1、关于信令测试的故事
在WiFi大规模应用前，多数WiFi产品在开发阶段采用直接嵌入WiFi模块的方式来实现WiFi功能，甚至WiFi芯片厂家也仅粗略测量一下芯片性能即生产出厂。但是，随着WiFi网络的大规模覆盖和应用，对WiFi产品的性能要求越来越高，因此测试WiFi射频指标的要求应运而生。
在业界，许多设计公司、测试实验室、工厂采用非信令方式来测试WiFi产品，这在生产阶段是合适的，但是在研发阶段是否足够？这里却有着一个有趣的信令测试的故事。
2016年的某天，某著名网络产品公司技术负责人致电寻求技术支持：我们的无线路由器遇到了一个困惑：我们某款路由器应用于实际WiFi网络中时，WiFi终端接入非常困难。但是我们使用测试工具检测此路由器，它的所有物理射频指标都非常优异。不知道是为什么？
我来到了测试现场看到：WiFi路由器受控于芯片公司的测试工具，其WiFi发射机指标在非信令测试仪上显示：无论功率、EVM还是频谱等指标都是正常的。这到底是什么原因导致WiFi终端接入困难呢？
我们想到了使用信令综测仪模拟现实网络以验证情况。结果有了新的发现：在信令模式下，WiFi路由器的发射机指标显示不再正常：符号时钟严重失锁（Symbol Clock Error）。我们迅速更换了基带电路的锁相环，问题得以顺利解决。
这，又是为什么呢？
2、信令测试原理及其独特的作用
• 首先，我们先了解信令测试与非信令测试的机理
信令测试（Signaling measurement）。
WiFi的信令测试是指模拟现实网络的呼叫连接，通过AP与Station相互握手消息交互完成信号连接，仪器扮演Station或AP角色来完成与被测件的无线连接，并测试被测件的无线性能指标的测试。
非信令测试.(No Signaling measurement)
通过进入WiFi芯片的工厂测试模式，直接控制射频模块发送指定功率、指定频率或控制芯片接收指定数据包，仪表直接测量被测件的物理层射频指标，没有MAC层以上的协议交互。
• 接着，我们了解WiFi信令连接过程中的同步机理
我们知道，无线信号传输有两种方式：
一种是广播方式，信号持续发射，因此同步可以通过长时间的跟踪比对来实现，此方式比较容易实现同步，如移动通信的LTE、WCDMA等通讯技术；
另外一种是包交换方式，信号为单帧发射，需要在短时间秒内准确地捕捉到数据包的边界，从而完成准确的同步，如WiFi的通讯技术。
因此，在WiFi连接中，对同步的要求是较高的。
总的来说，WiFi的同步过程包括三大部分：时间估计、频率同步、信道估计。我们逐一分析如下：
图1、时间估计
· 包同步
首先我们介绍包同步。包同步是时间同步的第一步，完成对传输包边沿的大致估计。
当 的值高于指定门限时，判断为此时数据包发送，否则，断定无数据发送，从而获得数据包的边界。
（公式一）
a) 接收信号电平rn,当输入信号为噪声时rn=mn， 处于较低电平。当有信号输入时，将会有一个迅速上升的上升沿，由此得到信号边沿。但是，由于无法定义准确合适门限，导致触发可能会偏早或偏迟。因此此种方法判断信号边沿将会导致一定的误差。这只是时间边界的初步估计。
图2、接收电平强度检测
b) 第二步，为进一步提高准确度：采用双滑动窗口，mn为两个窗口信号累计的比值，这样的好处是信号到来时也会出现明显的凸起，且与输入信号的绝对功率无关，这样上升沿无需纠结门限高低，它都会输出一个较实时陡峭触发，由此可轻易地大致捕捉到传输数据包的边沿。这就是双滑动窗捕捉。
图3、双滑动窗捕捉原理
c) 实际上通过第二步算法来捕捉时间边沿仍然不够精确，因此会在第三步采用试探针包捕捉来完成精确的时间估计。通过发送图四结构的自相关性非常好的短、长训练序列及包含时延的逻辑电路运算完成准确无误的时间同步。
图4、WiFi的试探针结构
图5、双滑动窗及时延相关检测的实现方式
d) 从上面的实现方法可以知道：包同步的实现是通过对信号的AD转换、累计、时延、比对和运算完成的，由基带部分判别完成。如果基带部分出现延迟、或运算错误，将会导致时间边界的判断误差增大甚至无法还原。非信令测试只会对产品的射频部分的无线物理指标验证，不涉及基带。而由于信令测试需要完成协议交互、编解码，必须通过基带部分实现，因此，信令测试可以对基带部分实现的时间估计性能进行量化测试。因此，对于研发、测试部门来说，信令测试是有较好的验证作用的。
· 采样时钟锁定
我们知道，当WiFi的OFDM信号采样时钟出现偏差的时候，会出现两种后果：
a) 采样到的符号（symbol）在规定时间点出现细微抖动，即信号的相位将出现旋转，达到一定程度时，将无法恢复信号；
b) 由于采样时钟的偏差，导致符号间干扰（ISI），进而导致信号的SNR变差。
推理如下：
采样时钟误差：
（公式二）
受影响的信噪比：
(公式三)
由此导致的相位偏差为：
(公式四)
因此，需要采用锁相环+压控晶振或固定频点晶振来完成对频率误差的纠正：
图6、采用锁相环+压控晶振或固定频点晶振来完成对频率误差的纠正
c) 当AP或Station的晶振出现问题的时候，将会出现采样频率失锁问题。我们看到，这一部分也是在基带部分来完成的。如果仅仅采用非信令的方式测量AP或Station，那只是测量AP、Station的射频部分，采样时钟失锁是无法检测到的。
· 频率同步
在WiFi同步过程中，与时间同步一样，频率同步也同样地重要。
因为我们知道，WiFi技术中，特别是采用OFDM技术的802.11n, AC等制式对频率错误非常敏感。
频率错误会直接导致导致信号的SNR恶化：
（公式五）
引起频率误差的原因主要为来自：相邻子载波的干扰（ICI）及各子载波的功率回退。相邻子载波的ICI导致SNR变差容易理解，而各子载波功率回退导致的频率误差需要解释一下：
OFDM采用的是各正交子载波的功率峰值处传送数据，如果在正交频点处功率出现回退，意味着峰值不在正交频率处出现，解调数据时将在子载波频率附近寻找峰值获得承载数据，也就意味着当子载波功率峰值出现偏移，即峰值对应的频率出现偏移，不再正交，即出现所谓的“频率误差”。严重者将导致错误解调传输数据甚至无法解调。
我们知道：OFDM的子载波实现是通过基带的FFT+串并转换实现的，因此，基带运算的准确与否以及基带电路是否出现异常，都会直接影响信号的FFT变换的准确性和精度，进而影响频率误差大小，进而影响信号的SNR。
图7、OFDM的子载波实现方法
· 信道估计
最后，在实现了时间同步、频率同步后，进入信道估计，由此保证数据得到正确解调。
见图四，C1、C2即是为试探针用于信道估计部分信息。填写的是相关性非常好的长训练序列码字。
我们定义一路接收信号为R、传输矩阵为H，训练序列为X，噪声为W，因此：
（公式六）
这样，信道估计矩阵可以通过两路（假设信号为两路信号，实际可能为多路，同理），则通过两路接收信号分别与相应的训练序列相乘，即可还原出原来的信号出来：
（公式七）
由此，我们看到：通过测试信号试探针里的C1、C2部分，可完成对传输信道模型的估计，得到准确的传输模型，完成对接收信号解调。
我们看到：在这个信道估计的过程中，试探针的C1、C2解调（相乘），也是在基带完成的。如果此基带部分出现问题，将导致信道估计失常、无法解析数据。
3、回顾
当我们清晰地理解了WiFi时间同步、频率同步、信道估计的实现机理的时候，我们回过头来对文章开头的信令测试故事做一个回顾：
在现实网络中，当WiFi的OFDM信号采样时钟出现偏差的时候，会出现两种后果：
· 采样到的符号（symbol）在规定时间点出现细微抖动，即信号的相位将出现旋转，达到一定程度时，将无法恢复信号；
· 由于采样时钟的偏差，导致符号间干扰（ISI），进而导致信号的SNR变差：
但是，非信令测试却无法发现符号时钟失锁（Symbol Clock Error）。因为当非信令测试的时候，工具直接通过工厂测试模式直接控制射频前端输出指定频率、指定功率的射频无基带信息承载的物理层信号，工具根本没有启用管理采样时钟同步、符号同步的基带部分，只是通过射频触发方式完成同步测量。因此无法验证基带部分是否工作正常，结果导致上例的“在现实网络服务中WiFi终端接入困难”问题无法在出厂前被发现。但如果采用信令综测仪就能发现这一问题。
其实，它就是由于基带电路的锁相环出现问题，导致采样时钟偏差，进而导致采样符号相位反转、因此符号抖动，严重者导致解析错误。同时，也导致符号间串扰严重，最后导致路由器错误、甚至无法解析接入信号，接入申请无法识别，结果当然就是——接入困难甚至无法接入。
当我们更换了锁相环后，问题迎刃而解。此处，信令测试体现出了它独特的作用。
4、结论
由上描述可知：WiFi的同步分为三大部分：时间同步、频率同步、信道估计。时间同步获得数据包的时间边界；频率同步用于纠正频率误差，获得准确的与通讯方一致频率；信道估计可以通过解调试探针方式获得准确的信道估计模型，从而保证顺利解调信号。这个从“信号接收电平强度检测”到“确定信号传输模型”的同步过程中，任何一步的缺失，都会可能导致较差的EVM，或者恶化的SNR，或者直接导致无法解调信号。因此，在产品研发设计、测试阶段，如果使用信令测试方式，就能确认产品的基带部分、射频部分是否正常工作，无线性能是否达到规范要求。
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发表于 2017-6-7 15:48:36
