IEEE 802.11接收器测试指南

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IEEE 802.11接收器测试指南


在设计IEEE 802.11无线局域网(WLAN)接收器时，设计挑战之一是保证它满足WLAN标准中定义的物理介质相关(PMD)接收器测试规范。802.11协议堆栈的最后一个子层是PMD子层。这个子层通过空中接口对分组进行调制和编码。它在物理(PHY)层执行RF测试。为模拟被测器件，需要使用IEEE WLAN测试信号。在进行任何测试时，必须分析信号源的指标，以保证信号源不会损坏测量。

灵敏度测量
接收器的灵敏度是接收器可以可靠地检测的最低信号电平。灵敏度是IEEE WLAN接收器的主要指标之一，以某个错帧率(FER)或错包率(PER)进行规定。FER是指传输的总帧数与接收的帧数之比，用公式表示为FER = [具有错误的帧数/总帧数] x 100%。PER是传输的总包数与接收的包数之比，用公式表示为PER= [具有错误的包数/总包数] x 100%。

标准中没有规定误码率(BER)，但为了诊断目的，必须使用这一指标。BER= [带有错误的比特数/总比特数] x 100%。

频率和电平精度和误差向量幅度(EVM)是测量接收器灵敏度的关键信号发生器指标。频率精度差的测试信号将导致接收器表现的灵敏度低于实际灵敏度。802.11a信号对频率偏移非常灵敏，可能会导致载波间干扰(ICI)。这种ICI可能会导致PER降级。

提供测试信号的信号发生器电平精度也可能是错误来源。为保证WLAN接收器以满足指定灵敏度水平的灵敏度传送信号，必需把信号发生器的振幅设置成低于接收器规范一定数量，使其相当于信号发生器的电平精度。

信号星座图是调制质量的最佳指标之一。对相移键控信号，误差向量幅度(EVM)以图形方式表示信号质量。在任何时点上，可以从星座中测量信号的幅度和相位。测得的值决定着实际的或“被测的”相量，参见图1。同时，通过了解传输的数据流、符号时钟定时、基带过滤参数等，可以计算出相应的理想或“参考”相量。这两个相量之差同时提供了信号EVM和相位误差。EVM通常用理想峰值信号电平的百分比表示。

图1 – 本图说明了信号振幅和相位的实际相量值或测得的相量值。
图示内容：
Actual: 实际相量
Error vector: 误差向量
Ideal: 理想相量
Magnitude error: 幅度误差
Carrier leakage: 载波泄漏

ACP-邻道功率指标
邻道和迂回信道选择性用来衡量接收器处理希望信号、同时拒收相邻信道或迂回信道中强信号的能力。这一测试对于通信接收器非常重要，以保证功率没有泄漏到另一条信道中，进而给其它用户带来干扰。

邻道或迂回信道功率测试使用两个信号发生器完成，参见图2。一个信号发生器在希望的信道频率、以超过接收器灵敏度的水平输入测试信号。第二个信号发生器输出邻道信号、偏移一个信道间隔，或输出迂回信道信号、偏移两个信道间隔。信道之外的信号输出将一直提高，直到灵敏度降到指定的水平。


图2 – 灵敏度测试设置图。

图示内容：
ESG vector signal generator: ESG向量信号发生器
Signal Studio – WLAN waveform: Signal Studio – WLAN波形
802.11 test signal at RF: 802.11 RF测试信号

信号源的相位噪声差将导致能源扩散到邻道中。在信号源中的随机噪声导致功率在很小的频率范围上扩散时，会发生相位噪声。信号源的局部振荡器有助于输出频率的短期稳定性。局部振荡器相位噪声可能会在802.11a信号中导致ICI，进而可能会使PER降级。

WLAN 测试信号
测试信号需要标准定义的所有帧结构和编码，以执行要求确定PER和FER的接收器测试。安捷伦科技基于PC的软件工具套件--Signal Studio与安捷伦E4438C向量信号发生器相结合，可以提供符合标准定义的测试信号，并用来执行接收器测试。

可以使用这一测试信号，执行基于标准的测试，如接收器最小和最大输入电平灵敏度和接收器邻道拒收测量。如果接收器设计的某些部分还没有完成，并且需要诊断问题，那么可以去效所有参数，如帧结构、扰频、正向误差校正等。

基于标准的接收器测试
在802.11直序跳频(DSSS)物理层和802.11B四项基于标准的测试中，有三项测试使用FER作为测量指标，来分析接收器解调信号的质量。在802.11a五项基于标准的接收器测试中，有四项标准把PER作为测量指标。灵敏度测试的测试设置图如图3所示。


图3 – 在执行邻道/迂回信道功率测量时的测试设备图。
图示内容：
ESG vector signal generator: ESG向量信号发生器
Signal Studio – WLAN waveform: Signal Studio – WLAN波形
Interfering signal: 干扰信号
Signal combiner: 信号综合器
802.11 test signal at RF: 802.11 RF测试信号

802.11 DSSS 和 802.11b分组的帧结构包括循环冗余校验(CRC)，可以使用CRC确定FER。被测器件 (UUT) 将需要解调和解码测试信号。UUT可以使用CRC确定丢失了多少个从信源发出的帧。然后将把信源发送的帧数与接收的帧数进行比较，以确定FER。

802.11a测试1和测试2可以使用相同的测试设置，如图2所示，但有一点除外，即从净荷中增加的MAC (访问介质控制) FCS (帧校验序列)中计算PER。

图2中所示的测试设置用来执行邻道/迂回信道功率测试。

注意，802.11 DSSS和802.11b邻道拒收测试的信道间隔是不同的。这是因为802.11 DSSS标准推荐同时使用不同信道的相邻小区间隔至少为30 MHz，以避免干扰。这一要求只允许在美国工作的信道支持最多2条非重叠的信道。802.11b标准规定，非重叠的信道间隔应为25 MHz，这允许在美国运行的信道支持最多3条非重叠的信道。

BER – 误码率测试
尽管标准中没有规定BER指标，但BER通常用来测量数字通信系统的信号或系统质量。ESG向量信号发生器中的BER分析仪可以执行这一测量。ESG的内部BER分析仪能够分析成帧和未成帧的连续的PN9、PN11、PN13、PN15或PN23基带数据序列。在未成帧的数据上执行PER测试要求两个信号 (数据和时钟)，成帧的数据则要求三个信号 (数据、时钟和选通)。时钟信号用来表明进入BER分析仪的数据序列的比特率。选通信号用来只在成帧数据结构分析中提供了上述一个PN基带数据序列时才启动BER分析仪。在执行IEEE WLAN接收器BER测量时，选通信号用来恢复IEEE WLAN分组的连续PN(伪随机噪声)序列净荷数据部分。

图4说明了BER测量设置图。在这一设置中，ESG和Signal Studio被配置成提供一个IEEE WLAN调制的RF信号。本实例说明了一个RF测试信号，其中包括一个具有连续的PN9序列的IEEE WLAN调制分组。


图4 – BER测试设置图

图示内容：
Gate in: 选通信号输入
Data in: 数据信号输入
Clock in: 时钟信号输入
RF Out: RF输出
WLAN device: WLAN设备
Baseband processor: 基带处理器
Clock: 时钟
Data: 数据
Gate: 选通
Singal Studio – WLAN waveform: Singal Studio – WLAN波形
ESG vector signal generator with internal BER tester: ESG向量信号发生器，带有内置BER测试仪

IEEE WLAN接收器解调ESG传输的信号，可以访问基带处理器输出上的IEEE WLAN基带信号。这一TTL/CMOS信号将被路由到ESG内部BER分析仪数据输入上。

基带处理需要提供时钟和选通信号，应使用这些信号执行BER分析。这一测试配置为接收器时钟恢复功能提供了功能测试。此外，这些信号与解调的IEEE WLAN信号一起经历相同的传播延迟，因此，在BER分析仪的输入上不需重新排列这些信号。

设计人员还可以使用WLAN测试信号，对元器件进行压力测试，如滤波器和功放器，确定邻道功率等基本性能。可以修改许多参数，如子载波的数量，对元器件施加不同的压力。还可以使用这些WLAN测试信号，检验接收器能否正确解码独立发生的测试信号。

其它WLAN设计和测试考虑因素
当然，除了接收器测试外，在开发WLAN产品时还需要许多其它测试，例如设计、模拟和测试设备的其它元件，如发射器。IEEE WLAN信号的22 MHz和16.6 MHz带宽使得很难测量功率包络，因为大多数频谱分析仪的RBW (分辨率带宽) 滤波器都要窄于10 MHz，在检测之前会严重地过滤信号。宽带宽的安捷伦89600系列向量信号分析仪 (RF带宽高达36 MHz、基带带宽高达39 MHz) 允许对802.11和HiperLAN LBR (低比特率)和HBR (高比特率)信号进行时域分析，同时可以用来执行标准测量，如把它与用户生成的频谱掩码进行对比、调制质量、EVM等等。通过结合使用89600系列和安捷伦高级设计系统(ADS) E8874A  5GHZ WLAN设计库，工程师还可以获得模拟输出，把输出下载到ESG和信号源样机硬件上。

相反，可以测量样机硬件的输出，或者可以使用ADS 5GHz WLAN设计库或Signal Studio WLAN软件生成一个信号，用来模拟相应的模拟环境。通过这种方式，即使没有硬件，仍可以分析系统。测试和检验项目允许设计人员在设计投入样机生产前，比较性能和成本。可以在参数值范围内简便地调节和模拟EVM、CCDF、ACPR、星座逼真度测试。通过ADS软件的组件--E8874A 5GHz WLAN设计库，WLAN工程师可以设计和检验基于802.11a和Hiperlan/2 OFDM的系统是否符合当前的标准。

结论
概括地说，在WLAN接收器测试中，测试WLAN设备对保证功能非常关键。设备不应对其它用户的无线设备造成干扰。所有输出辐射（包括故意辐射或疏忽辐射）都必须符合标准和法规要求。接收器灵敏度应足以接收微弱的信号，但接收器不应给强度合理的信号造成过载或干扰。必须认真选择开发WLAN设备使用的测试设备，因为如果测试设备的性能不足，本来合格的WLAN设备也可能会测试不合格。在选择WLAN接收器测试的信号源时，需要考虑的关键参数是相位噪声、频率和电平精度及测试信号的EVM。此外，测试信号需要拥有所有必要的帧结构。最佳选择是完全编码的信号，因为这是最现实的方法。完全编码的测试信号还可以测试接收器的解码。

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简历：
Neveia Chappell现为安捷伦科技公司的应用工程师。