无线局域网IEEE 802.11ac基本原理与测量解决方案

　　摘要：根据IEEE 802.11ac的标准需求以及IEEE 802.11ac基本原理的理解，全面介绍了罗德与施瓦茨公司对无线局域网IEEE 802.11ac完整而成熟的测试解决方案。

　　IEEE 802.11ac OFDM子载波分布

　　IEEE 802.11ac是基于OFDM调制，支持高达512个字载波，其中，字载波的分配如图1a和图1b。　　

 　　A：80 MHz带宽的子载波分布

　　● 256 FFT; 256个子载波

　　● 6+5 空保护子载波

　　● 3个DC子载波，分布在-1, 0, 1

　　● 8 个导频子载波，分布在-103, -75, -39, -11, 11, 39, 75, 103

　　B：160 MHz相邻带宽的子载波分布

　　● 能在单个相邻频率分布下进行发射

　　● 能够改善设备于复杂性、工作区域及发射功率等方面的限制

　　● 子载波分布：相当于两个相同的80MHz信道相邻的分布

　　IEEE 802.11ac 帧结构

　　从帧结构上看，802.11ac系统通过探测接入设备的帧结构里所包含的前导码(preample)和导频信号(pilot)，来区分接入设备使用的是何种标准，并自适应，这就是后向兼容。

　　从帧结构里可以看到，最前面的3个部分：短码、长码及信号，是用来兼容现有标准的(即802.11a/b/g/n)，也就是它们都有一个开头字母L,代表的Legacy的含义。

　　● L-STF (Short Training Field)

　　● L-LTF (Long Training Field)

　　● L-SIG (Signal).

　　另外，IEEE 802.11ac新增了几个部分，包括：

　　● VHT-SIG-A field contains two OFDM symbols (BPSK, 90° rotated BPSK)

　　● VHT-STF

　　● VHT-LTFs

　　● The VHT-SIG-B is the last field in the preamble

　　第四个部份VHT-SIG-A第一个码字是BPSK调制信号，而第二个码字则旋转了90°，为QBPSK, 用来区分HT 和VHT模式。在802.11ac中的VHT-STF用来改善在MIMO传输中的自动增益控制。紧跟在VHT-STF后面的是VHT-LTF, 即长训练序列，它为接收机提供了在发射天线和接收天线之间进行MIMO预估信道测算的比特。根据空分码流的总数可以分为1,2,4,6 或者8 个VHT-LTF。在802.11ac中，1, 2 或者4个VHT-LTF进行直接映射，又增加了6或者8个VHT-LTF用于最大8 个空分码流的应用。VHT-SIG-B描述了所要传输的数据长度、调制方式和编码方式(即MCS)是单个用户还是多用户的模式。　　

　　R&S关于IEEE 802.11ac标准的测试解决方案

　　根据无线局域网IEEE 802.11ac的介绍，802.11ac具有一些新的特性，使得此类产品的测试出现新的挑战。例如，256QAM技术要求在接收和发射电路中有良好的矢量误差(EVM)，在星座图测量中要求也更为复杂、精确。R&S公司的矢量信号分析仪FSW/FSQ/FSV-k91ac和K96都能提供详细的信号分析，以便洞察其信号出错情况，做出更好的调整和更改，同时还能支持4x4 MIMO的测量。

　　当然，对于产品的设计和研发带来更大的挑战是如何产生和分析802.11ac这种宽带信号，尤其是在考虑模块测量、发射机测试和接收机测试时，常常要用到80MHz，160MHz这样的宽带信号。接下来，主要针对这种宽带信号的产生、分析及信令测试做相关介绍。

　　IEEE 802.11ac信号的产生方案

　　20MHz、40MHz、80MHz信号的产生

　　由于R&S公司的矢量信号源内部带宽都至少在80MHz带宽以上，所以，对于80MHz带宽内的802.11ac信号产生，可以直接通过矢量信号源R&S SMU200A、SMJ100A或者SMBV100A加选件K86或者K286产生，非常方便。

　　80+80MHz信号的产生

　　对于80+80MHz带宽的802.11ac信号的产生，具有两种模式：相邻模式和非相邻模式，两种情况都可以直接通过两台矢量信号源R&S SMBV100A或者SMJ100A产生，如图3。

　　160MHz信号的产生

　　要产生160MHz的信号，需要利用一个宽带的I/Q调制发生器，例如，R&S AFQ100A/100B信号源产生模拟I/Q信号，送到一个具有外部I/Q输入端的矢量信号发生器，如R&S SMU200A、SMJ100A、SMBV100A进行上变频，然后通过RF频率发射出来。

　　同样，R&S公司新推出的宽带矢量调制信号源SGS100A具有高达1GHz带宽的特点，因此，使用SGS100A也可以相应的产生带宽高达160MHz的802.11ac信号，如下：

　　当然，也可以利用这种方式产生80+80 MHz的信号，即在两个SMJ100A、SMBV100A或者一个双通道矢量信号源SMU200A里分别生成两个80 MHz的信号，然后合并在一起产生一个160MHz带宽的RF信号。

　　IEEE 802.11ac信号的分析方案

　　20MHz、40MHz信号的分析

　　对于20MHz、40MHz带宽的802.11ac信号分析，可以直接通过矢量信号分析仪R&S FSW、FSQ或者FSV加选件k91ac或者k96进行信号分析，相比之前的802.11n的测试来说，基本没有什么变化，非常简单。

　　80MHz信号的分析　

　　由于带宽的增加，对于80MHz带宽的802.11ac信号分析，可选择的测试仪表有R&S FSW和FSQ。对于FSQ来说，需要配置B72使得带宽扩展到120MHz，对于FSW来说，需要配置B80选件，使得分析带宽达到80MHz。FS-K91ac是一款类似802.11n的测试选件，可以测试的结果如下：

　　● I/Q基带测试(包括EVM，星座图，EVM vs symbol等);
　　● 频谱测量(包括ACP、SEM等)。

　　同样，也可以通过任意OFDM解调软件FS-K96来完成IEEE 802.11ac信号的分析，此软件类似于FS-K70，操作非常方便，直接通过PC控制就可以完成相应的测试，可以测试I/Q基带数据的结果，包括：EVM、星座图等。如图7所示。

　　160MHz信号的分析

　　由于带宽激增，针对160MHz带宽的802.11ac信号分析，需要使用目前市场上带宽最宽、速度最快的信号分析仪R&S FSW。对FSW来说，需要配置B160使带宽扩展到160MHz。即将发布的FSW-K91ac选件就是用于专门针对IEEE 802.11ac信号分析，如图7所示。　　

　　IEEE 802.11ac之MIMO的测试解决方案

　　802.11ac对MIMO提出了更高的要求，这就对MIMO测试检验也是一种挑战。MIMO功能的优劣取决于对802.11设备的要求，多信道信号的产生和分析有助于更加深入地了解MIMO设备的内在性能，并且可以帮助设计工程师进行故障定位和设计检验等。

　　802.11ac之MIMO接收机测试

　　对于MIMO接收机的测试，在硬件平台上，R&S SMU200A双通道矢量信号源可以单台仪表产生2×2MIMO信号;而在4×4MIMO的配置上，可以同步多台R&S SMBV100A或者SMU100A信号源产生MIMO多通道的信号。同时，R&S矢量信号源提供内置实时信道衰落Fading和高斯白噪声AWGN，进行接收机测试和性能测试非常方便。

　　802.11ac之MIMO发射机测试

　　对于MIMO发射机的测试，可以使用R&S多台信号分析仪FSW/FSQ/FSV，其中只需要一台配有802.11ac解调选件的信号分析仪作为主机，另外几台仪表作为从机，就能分析多达4个信道的MIMO信号，测试结果包括每个信道的EVM和IQ测量结果，以及频谱特性等。同样，用于802.11ac信号分析的选件R&S FS-K91ac，可以分析4×4MIMO的信号，支持三种方式下的MIMO的分析。包括：

　　● Simultaneous MIMO ，with multiple FSx;
　　● Sequential MIMO ，manual;
　　● Sequential MIMO ，using OSP box;