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WiFi信令测试在研发过程中的作用

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发表于 2017-6-7 15:48:36 | 显示全部楼层 |阅读模式
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:

1.jpg

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。

2.jpg
(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。

3.jpg

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。

4.jpg

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。

5.jpg

图4、WiFi的试探针结构

6.jpg


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:

7.jpg
(公式二)

受影响的信噪比:

8.jpg

(公式三)

由此导致的相位偏差为:

9.jpg

(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:

10.jpg


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:

11.jpg

(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。

12.jpg

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:

13.jpg

(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:

14.jpg

(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 2017-9-20 20:01:32 | 显示全部楼层
学习了。现在的信令测试仍然处于不断完善的阶段,很多数据也不一定很准确。总体而言,信令测试对研发来说是大势所趋,以后的测试方法应该也是趋向于这种方式。
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