提升 WLAN 測試系統的量測速度

概觀

由於業界正不斷降低測試成本，許多 RF 測試工程師更必須縮短量測時間。如你所想，無線區域網路 (WLAN) 裝置的測試作業亦必須迎合此趨勢。不論是設計檢驗的自動化測試系統，或最後的生產測試作業，測試系統的量測速度愈趨重要。然而在許多情況下，除了縮短測試時間並降低成本之外，亦不能犧牲測試的精確性與可重複性。此篇技術文件將針對 WLAN 量測作業，說明可影響量測速度的多個平衡要素。在了解相關概念之後，亦將針對提升測試系統的量測速度，提供更好的實作說明。此技術文件將依序說明下列要素：平均對可重複性；完整叢集對部分叢集的 EVM；複合量測對單一量測；量測間隔與量測時間；最後是 CPU 對量測時間的影響。針對上列的相關要素，此技術文件均將透過 NI PXIe-5663 -- 6.6 GHz RF 向量訊號分析器，進行範例量測作業。這些實例所用的激發即為 NI PXIe-5673 -- 6.6 GHz RF 向量訊號產生器。且範例均使用 NI WLAN 量測套餐 (Measurement Suite)，其中包含 NI LabVIEW 與 LabWindows™/CVI 的產生/分析工具組，以設定 WLAN 量測作業。若要進一步了解應如何設定 PXI WLAN 測試系統，則可參閱「設定軟體定義的 WLAN 測試系統」。雖然此篇技術文件著重於 PXI RF 儀控作業，但相同的基本量測要件亦適用於任何 RF 儀器。因此，不論是 PXI 與傳統 RF 儀控，均可透過此篇技術文件提升相關效能。

目錄

1. 平衡要素 1 – 平均 (Averaging) 對可重複性 (Repeatability)
2. 平衡要素 2 – 完整叢集 EVM 對部分叢集 EVM
3. 平衡要素 3 – 複合量測對單一量測
4. 平衡要素 4 – 量測間隔對量測時間
5. 平衡要素 5 – CPU 對量測時間的影響
6. 結論
7. 資源

平衡要素 1 – 平均 (Averaging) 對可重複性 (Repeatability)

不論是自動化設計檢驗或生產測試應用，提升量測可重複性的常見技術，即是平均多筆量測結果。然而，若要設定大量的平均值以提升可重複性，則將增加量測時間的成本。一般來說，總量測時間可透過平均值的數量而進行線性調整。因此，若單一量測作業必須耗費 20 ms，則相同量測進行 10 次平均時，將耗費將近 200 ms。

更進一步來看，由於平均作業將計入不可重複的減損 (Impairment) – 如加成性白高斯雜訊 (Additive white Gaussian noise，AWGN) – 以有效取消不必要的量測作業，因此將提高可重複性。若要了解平均作業對可重複性的影響，則可使用 NI PXIe-5673 RF 向量訊號產生器與 NI PXIe-5663 RF 向量訊號分析器，以執行迴送 (Loopback) 測試。透過上述裝置，可於 2.412 GHz 產生 802.11g 正交頻分多工 (OFDM) 訊號，與 -10 dBm 的 RF 功率強度。同樣的，使用 4 種不同的訊號類型 – BPSK (6 Mbps)、QPSK (18 Mbps)、16-QAM (24 Mbps)，與 64-QAM (54 Mbps)，則可了解脈波叢 (Burst) 尺寸與調變架構對量測時間的影響。若使用 1024 位元的酬載 (Payload)，則每種訊號類型均具有不同數量的 OFDM 符碼。舉例來說，BPSK 叢集使用 343 組符碼，而 64-QAM 訊號則使用 39 組符碼。也因此每種訊號類型的叢集區間亦不盡相同。表 1 則顯示差異之處。

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表 1. 多種 802.11a/g 資料傳輸率的調變架構、叢集區間，與符碼數量

錯誤向量強度 (Error vector magnitude，EVM) 量測作業，可完整了解訊號的調變品質。在 EVM 量測作業中，共內建 2 種方法可呈現平均結果。針對 IEEE 802.11a/g 叢集，量測結果將涵蓋各個 OFDM 子載波與符碼 (Symbol)，以 EVM 的均方根 (RMS) 表示。根據表 1 來看，應可直接看出叢集中的符碼數量，且若 EVM 為較低的 6 Mbps (BPSK) 資料傳輸率，應可產生超過 54 Mbps 叢集的可重複量測作業；從而可得知較長叢集亦具有較多的符碼。但僅限 EVM 是透過完整叢集 (而非特定部分叢集) 呈現為 RMS 時，上述假設才可成立。平衡要素 2 將針對部分叢集分析，說明相關可重複性。
我們可於一般情況下假設：在執行較長叢集的量測作業時，將可產生更多的可重複 EVM 結果。圖 1 顯示平均次數與量測標準誤差之間的關係。這些量測作業均是透過 NI PXIe-5673 RF 向量訊號產生器，與 NI PXIe-5663 RF 向量訊號分析器所進行。當使用 -10 dBm 的 RF 平均功率時，此 2 組儀器的中央頻率均設定為 2.412 GHz。

圖 1. 平均作業可降低量測平均值的標準誤差。

圖 1 顯示，當每次量測作業所使用的平均次數增加時，1000 EVM 量測的標準誤差 (Deviation) 即跟著降低。請注意，由於圖 1 所使用的訊號源為 RF 向量訊號產生器 -- 專為產生可重複訊號所設計的產品，因此圖 1 中的 EVM 與標準誤差，均大幅優於 802.11g 傳輸器所可能產生的實際情況。因此，可將圖 1 顯示結果做為可重複性的基準。並請注意，僅限以絕對量測值 (Absolute measurement value) 表示的量測可重複性才有其意義。一般來說，只要測試儀器的 EVM 基準越高，則可重複性的影響越小。表 2 則顯示量測作業設定為 10 次平均時的 EVM 結果。

表 2. 平均 EVM 將與調變架構產生相對性的一致。

表 2 顯示出，跨所有調變架構所測得的 EVM 將趨於一致。然而，此亦代表使用者可透過較長叢集獲得較佳的標準誤差，當然亦將量測更多符碼。舉例來說，若進行 10 次平均即可於 64-QAM 訊號上達到 0.081 dB 的標準誤差時，則當量測 BPSK 訊號的完整叢集時，僅需 5 次平均即可達到相同的標準誤差。

一般來說，僅需耗費較長量測時間，即可透過平均作業達到較低的結果標準誤差。表 3 即以 54 Mbps 叢集說明此關係。請注意，表 3 的量測時間包含閘控功率與 EVM 量測作業。

 
表 3. 量測時間隨平均次數而漸長

在表 3 中，我們使用 PXIe-5663 RF 向量訊號分析器與 1 組 NI PXIe-8106 控制器，以執行複合的 EVM 與閘控功率量測作業。EVM 是以完整叢集的 RMS 計算所得；且其中的平均值與標準誤差，是以超過 1000 次的量測作業所算出。表 3 則說明，量測時間與平均次數之間趨於線性的關係。NI WLAN 分析 (Analysis) 工具組使用了所謂非同步提取 (Asynchronous fetching) 技術，即當分析器提取新的記錄時，亦同時處理先前的記錄。因此，使用者不需受限於線性時間 (Linear time)，亦可針對多筆平均設定量測作業。亦請注意表 3 若設定 1 次平均，則 EVM 與功率量測將耗費 9.4 ms。然而，若設定 10 次平均，量測作業亦僅耗費 63.6 ms；亦即每次平均可省下 6.3 ms。

平衡要素 2 – 完整叢集 EVM 對部分叢集 EVM

若將儀器設定執行部分叢集，而非完整叢集的量測時，則可於某些情況下達到較快的 EVM 量測。依預設值來說，NI WLAN 分析 (Analysis) 工具組將針對完整叢集中的各個符碼，執行所有子載波 RMS 的 OFDM EVM 量測。同樣的，NI WLAN 分析工具組亦將針對叢集中的所有切片 (Chip)，進行 RMS 的 802.11b DSSS EVM 量測作業。然而，仍有許多範例指出，若僅量測叢集的第一部份，即可產生可重複的量測結果並省下量測時間。在此情況下，使用者可針對要用於計算 EVM 量測所需的符碼或切片數量，透過程式設計的方法進行設定。

為了說明部分叢集分析的影響，可透過 2 組不同的叢集並設定分別使用 BPSK (6 Mbps) 與 64-QAM (54 Mbps)。如表 1 所示，BPSK 叢集具備 1434 µs 的區間與 343 組符碼；而 64-QAM 叢集具備 176 µs 的區間與 39 組 OFDM 符碼。同樣的，其計算 EVM 量測時間的結果，即為 1000 次量測作業的平均值。所執行的各次量測均進行 1 次平均，且其軌跡均產生變化。圖 2 即是計算量測作業所用的符碼數量，與 BPSK 叢集量測時間的關係。

圖 2. BPSK 叢集所測得標準誤差與符碼之間的關係

如圖 2 所示，如 BPSK 此種較長的叢集來說，若能分析僅部分的叢集而非各個符碼，即可大幅縮短量測時間。若使用數量較少的符碼，則可將此叢集的量測時間從 40 ms 縮短為 22 ms。此外，在較快的量測條件下，可重複性的結果僅可能稍微變差。

很明顯的，僅量測部分叢集的優點，即是可縮短較長叢集的量測時間。而其理由即是因為執行量測的經常性因素 (記憶體配置、驅動程式呼叫，與擷取時間)，將可補償整體量測時間的較小部分。相反來看，較短叢集 (如 64-QAM 與 16-QAM) 在使用符碼數量時的彈性即較低。舉例來說，64-QAM 叢集在開始時僅包含 39 組符碼。由於必須再多加 16 組符碼才能進行可重複的 EVM 量測，因此無法大幅縮短 64-QAM 叢集的整體量測時間。圖 3 即針對 54 Mb/s 叢集，說明量測時間與所需符碼數量之間的關係。

 
圖 3. 對較長的叢集，則可分析部分叢集以加快量測速度

圖 2 與圖 3 所顯示的結果，均使用了 NI PXIe-8106 控制器以加快量測速度。請注意，這些結果僅適用於某些條件。針對較長的 BPSK 與 QPSK 802.11a/g 訊號而言，僅分析部分叢集確實可縮短量測時間。

透過 WLAN 分析 (Analysis) 工具組，亦可使用相同方式設定 IEEE 802.11b EVM 量測作業，僅計算部分的叢集。由於 802.11b 即使用直接序列展頻 (Direct-sequence spread spectrum，DSSS)，因此將透過多組切片計算 EVM。因為預設的 EVM 量測將計算完整的叢集，使用者可將 WLAN 分析 (Analysis) 工具組設定執行僅 1000 組切片 (Chip) 的 EVM 量測作業。

圖 4. 以較少 DSSS 切片設定 EVM 而形成的 802.11b 量測時間

從圖 4 可看出，若針對 1 Mbps 訊號叢集減少量測的切片數量，則可將量測時間從 300 ms 縮短為 170 ms。

平衡要素 3 – 複合量測對單一量測

縮短 WLAN 量測時間的第三項要點，即是執行複合式量測作業，以取代個別設定的量測作業。透過 WLAN 分析 (Analysis) 工具組，僅需單一的複合式量測作業，即可進行所有的時域量測 (功率對時間、EVM，與頻率偏移)。由於複合式量測可於單一叢集中計算多項量測結果，因此其效率高於依序執行的獨立量測作業。

當使用複合式量測作業量測功率時，必須考慮 2 種方式。若使用 WLAN 分析 (Analysis) 工具組，即可透過完整叢集量測 RF 功率，或透過部分叢集進行閘控量測。表 4 顯示各項量測作業所需的量測時間。此表格中的所有結果，為 100 次量測各自進行單次平均之後的總平均值。在此範例中，我們使用 16 組 OFDM 符碼得出各次 802.11a/g EVM 量測作業。並針對 20 ~ 120 µs 的部分叢集進行閘控功率 (Gated power) 量測。

表 4. 進行 802.11a/g 複合量測與單一量測的所需時間

從表 4 可知，當針對 802.11a/g 的單一叢集，執行如 EVM 與功率的重要複合量測時，其總量測時間將可大幅低於個別量測的時間。表 4 所示的複合量測則包含 EVM、閘控功率 (部分叢集)，與 TX 功率 (完整叢集)。

若針對 802.11b 訊號進行複合式量測，亦可省下差不多的時間。針對此訊號類型，重要量測可包含 EVM、功率、功率緩升 (Ramp-up) 時間，與功率緩降 (Ramp-down) 時間。同樣的，由於複合式量測可讓使用者同步進行多項量測作業，因此實為加速裝置測試速度的方法。表 5 即是以 NI PXIe-8106 雙核心控制器執行 LabVIEW 8.6.1 的結果。此處即跨 1000 切片進行 EVM 量測，且以 100 µs 的時間間隔計算閘控功率。

表 5. 進行 802.11b 複合量測與單一量測的所需時間

同樣的，表 5 說明平行量測作業可達較高效益。若分別執行 11 Mbps CCK 叢集、EVM、TXP，與緩升/緩降量測作業，將需要 126 ms 量測總時間；但若平行量測僅需 64 ms 量測總時間。

平衡要素 4 – 量測間隔對量測時間

執行 WLAN 頻譜量測時所需注意的第四項要點，即為量測時間與量測間隔 (Span) 之間的關係。IEEE 802.11 標準是針對 802.11a/g 訊號定義 60 MHz 遮罩，針對 802.11b 訊號定義 66 MHz 遮罩；並還有數個範例可用於客制間隔。舉例來說，檢驗工程師可能需要 100 MHz 的間隔，以檢查調變訊號之外的混附訊號 (Spur)。更進一步來說，工程師亦可能對 802.11b 訊號僅使用 44 MHz 間隔，以縮短量測時間。
對數位 IF 分析器與傳統的掃頻 (Swept-tune) 分析器而言，若量測間隔較寬，其所需的量測時間亦較長。若使用傳統的掃頻分析器，則量測時間與間隔將呈現線性關係。如此一來，若將 100 kHz RBW 濾波器以所需間隔進行掃頻，而量測時間將與量測間隔構成線性關係。但若透過向量訊號分析器 (如 NI PXI-5661 與 NI PXIe-5663)，則其結果將有些許不同。與向量訊號分析器的瞬間頻寬 (Instantaneous bandwidth) 相較，頻譜量測作業的即時頻寬較為狹窄，因此不需重新微調 (Re-tune) 儀器的 RF 前端，亦可完成量測作業。

舉例來說，NI PXIe-5663 RF 向量訊號分析器若提供 50 MHz 的瞬間頻寬。則使用者不需耗費大量時間重新調整儀器的前端，亦可執行低於 50 MHz 間隔的頻譜量測作業。圖 5 即使用 NI PXIe-8106 控制器執行頻譜量測作業，範圍限定於 3 ~ 12.5 ms，僅針對間隔進行變化。

圖 5. 使用 NI PXIe-8106 Controller 控制器的WLAN 802.11a/g 遮罩對間隔 (NI RFSA 2.2 或更高版本)

在 50 MHz 與 100 MHz 之間的間隔中，則必須針對分析器的 RF 前端重新進行 1 次微調。因此，若搭配 PCU 所需的額外訊號處理作業，則分析器前端的重新微調作業將提升整體量測時間。透過圖 5 可發現，66 MHz 的間隔 (完整的 802.11a/g 遮罩) 必須耗費約 12.5 ms 的時間。如此一來，所增加的額外時間則為本端震盪器 (Local oscillator，LO) 的趨穩時間，而非作業處理時間。

請注意，此與 EVM 量測相似的是：使用者必須考慮量測時間與平均次數之間的關係。由於平均作業可針對雜訊水平 (Noise floor) 提供合理的解釋，因此工程師往往會執行多次平均。在圖 6 中，則可觀察單次平均與 100 次平均的頻譜遮罩量測 (66 MHz 間隔) 作業。

圖 6. 針對頻譜遮罩量測作業，平均 (Averaging) 可降低量測的不確定性。

因此，量測頻寬與平均次數，均將影響頻譜遮罩量測的整體速度。一般來說，僅有 RF 前端必須進行微調之時，量測頻寬對量測時間的影響較大。而另 1 方面來說，平均次數則與量測時間成線性相關。

以佔用高處理器資源量測之一的 802.11b 頻譜遮罩量測 (44 MHz 間隔) 為例。圖 7 則顯示量測時間與平均次數之間的線性關係。

圖 7. 使用不同 CPU 時的 802.11b 頻譜遮罩時間對平均次數

更進一步來說，CPU 量測時間與 CPU 的關係極為密切。在此條件下，具備較高咚愎δ艿 CPU (如 NI PXIe-8106)，將可大幅縮短量測時間。

平衡要素 5 – CPU 對量測時間的影響

可大幅影響 WLAN 訊號量測時間的第五項要素，即為量測系統所使用的 CPU。CPU 為軟體定義 PXI 量測系統中的基本核心要件之一。CPU 效能亦往往是影響量測效能最鉅的單一因素，對 RF 量測尤為如此。還好，使用者已可透過現有的多核心 CPU 搭配 WLAN 分析 (Analysis) 工具組，獲得極高的工業級量測結果。
雖然實際系統效能仍受其他多項因素所影響 (如記憶體空間或其他背景執行的應用)，但在自動化測試系統中，CPU 效能與量測時間的關係仍密不可分。表 6 則是以 PXI 控制器為基礎，顯示相關比較結果。

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表 6. 多款 PXI Express 控制器的重要規格

多項 CPU 特性均可影響整體的量測速度。其中影響最大的，包含處理核心數量、CPU 時脈、前端匯流排、L2 快取尺寸，與系統記憶體。

圖 8 則顯示時間與叢集資料傳輸率之間的關係，還有 CPU 對 EVM量測時間的影響。如圖所示，NI PXIe-8106 雙核心控制器在所有資料傳輸率之下，均可執行較快的 EVM 量測作業。

圖 8. 較快的 CPU 即可縮短量測時間

雖然 PXIe-8106 可跨所有資料傳輸率達到較高速度，但請注意，其時脈並非所有控制器中的最高時脈。雖然 NI PXIe-8130 所使用的 AMD CPU 時脈，高於 the NI PXIe-8106 的時脈，但由於其 L2 快取尺寸較小，因此影響了咚闼俣取NI PXIe-8106 所使用的 Intel Core 2 Duo T7400 CPU，則具備此取樣組合中最大的 L2 快取 (4 MB)。

結論

如上表格與圖示所述，有多項因素可影響 WLAN 訊號的整體量測時間。因此，若要將量測系統的速度發揮到極致，則必須仔細考慮相關設定，包含平均次數、所要量測的符碼，與量測間隔 (頻譜)。更進一步來看，雖然使用者可調整多項量測設定以縮短量測時間，卻亦需要考量可能連帶影響的可重複性、精確度，或量測的完整性，進而取得平衡。因此，若不要犧牲量測品質又要能提升測試傳輸量，則最簡單的方法莫過於使用高速 CPU。而軟體定義架構 PXI 測試系統的重要優勢之一，即是能讓使用者選擇所需的 CPU。除了可大幅提升量測速度之外，PXI 系統亦可進行高度的客制化。因此，使用者可享有未來升級處理器的彈性，以達到更快的量測速度。