802.11ac 5GHz设备在生产过程中的明智测试方法

对于最新的802.11ac标准，制造工程师们正面临越来越大的复杂性，这反过来又促使他们对测试策略进行不断的创新，以满足这些新近出现的要求。首先，也是最重要的一点是，在5GHz频段内以更高的带宽和调制阶数进行设备测试就意味着为工厂购买新的设备。但是，采用当今最新技术的设备还需要为传统的技术标准(802.11a/b/g/n)执行后向兼容测试，这就使问题变得更为复杂。考虑到这种趋势，工程师们在制定测试策略时会在他们的测试计划中聪明地加入一些能帮助获得特定测试覆盖率的测试项目。本文对802.11ac设备的明智测试方法进行了深入的探讨，并借此对下列问题作出了答复：

"如果要求我对一个802.11ac设备进行测试，以确保良好的产品质量，有多少项目是真正需要在生产过程中进行测试的？"

直接使用"低、中、高"方法

以前，我们通常采用"低、中、高"方法实施2.4GHz设备的验证。这意味着在受支持的频率范围内对最低频率、中间频率和最高频率(信道)进行测试。这种直截了当的方法对5GHz频段似乎是切实可行的，但当您考虑测试覆盖率后，您的想法就会改变。参考图1后我们首先发现，5GHz频段涵盖的频谱比小于100MHz带宽的2.4GHz ISM频段多得多。其次，支持在5GHz上运行的芯片通常会在子频带上单独运行，使用的是单独的验证信息。这种划分子频带的做法是不同频率范围内最大发送功率不同所引起的，另一个原因是，制作一组能支持完整5GHz频带的校准参数会存在一定困难。显然，"低、中、高"方法不能为这些子频带带来足够的测试覆盖率。

图1：2.4/5 GHz频段的802.11频谱总图(包括802.11ac)

如果暂时不考虑5GHz的要求，测试2.4GHz频段的低、中、高频率是不无道理的。在两个极值点和中心点上进行测试的方法能确保待测物在所有信道上都有相同的行为特征；事实上，这个过程也可通过一些简单的后期处理手段来验证整个频率范围的平坦度。参照图2可以看出，错过缺陷而只看到两个测试点的可能性是存在的，例如，在滤波器意外失配或滚降经常发生的频带边缘。这种缺陷发生情景正是我们建议在2.4GHz频段内采用三个测试点的潜在理由。此外，这个潜在的策略也是我们考虑5GHz频段测试覆盖率的基础。

图2：意外的滤波器响应会错失缺陷点，造成只有两个测试点的结果。

迂回方案：芯片校准

测试覆盖率考量方面一个有价值的见解是，芯片供应商通常会为发射器和接收器提供一个固定的校准表，在大多数情况下，该校准表会通知设备如何在规定的功率限值范围内执行操作。一般而言，该校准表包括频率范围内典型增益的信息以及发射器和接收器的功率信息。虽然存在这样的表格，但制造过程中最好的做法是将这项基本的校准操作看作测试覆盖率的一部分。

最常见的校准过程由两个可追溯至功率测量值的步骤组成：

(1)校准待测物的发射功率；

(2)将校准信息传送到接收器。

在这种频率逐点测量方法中，功率校准过程会在验证性能参数的同时将最终数据加入校准表。

5GHz意味着不同的测试过程吗?

5GHz频段的测试覆盖率遵循与2.4GHz相同的策略。由于在更高的频率上运行，5GHz频带的校准更为重要，尤其是考虑到5GHz的频率覆盖区间(包括分解成子频带的频段)比2.4GHz多得多。另一个考虑因素是，5GHz的频带选择滤波器不与每个子频带对齐，而是与所有子频带的覆盖频率对齐。

此外，对5GHz而言，校准也更复杂。将校准范围划分成多个子频带的原因在于覆盖整个5GHz频带的校准过程很难实现，尤其是因为不同子频带通常具有不同的发射目标功率。测试子频带内一个单一频率点(尤其是它与校准过程的频率相同时)几乎不会提供额外的信息。举例来说，这种简单方法不会检测出频带边缘的滤波器滚降，也不会检测出子频带上的功率升降。

这些运行和校准特性是新的测试覆盖率所必须应对的主要差别。

5GHz验证

验证是确认设备在其支持的频率上能否正常运行的过程。对5GHz频段应用2.4GHz的测试策略就会涉及到对5GHz频段的每个子频带实施低频、中频和高频验证。与校准过程相似，验证过程也从发射功能的验证开始，然后是接收功能的验证。根据生产过程的优先顺序，比较明智的做法也许是在5GHz的整个频段上进行低频、中频和高频的测试，但将测试放在每个子频带的某个频率点上也许会更好些。后者能缩短测试时间，但不能检测到许多制造缺陷，而只能发现总体性能的失效情况。

进一步考察子频带上"低、中、高"方法的测试覆盖率可以为我们找到完善测试计划的机会。乍一看，获取每个子频带上低、中、高频率点数据的做法似乎有点过分。考察2.4GHz频段内中间点的目的是为了检测过滤器的失配，但5GHz频段的子频带内这种相同的中间点缺陷机制却不存在。同样，低频和高频点也不靠近子频带边缘，这对验证操作而言是更为有趣的现象。考虑到这个观察结果后，我们发现测试覆盖率可以通过测量每个子频带的两个极值点的方法加以改善——尤其是用曲线定心方法(这种方法中，中间点通常被用于定心)对子频带进行校准的情况下。

正如这种测试覆盖率的初步观察所告诉我们，待测物特性和缺陷机制的综合结果正在影响我们对测试项目的选择过程。通过调整测试覆盖率以适应这些影响因素，制造工程师们将可以精准地选择测试项目，从而确保产品质量。总体而言，发射和接收功能代表了我们所建议的测试覆盖率的逻辑分类。同样，测试覆盖率将包括调制和吞吐量的逻辑分类。这样，所有能充分验证设备运行性能而同时又能筛查产品缺陷的测试项目的集合就成了最佳的测试覆盖率。这个过程将被作为组织本文剩余内容的基础。

当测试进入接收特性阶段时，目标测试可以另外增加滤波器纹波和其他随频率变化的指标。在这种方法中，我们应将整个频带的边缘频率点和分布在该频带上的其他几个频率点包括在内。建议每个子频带至少取一个测试频率，但需注意，使用与发射测试过程中相同的频率是没有意义的。总体原则是避免在两个几乎相同的频率点上测试接收器的性能；例如，子频带边缘频带通常是相邻的。这样，明智地选择频率点就可以使我们在更短的测试时间内发现产品缺陷。

在何处测试？

综上所述，2.4GHz频段利用现有的测试覆盖率。5GHz频段需要在每个芯片子频段支持的极值信道上进行发射验证，这可以看作是5GHz的新测试项目。例如，发射机测试时三个子频带将需要至少六个频率值(每个子频带的极值信道)，以确保每个子频带的平坦功率校准以及频带边缘的频率性能。同样，接收器也将因为在最高和较低频带频率(频带边缘)以及分布于频带上的其他几个频率的测量而受益。作为一种实用的折衷方法，我们也可以在每个子频带中只取一个频率点(最小值)，即最终有3-5个频率；这在大多数情况下已足够。对于发射器和接收器功能的测试覆盖率而言，这些测试项目可形成一个坚实的频率基础。

上述所有陈述都自然而然地以下列假设为前提，即芯片已经过仔细的特性分析，且我们可以根据这些分析数据选择理想的频率进行测试。

测试什么？

接下来我们需考虑的问题是，在这么多可能的测试条件下，我们需要在每个所选频率上验证什么项目。测试覆盖率必须在现有2.4GHz测试计划的基础上不断完善以满足802.11ac的要求。现有的测试基础可能包括那些用于验证低、中、高频率点上最大数据传输速率情况下功率、EVM和模板的测试项目。除DSSS调制信号之外，我们首要的任务是将OFDM调制信号增加到测试覆盖范围内。制造工程师们通常会用相似的测试参数在相同的频率上测试OFDM调制信号。在校准过程中需要注意的是，由于在许多情况下DSSS和OFDM使用不同的校准参数(一个参数在另一个参数基础上偏移一个固定的量)，所以我们有必要对两种方法的校准量都进行验证。幸运的是，DSSS在5GHz频段上不受支持，因此，此测试项目是没有必要的。但从另一方面来看，其他许多发送带宽和调制方式还是受支持的——尤其是在引入802.11ac标准后。

获得最佳测试覆盖率应考虑待测物的条件

图3：一个典型收发器的简化示意图。

如图3所示，典型的收发器通常都包含一个发射装置和一个接收装置，这两个装置都会包含一个基带部分和射频部分。从测试的角度看，这种结构对测试覆盖率的考量是很重要的。 

发射机测试考虑因素

在发射装置中，调制信号以IQ信号形式在基带上生成。信号一旦通过必要的抗混叠滤波器后，天线就会在上变频和一些信号调理功能(即增益控制，频段选择滤波器)后将RF信号发射出去。发送链可能包括一个单一的芯片；更常见的情况下也可能包含一个收发芯片和一个前端模块(FEM)。

下列有关发射的认识对测试覆盖率的考虑是很有价值的：

* 在基带上，待测物有一个显著的特点，即调制信号独立于发射频率。

* 在基带上，载波数量的增加与其占用的、抗混叠滤波器作相应调整的带宽成正比。

* 在基带和RF上，带宽与基带信号呈正比。

* 在RF上，正交(IQ)缺陷可以通过校正因子(在格式上通常是时间与频率的相对关系)进行补偿。

* 在RF上，调制信号可简化为给定带宽上的RF功率。

* 在RF上，IQ失配和相位噪声会以相同方式增加到信号上，且与频率无关。

发射测试覆盖率需验证待测物的运行情况并发现缺陷，这应作为测试的主要目标。数量众多的操作条件会使获得测量结果的测试时间变得过长，因此，我们面临的挑战在于能否找到一种去除重叠条件的方法，以便将测试时间缩短到一个更容易管理的水平。这个去除重复条件的过程将需要使用上述这些有关发射器的认识，这对测试覆盖率的优化也很有用。

一个明智的测试策略将考虑在不同的频率上使用不同的调制方法以强调待测物的作用。这种策略与在不同频率上重复使用相同数据传输速率的强制方法是一种鲜明的对比。此外，只要发射目标功率保持不变，一个聪明的测试方法应考虑按最严格的调制方式所对应的EVM要求来测试不同调制方式的EVM值；例如：在11n标准中，一个6Mbps的OFDM信号应按54Mbps的测试极限值或msc7进行测试。

进一步的测试优化可通过改变数据包有效载荷的长度来实现。在这个测试场景中，改变较低数据传输速率上数据包的有效载荷长度以确保相同的持续时间(不是相同的有效载荷)是一个聪明的、测量稳定时间的技巧。这种方法也可确保相同的热条件，而这也可以帮助我们识别其他类型的缺陷。

另一个优化测试覆盖率的聪明技术是用不同带宽的信号来测量给定频率上的发射功率，以达到对同一功率进行测量的目的。这种技术强调抗混叠滤波器的作用必须按特定的情况作相应的变化。这里有一个假设条件，即发射机输出特性是恒定的，与所占用的带宽无关：窄带的例子只是极值宽带情况的一个子集。当然，在完全相同的频率上测试是有问题的，但信号的带宽应该会覆盖所需的频率(例如，40MHz的信号相对于相同频率的20MHz的信号而言会被抵消掉10MHz)。

频谱模板的测量在调制信号带宽增加后会变得更加困难。这种困难是由总的发射功率被分散到多个载波(BW)后引起的，单个载波的信噪比会因此降低，从而使整体模板移动到离底噪更近的位置。因此，在最高带宽上，测试覆盖率将使关键模板的测量项目增多。

通过使用这些聪明的技术，测试覆盖率可在不增加测试项目数量的前提下得到提高。这样，测试覆盖率便能揭示发射机的基本性能。

接收机测试考虑因素

在射频部分(参照图3)，天线会接收外来的RF调制信号并对其进行信号调节。在用正交结构进行向下转换之后，基带部分会对最终形成的IQ 信号进行分析。接收链可能包括一个单一的芯片，也可能(更常见的情况下)包含一个收发芯片和一个前端模块(FEM)。

下列有关接收的认识对测试覆盖率的考虑是很有价值的：

* 在RF上，向下转换器不作任何明显的信道选择，因此，所有的信号实际上将被以相同的机制向下转换。

* 在RF上，唯一真正的影响来自接收机的噪声系数，它将影响所有的信号(就像基带前没有噪音滤波一样)。

* 在RF和基带上，IQ失配和相位噪声上的作用对最高阶调制方式的影响最大，且用较低的数据传输速率来降低输入功率也不能确保较高阶的调制方式起作用。

* 在RF和基带上，信道选择滤波器所引起的群延迟问题对较高的数据传输速率影响最大。

* 在基带上，载波数量的增加与占用的带宽成正比。

* 在基带上，信道选择滤波器的作用会因所选标准的不同而不同，但信号处理过程不会知道RF频率的情况。

* 在基带上，降低数据传输速率不仅会降低所需的信噪比，而且还会使接收器对其他损伤变得更为耐受。

到目前为止，发射测试覆盖率有九个频率：2.4GHz三个，5GHz六个。如果使用相同的方法，接收机测试覆盖率将包含七个频率(2.4GHz三个，5GHz四个)。

与发射路径相反，验证运行性能和提取性能指标时，接收器的测试覆盖率需要可变的数据传输速率。因此，在最高数据传输速率和最多三个带宽上的测试项目对确保IQ失配和相位噪声指标没有缺陷是有必要的。这种方法也可以验证信道选择滤波器没有造成其他损伤。

用5GHz的这个指导原则能很容易地从四个频率中选出三个频率。第一个频率为最高数据传输速率上的最高频率，这可确保它在最高相位噪声下进行测试。如果我们能假设IQ失配值在特定频率上是可以接受的，那么，剩下的两个频率可用于功能测试(如果情况不是这样，那么我们就需要测试所有的频率了)。需再次指出的是，我们应从各基本数据传输速率中选择其中一个进行测量(最好采用ACK速率)；所以24M和1M应该是其余四个频率中的两个，因为这对设备的基本运行性能至关重要。最后两个频率可用于测试11n，测试时可分别采用传统速率、Green field速率和其他不同的基本速率。如QPSK和BPSK。

通过使用这些聪明的技术，测试覆盖率可在不增加测试项目数量的前提下得到提高。这样，测试覆盖率便能揭示接收器的基本性能。

数据传输速率的选择

从上面的讨论中我们可清楚地认识到，避免在最高数据传输速率上测试所需频率的这种传统方法可以为我们带来明显的好处。换言之，明智地选择多个数据传输速率和带宽有助于测试更多模式的运行性能，同时又能对待测物的性能指标进行验证。最后，我们将做到用最少的测试项目来获得更大的测试覆盖率。这里蕴含着制造工程师们在思考新兴的802.11ac设备的测试方法时的价值取向。

下面的建议与数据传输速率的选择有关。

自然，我们应该为每个带宽测试最高阶调制方式，所以，对802.11ac芯片而言，九个频率中有三个是针对11ac的。我们应在相位噪声随频率增大时测试最高频率上的MSC9，以真正测试EVM要求得以满足条件下的最坏状态。这是为了确保基带抗混叠滤波器不会影响发射质量。然而，另外两个带宽可能是较低的11ac速率。为了确保传统运行性能的正常，我们也应测试后向兼容性模式，即54M，MCS7和11M DSSS。我们可以很方便地测试40MHz上的MSC7。这意味着还剩下三组调制方式和频率的组合。这些项目正好可用于测试下列三种标准的确认(ACK)速率：通常为24Mbps，MSC4，和1Mbps。请注意，这些测试项目可能会因不同的实施方案而不同。剩下的两个11ac速率中，我们还应测试ACK速率；最后，也许应测试最低速率。当然，上述调制方式中，11M和1M必须在2.4GHz上测试，而最后一个频率可能是2.4GHz频段内最具挑战性的速率，如最高频率上的MSC7。

总结

正如上文所述，在现有2.4GHz频段上加上5GHz的测试内容可以为提高测试覆盖率创造新的机会。5GHz确实增加了测试的工作量，但是，通过对测试覆盖率的分析，我们发现增加的量并不是很多。此外，通过对基本测量项目的理解，测试数量的增加可使测试覆盖率提高。对于发射机测试，我们可以选择不同的调制方案，但仍维持现有的覆盖率。对于接收测试，好处不是很显著，但真正需要的测试点变少了，而且，相对于传统方法中特定数量的测试项目上可测试的调制方式的数量而言，我们可测试的调制方式的数量还更多。

作者：LitePoint美国总部市场营销部 资深产品市场经理 黄丕博士

作者简介：

黄丕博士2013年加入LitePoint公司，负责创新的无线连接产品线的战略规划和执行。黄丕博士是一位拥有超过10年丰富的行业经验的资深无线测试专家。黄丕博士在2013年加入LitePoint前曾就职于Sprint Nextel公司，英国电信公司和艾法斯公司。

黄丕博士拥有从Central Lancashire大学和伦敦大学学院的电子工程和电信系学士学位，以及帝国理工学院的工商管理硕士学位，和Bournemouth大学的个人无线网络的博士学位。