合適的，但是在研發(fā)階段是否足夠?這里卻有著(zhù)一個(gè)有趣的信令測試的故事。

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

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

我們想到了使用信令綜測儀模擬現實(shí)網(wǎng)絡(luò )以驗證情況。結果有了新的發(fā)現：在信令模式下，WiFi路由器的發(fā)射機指標顯示不再正常：符號時(shí)鐘嚴重失鎖(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、信令測試原理及其獨特的作用

• 首先，我們先了解信令測試與非信令測試的機理

信令測試(Signaling measurement)。

WiFi的信令測試是指模擬現實(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連接，儀器扮演Station或AP角色來(lái)完成與被測件的無(wú)線(xiàn)連接，并測試被測件的無(wú)線(xiàn)性能指標的測試。

非信令測試.(No Signaling measurement)

通過(guò)進(jìn)入WiFi芯片的工廠(chǎng)測試模式，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據包，儀表直接測量被測件的物理層射頻指標，沒(méi)有MAC層以上的協(xié)議交互。

• 接著(zhù)，我們了解WiFi信令連接過(guò)程中的同步機理

我們知道，無(wú)線(xiàn)信號傳輸有兩種方式：

一種是廣播方式，信號持續發(fā)射，因此同步可以通過(guò)長(cháng)時(shí)間的跟蹤比對來(lái)實(shí)現，此方式比較容易實(shí)現同步，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，信號為單幀發(fā)射，需要在短時(shí)間秒內準確地捕捉到數據包的邊界，從而完成準確的同步，如WiFi的通訊技術(shù)。

因此，在WiFi連接中，對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、頻率同步、信道估計。我們逐一分析如下：

時(shí)間估計

圖1、時(shí)間估計

· 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，完成對傳輸包邊沿的大致估計。

當 的值高于指定門(mén)限時(shí)，判斷為此時(shí)數據包發(fā)送，否則，斷定無(wú)數據發(fā)送，從而獲得數據包的邊界。

(公式一)

a) 接收信號電平rn,當輸入信號為噪聲時(shí)rn=mn， 處于較低電平。當有信號輸入時(shí)，將會(huì )有一個(gè)迅速上升的上升沿，由此得到信號邊沿。但是，由于無(wú)法定義準確合適門(mén)限，導致觸發(fā)可能會(huì )偏早或偏遲。因此此種方法判斷信號邊沿將會(huì )導致一定的誤差。這只是時(shí)間邊界的初步估計。

圖2、接收電平強度檢測

b) 第二步，為進(jìn)一步提高準確度：采用雙滑動(dòng)窗口，mn為兩個(gè)窗口信號累計的比值，這樣的好處是信號到來(lái)時(shí)也會(huì )出現明顯的凸起，且與輸入信號的絕對功率無(wú)關(guān)，這樣上升沿無(wú)需糾結門(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據包的邊沿。這就是雙滑動(dòng)窗捕捉。

圖3、雙滑動(dòng)窗捕捉原理

c) 實(shí)際上通過(guò)第二步算法來(lái)捕捉時(shí)間邊沿仍然不夠精確，因此會(huì )在第三步采用試探針包捕捉來(lái)完成精確的時(shí)間估計。通過(guò)發(fā)送圖四結構的自相關(guān)性非常好的短、長(cháng)訓練序列及包含時(shí)延的邏輯電路運算完成準確無(wú)誤的時(shí)間同步。

圖4、WiFi的試探針結構

圖5、雙滑動(dòng)窗及時(shí)延相關(guān)檢測的實(shí)現方式

d) 從上面的實(shí)現方法可以知道：包同步的實(shí)現是通過(guò)對信號的AD轉換、累計、時(shí)延、比對和運算完成的，由基帶部分判別完成。如果基帶部分出現延遲、或運算錯誤，將會(huì )導致時(shí)間邊界的判斷誤差增大甚至無(wú)法還原。非信令測試只會(huì )對產(chǎn)品的射頻部分的無(wú)線(xiàn)物理指標驗證，不涉及基帶。而由于信令測試需要完成協(xié)議交互、編解碼，必須通過(guò)基帶部分實(shí)現，因此，信令測試可以對基帶部分實(shí)現的時(shí)間估計性能進(jìn)行量化測試。因此，對于研發(fā)、測試部門(mén)來(lái)說(shuō)，信令測試是有較好的驗證作用的。

· 采樣時(shí)鐘鎖定

我們知道，當WiFi的OFDM信號采樣時(shí)鐘出現偏差的時(shí)候，會(huì )出現兩種后果：

a) 采樣到的符號(symbol)在規定時(shí)間點(diǎn)出現細微抖動(dòng)，即信號的相位將出現旋轉，達到一定程度時(shí)，將無(wú)法恢復信號;

b) 由于采樣時(shí)鐘的偏差，導致符號間干擾(ISI)，進(jìn)而導致信號的SNR變差。

推理如下：

采樣時(shí)鐘誤差：

(公式二)

受影響的信噪比：

(公式三)

由此導致的相位偏差為：

(公式四)

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

圖6、采用鎖相環(huán)+壓控晶振或固定頻點(diǎn)晶振來(lái)完成對頻率誤差的糾正

c) 當AP或Station的晶振出現問(wèn)題的時(shí)候，將會(huì )出現采樣頻率失鎖問(wèn)題。我們看到，這一部分也是在基帶部分來(lái)完成的。如果僅僅采用非信令的方式測量AP或Station，那只是測量AP、Station的射頻部分，采樣時(shí)鐘失鎖是無(wú)法檢測到的。

· 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。

因為我們知道，WiFi技術(shù)中，特別是采用OFDM技術(shù)的802.11n, AC等制式對頻率錯誤非常敏感。

頻率錯誤會(huì )直接導致導致信號的SNR惡化：

(公式五)

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。相鄰子載波的ICI導致SNR變差容易理解，而各子載波功率回退導致的頻率誤差需要解釋一下：

OFDM采用的是各正交子載波的功率峰值處傳送數據，如果在正交頻點(diǎn)處功率出現回退，意味著(zhù)峰值不在正交頻率處出現，解調數據時(shí)將在子載波頻率附近尋找峰值獲得承載數據，也就意味著(zhù)當子載波功率峰值出現偏移，即峰值對應的頻率出現偏移，不再正交，即出現所謂的“頻率誤差”。嚴重者將導致錯誤解調傳輸數據甚至無(wú)法解調。

我們知道：OFDM的子載波實(shí)現是通過(guò)基帶的FFT+串并轉換實(shí)現的，因此，基帶運算的準確與否以及基帶電路是否出現異常，都會(huì )直接影響信號的FFT變換的準確性和精度，進(jìn)而影響頻率誤差大小，進(jìn)而影響信號的SNR。

圖7、OFDM的子載波實(shí)現方法

· 信道估計

最后，在實(shí)現了時(shí)間同步、頻率同步后，進(jìn)入信道估計，由此保證數據得到正確解調。

見(jiàn)圖四，C1、C2即是為試探針用于信道估計部分信息。填寫(xiě)的是相關(guān)性非常好的長(cháng)訓練序列碼字。

我們定義一路接收信號為R、傳輸矩陣為H，訓練序列為X，噪聲為W，因此：

(公式六)

這樣，信道估計矩陣可以通過(guò)兩路(假設信號為兩路信號，實(shí)際可能為多路，同理)，則通過(guò)兩路接收信號分別與相應的訓練序列相乘，即可還原出原來(lái)的信號出來(lái)：

(公式七)

由此，我們看到：通過(guò)測試信號試探針里的C1、C2部分，可完成對傳輸信道模型的估計，得到準確的傳輸模型，完成對接收信號解調。

我們看到：在這個(gè)信道估計的過(guò)程中，試探針的C1、C2解調(相乘)，也是在基帶完成的。如果此基帶部分出現問(wèn)題，將導致信道估計失常、無(wú)法解析數據。

3、回顧

當我們清晰地理解了WiFi時(shí)間同步、頻率同步、信道估計的實(shí)現機理的時(shí)候，我們回過(guò)頭來(lái)對文章開(kāi)頭的信令測試故事做一個(gè)回顧：

在現實(shí)網(wǎng)絡(luò )中，當WiFi的OFDM信號采樣時(shí)鐘出現偏差的時(shí)候，會(huì )出現兩種后果：

· 采樣到的符號(symbol)在規定時(shí)間點(diǎn)出現細微抖動(dòng)，即信號的相位將出現旋轉，達到一定程度時(shí)，將無(wú)法恢復信號;

· 由于采樣時(shí)鐘的偏差，導致符號間干擾(ISI)，進(jìn)而導致信號的SNR變差：

但是，非信令測試卻無(wú)法發(fā)現符號時(shí)鐘失鎖(Symbol Clock Error)。因為當非信令測試的時(shí)候，工具直接通過(guò)工廠(chǎng)測試模式直接控制射頻前端輸出指定頻率、指定功率的射頻無(wú)基帶信息承載的物理層信號，工具根本沒(méi)有啟用管理采樣時(shí)鐘同步、符號同步的基帶部分，只是通過(guò)射頻觸發(fā)方式完成同步測量。因此無(wú)法驗證基帶部分是否工作正常，結果導致上例的“在現實(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(chǎng)前被發(fā)現。但如果采用信令綜測儀就能發(fā)現這一問(wèn)題。

其實(shí)，它就是由于基帶電路的鎖相環(huán)出現問(wèn)題，導致采樣時(shí)鐘偏差，進(jìn)而導致采樣符號相位反轉、因此符號抖動(dòng)，嚴重者導致解析錯誤。同時(shí)，也導致符號間串擾嚴重，最后導致路由器錯誤、甚至無(wú)法解析接入信號，接入申請無(wú)法識別，結果當然就是——接入困難甚至無(wú)法接入。

當我們更換了鎖相環(huán)后，問(wèn)題迎刃而解。此處，信令測試體現出了它獨特的作用。

4、結論

由上描述可知：WiFi的同步分為三大部分：時(shí)間同步、頻率同步、信道估計。時(shí)間同步獲得數據包的時(shí)間邊界;頻率同步用于糾正頻率誤差，獲得準確的與通訊方一致頻率;信道估計可以通過(guò)解調試探針?lè )绞将@得準確的信道估計模型，從而保證順利解調信號。這個(gè)從“信號接收電平強度檢測”到“確定信號傳輸模型”的同步過(guò)程中，任何一步的缺失，都會(huì )可能導致較差的EVM，或者惡化的SNR，或者直接導致無(wú)法解調信號。因此，在產(chǎn)品研發(fā)設計、測試階段，如果使用信令測試方式，就能確認產(chǎn)品的基帶部分、射頻部分是否正常工作，無(wú)線(xiàn)性能是否達到規范要求。

信令測試可能會(huì )發(fā)現某些非信令測試無(wú)法發(fā)現的被測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據。建議使用RS公司獨有的CMW270 WiFi信令測試方案，其方案除了可以驗證的WiFi AP或Station產(chǎn)品(包括基帶、射頻部分)是否符合Wlan無(wú)線(xiàn)規范測試要求外，甚至還可以測試LTE與WiFi共存情況下的相互影響關(guān)系。

圖8、RS公司CMW270 WiFi信令測試方案