提升WLAN测试系统的测量速度

由于业界正在不断寻求更低的测试成本，许多RF测试工程师必须继续地缩短测量时间。如你所知，无线网络（WLAN）装置的测试操作也必须要迎合这个趋势。无论是用于设计检验的自动化测试系统或者是最终产品的测试操作，测试系统的测量速度已经变得越来越重要。然而，在大多数情况下，除了缩短测试的时间并降低测试成本之外，系统的测量精度与可重复性却不能受到影响。这篇技术文章将针对WLAN测量操作，说明可能影响测量速度的多个权衡要素。在了解了相关概念之后，还将针对提供测试系统的测量速度，提供更好的实践说明。本技术文章将按照顺序对下列要素进行说明：平均度与可重复性；完整脉冲与部分脉冲的EVM；复合测量与单一测量；测量频跨与测量时间，最后是CPU与测量时间的关系。针对上述相关的要素，本技术文章将通过NI PXIe-5663 -- 6.6 GHz RF矢量信号分析仪来进行范例测量操作。这些实例使用NI PXIe-5673 -- 6.6 GHz RF矢量信号发生器作为激励。而且所有的范例都使用了NI WLAN测量套件（Measurement Suite），其中包括NI LabVIEW与LabWindows™/CVI的信号产生与分析工具包来搭建测量平台。若要进一步了解应该如何设置PXI WLAN测试系统，可以参阅配置软件定义的WLAN测试系统。虽然这篇技术文章着重于PXI RF仪器的操作，但相同的基本测量要素也可能通用于任何RF仪器。因此，无论是PXI仪器与传统的RF仪器，都可以通过这篇技术文件来提高相关的性能。

1. 权衡要素1 – 平均度与可重复性
无论是自动化设计检验还是生产测试方面的应用，提升测量结果可重复性的常见技术，就是平均多次测量的结果。然而，如果要设定大量的平均值来提高测量结果的可重复性，将会增加测量的时间，一般来说，总体的测量时间可以通过平均值的次数而进行线性的调整。因此，如果单一测量操作需要用时20ms，那么相同的测量结果10次取平均的时候，就将花费近200ms。

更进一步来看，由于平均操作可以将不可重复的减损（Impairment）- 如加性高斯白噪声（AddiTIve white Gaussian noise，AWGN）在多次测量之间进行抵消，因此可以有效地提高可重复性。如果要了解平均操作对可重复性的影响，就可以使用NI PXIe-5673 RF矢量信号发生器与NI PXIe-5663 RF矢量信号分析仪来执行环回测试。通过上述装置，可以在2.412GHz上产生802.11g正交频分多工（OFDM），-10dBm功率强度的RF信号。同样的，使用4种不同信号种类– BPSK (6 Mbps)、QPSK (18 Mbps)、16-QAM (24 Mbps)，与 64-QAM (54 Mbps)就可以了解脉冲的大小与调制类型对测量时间的影响。如果使用1024位的有效载荷，那么每种信号类型都将具有不同数量的OFDM符号。举例来说，BPSK脉冲将具有343个符号，而64-QAM脉冲将使用39个符号。因此，每种信号类型的脉冲间隔也不一样，表1显示了不同类型脉冲宽度的不同。

表1 802.11a/g可变数据传输率的调制方式，脉冲间隔以及符号数

误差矢量强度（EVM）测量操作可以提供完整的信号调制质量。在EVM测量操作中，有两种内置的方法可以展现平均的结果。针对IEEE802.11a/g脉冲，测量的结果将覆盖各个OFDM子载波与符号。以EVM的均方根（RMS）表示。根据表1来看，应该可以直接看出脉冲中的符号数量，而且如果EVM是较低的6Mbps（BPSK）数据传输率，应该可以产生超过54Mbps脉冲的可重复测量操作。从而可以得知较长脉冲也具有较多的符号。但是，仅当EVM是通过完整脉冲（而非特定部分脉冲）表现为RMS时，上述的假说才是成立的。权衡要素2将针对部分脉冲进行分析，说明相关的可重复性。

在一般的情况下，我们可以假设：在执行较长脉冲的测量操作的时候，将可以产生更多的可重复的EVM结果。图1显示了平均次数与测量标准偏差之间的关系。这些测量操作都是通过NI PXIe-5673 RF矢量信号发生器和NI PXIe-5663 RF矢量信号分析仪来进行的。使用-10dBm的RF平均功率，并且将这两种仪器的中间频率均设定为2.412GHz。

图1 平均操作可以降低测量平均值的标准偏差

图1展示了当每次测量操作所使用的平均次数增加的时候，1000次EVM测量的标准偏差将随之降低。请注意，由于 图1 所使用的信号源是RF矢量信号发生器- 专门为了产生可重复的信号而设计的产品，所以图1中的EVM与标准偏差均大大好于802.11g转换器所可能产生的实际情况。因此，可以将图1显示的结果作为可重复性的标准。并且，请注意，只有以绝对测量值（Absolute measurement value）表示的测量其可重复性才有意义。一般来说，只要测试仪器的EVM标准越高，其可重复性的影响就越小。表2则显示测量操作设定为10次平均时的EVM结果。

表2 EVM与调制类型保持相对的一致性

表2 显示，无论调制方式的不同所测得EVM将趁于一致，然而，这也表示使用者可以通过较长的脉冲来获得较好的标准偏差。当然也将需要测量更多的符号。举例来说，如果进行10次平均就可以在64-QAM信号上达到0.081dB的标准偏差，那么当测量BPSK信号的完整脉冲时，只需要5次平均就可以达到相同的标准偏差。

一般来说，只需要花费较长的测量时间，就可以通过平均操作来达到较低的标准偏差结果。表3就以54Mbps脉冲来说明了这种关系，请注意，表3的测量时间包含 了门控功率和EVM测量操作。

表 3. 测量时间随着平均次数的增加而增加

在表3中，我们使用PXIe-5663 RF矢量信号分析仪与一套NI PXIe-8106控制器执行复合的EVM与门控功率测量操作。EVM是由完整脉冲的RMS计算所得；而且其中的平均值与标准偏差是以超过1000次的测量操作所计算得出的。表3则说明，测量时间与平均次数之间那趋于线性的关系。NI WLAN分析工具包使用了所谓的非同步提取（Asynchronous fetching）技术，即当分析仪提取出新的记录的时候，也同时处理以前的记录。因此，使用者不需要受到线性时间（Linear TIme）的限制就可以对多次平均进行测量操作。另外，还请注意表3所列出的单次平均的EVM与功率测量将花费9.4ms，但如果将平均次数设定在10次，测量操作就仅花费了63.6ms，即每次的平均耗时为6.3ms。

2. 权衡要素2 – 完整脉冲EVM与部分脉冲EVM
如果将仪器设定为执行部分脉冲EVM，而不是处理完整脉冲EVM测量时，就可以在某些情况下获得较快的EVM测量。按照默认值来处理，NI WLAN分析工具包将执行OFDM EVM测量来作为整个脉冲序列中所有子载波中每个符号的RMS。同样的，NI WLAN分析工具包将802.11b DSSS EVM测量作为整个脉冲序列所有片段的RMS。但是，仍然有诸多范例显示，如果仅测量脉冲的第一部分，那么不仅可以得到可重复的测量并节约测量时间。在这样的情况下，您可以通过编程来配置运算EVM所需要的符号数目或者片段数。

为了说明部分脉冲分析的影响，我们可以通过两组不同的脉冲并设定其分别使用BPSK (6 Mbps) 和 64-QAM (54 Mbps)。如表1所示，BPSK脉冲具有1434 µs的长度与343组符号；而64-QAM脉冲具有176 µs的长度和39组OFDM符号。同样的，本实验展示了运算EVM测量时间的结果作为1000次测量的平均值。每一个测量值都通过一次平均来实现并关闭了轨迹。图2 展示了用来进行运算操作的符号数量与BPSK脉冲测量时间的关系。

图2 BPSK脉冲所测得标准偏差与符号之间的关系

如图2所示，对于BPSK这种较长的脉冲序列来说，如果可以只分析序列的一部分而不是所有的符号，就可以大大缩短测量的时间。如果使用比较少的符号，就可以将该脉冲的测量时间从40ms缩短为22ms。此外，在较快的测量条件下，测量结果的可重复性可能会出现稍微的偏差。

很显然，部分脉冲测量的优点是可以缩短较长脉冲的测量时间。造成这个结果的原因就是对于较长的脉冲序列来说，进行一次测量的准备时间（内存分配、驱动调用以及数据采集的时间）与整个脉冲的测量时间相比仅占很小的一部分。而与之相反，对较短的脉冲序列（例如64-QAM和16QAM）来说，相对于使用的符号来说，灵活性就相对小了。例如，一个64-QAM脉冲序列仅包括39个先头符号。因为您需要多于16个符号来进行可重复的EVM测量，所以您将不能在64-QAM脉冲序列上显著地缩短测量时间。图3显示了针对54Mb/s的脉冲其测量时间与符号数目的关系。

图3 对较长的脉冲序列来说，部分脉冲分析会更快

用了NI PXIe-8106控制器来加快测量的速度。请注意，这些结果仅适用于某些条件，针对较长的BPSK与QPSK 802.11a/g信号而言，仅进行部分脉冲分析的确可以缩短测量的时间。

通过WLAN分析工具包，也可以使用相同的方法来设定IEEE802.11b EVM测量操作只对部分脉冲进行计算。由于802.11b使用直接序列扩频（DSSS），因此将通过多级片段来计算EVM。因为默认的EVM测量将对完整的脉冲进行计算，使用者可以将WLAN分析工具包设定为仅对1000组片段执行EVM测量操作。

图4. 以较少的DSSS片段来配置EVM所得到的802.11b的测量时间

从图4可以看出，如果针对1Mbps的信号脉冲减少测量的片段数量，就可以将测量的时间从300ms缩短为170ms。