關(guān)于WiFi射頻接收性能的測試方法分析以及解決方案詳解-設(shè)計應(yīng)用

精品文檔-下載后可編輯關(guān)于WiFi射頻接收性能的測試方法分析以及解決方案詳解-設(shè)計應(yīng)用WiFi（WirelessFidelity）手機是一種新興的基于WiFi技術(shù)的VOIP電話。使用這種手機可以將模擬語音信號轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)包的形式，通過熱點（AccessPoint）接入基于IP協(xié)議的互聯(lián)網(wǎng)上進行傳輸，從而接打電話。與傳統(tǒng)固話相比，WiFi手機的資費非常廉價，但使用的前提是，WiFi手機只有在熱點覆蓋范圍以內(nèi)才能進行通話。但熱點的覆蓋范圍往往非常有限。

有兩種方法可以增大熱點的覆蓋范圍：一是提高熱點發(fā)射功率和提高手機接收靈敏度，但熱點的發(fā)射功率不可能無限制地被提高，所以同時還必須提高手機的接收靈敏度來增大熱點覆蓋范圍。根據(jù)自由空間傳輸損耗公式：L（dB）=32.4+20×lgd（km）+20×lgf（MHz）

由此可以得出結(jié)論：在自由空間的理想情況下，手機接收靈敏度每增加6dB，便可使熱點的覆蓋范圍增大1倍。所以，提高WiFi手機的接收指標有非常實際的意義。要提高WiFi手機的接收性能，首先就必須準確地測試出其接收指標，然后才能對其進行改進，終提高整個系統(tǒng)的性能。

在802.11系統(tǒng)中，信息是以幀為單位進行傳輸?shù)?，因此可用誤幀率對接收性能進行統(tǒng)計分析，而在PHS系統(tǒng)中，是以誤碼率來定義接收性能指標的。無論在對接收指標的定義上還是在接收性能的測試方法上，WiFi系統(tǒng)和PHS系統(tǒng)均存在較大差異。所以，文中將著重對WiFi射頻接收性能的測試方法進行分析，并給出一種通用的解決方案。

1、射頻接收指標及測試過程

1.1、射頻接收指標的定義

根據(jù)IEEE802.11b規(guī)范，有3項較為關(guān)鍵的射頻接收指標定義如下：

1）接收機輸入電平靈敏度對于在天線連接器上測得的-76dBm的輸入電平而言，若PSDU的長度為1024個字節(jié)，其誤幀率（FER）應(yīng)小于8%;

2）接收機輸入電平對于在接收端天線上測得的-10dBm的輸入電平而言，若PSDU長度為1024個字節(jié)，則其誤幀率（FER）應(yīng)為8%;

3）接收機鄰道抑制接收機鄰道抑制在每一信道組中的間隔，不小于25MHz的任意2個信道間鄰道干擾信號功率與有用信號功率的比值。對于采用11Mbit/sCCK調(diào)制的FER值為8%以及長度為1024字節(jié)的PSDU而言，鄰道抑制必須不小于35dB。

1.2、誤幀率

在上面3項指標的定義中，均提及了1個非常重要的參數(shù)：誤幀率，即傳輸過程中丟失和出錯的幀數(shù)和發(fā)送總幀數(shù)的比值。只有獲得正確的誤幀率，才能地測試出上述3項接收性能指標。實驗室搭建的接收性能測試平臺，見圖1

在圖1的測試平臺上，由PC為信號源提供一定幀格式的I/Q信號波形文件，并由信號源發(fā)出一定數(shù)量的幀。同時，DUT在PC的控制下，對這些幀進行接收解調(diào)，求得相應(yīng)的誤幀率。然后根據(jù)誤幀率來調(diào)節(jié)信號源的發(fā)射功率，直到誤幀率正好滿足指標要求，此時便能獲得DUT相應(yīng)的接收性能指標。但在這個平臺上，要獲得正確的誤幀率，也存在2個難點：

1）信號源發(fā)出的幀格式必須滿足DUT的要求。不同芯片供應(yīng)商提供的芯片對幀格式的要求是不同的，若滿足不了芯片對幀格式的需要，DUT便不能正確統(tǒng)計收到的正確幀數(shù)，從而導(dǎo)致誤幀率的計算錯誤;

2）信號源要能確保發(fā)出一定數(shù)目的幀，若信號源發(fā)出的總幀數(shù)都不能確定，誤幀率便無法計算。

2、幀結(jié)構(gòu)分析

不同的芯片供應(yīng)商在測試芯片接收性能時，往往采用不同的幀格式。只有幀格式滿足要求，才能統(tǒng)計出正確的收幀數(shù)，獲得準確的誤幀率。常見的WiFi芯片供應(yīng)商Agere、Philips在接收測試時，對幀格式的要求也各不相同。文中主要針對Agere和Philips的幀格式要求進行詳細分析［5-6］。

2.1、幀的形成過程

在802.11DSSS系統(tǒng)中，幀的形成包括以下4個過程。

2.1.1MSDU的形成

MSDU是MACServiceDataUnit的縮寫，被稱為MAC層業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)單元，是原始的待發(fā)送數(shù)據(jù)信息。

2.1.2MPDU的形成

MPDU（MACProtocolDataUnit）被稱為MAC層協(xié)議數(shù)據(jù)單元。它是將MSDU按一定幀結(jié)構(gòu)封裝后獲得的待發(fā)數(shù)據(jù)信息，見圖2。封裝過程包括在MSDU前加上MAC幀頭和在后面加上幀檢驗序列。

2.1.3PSDU的形成

PSDU（PLCPServiceDataUnit）被稱為PLCP子層業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)單元，實際就是從MAC層傳來的MPDU信息。

2.1.4PPDU的形成

PPDU（PLCPProtocolDataUnit），被稱為PLCP子層協(xié)議數(shù)據(jù)單元。它是將PSDU按照特定的幀格式進行數(shù)據(jù)封裝后的數(shù)據(jù)包，具體說來就是在PSDU前面再加上PLCP前導(dǎo)碼和PLCP報頭，見圖3.PPDU是終將經(jīng)由物理介質(zhì)發(fā)送出去的數(shù)據(jù)封裝。

2.2、PPDU格式

幀格式［7］的修改全部由PC的軟件（WinIQsim或SignalStudio）實現(xiàn)，PC傳輸給信號源的I/Q波形文件已確定了幀格式。軟件中主要是使MPDU滿足芯片要求，而PPDU則自動生成的，所以這里只介紹PPDU格式。

整個PLCP前導(dǎo)碼和報頭采用1Mbit/sDBPSK調(diào)制進行發(fā)射，發(fā)送的數(shù)據(jù)均采用反饋加擾器加擾。SYNC字段由128個加擾的“1”組成，被用來和接收方進行必要的同步操作;SFD被用以指示依賴與PHY的參數(shù)在PLCP前導(dǎo)碼中的開始;Signal字段指示發(fā)送（和接收）MPDU應(yīng)采用的調(diào)制速率;Service字段為預(yù)留字段;Length字段用以指示發(fā)送MPDU所需的微秒數(shù);CRC-16字段根據(jù)CCITTCRC-16規(guī)范計算出Signal、Service和Length字段的CRC校驗碼并一同發(fā)送，完成幀檢驗序列保護。

2.3、MPDU

MPDU通常包括3個部分，見圖3.

①MAC幀頭，包括幀控制、持續(xù)時間、地址及序列控制信息;

②可變長度的整體，包含基于幀類型的特定信息;

③幀檢驗序列（FCS），包含IEEE32bit的循環(huán)冗余碼（CRC）。

2.4、幀控制字段的結(jié)構(gòu)

幀控制字段雖然只有16個字節(jié)，但卻包含了用于解釋幀其他部分的全部信息，見圖4.

1）協(xié)議版本：當前總是0，其余為保留值，不為0則丟棄;

2）類型和子類型：這2個字段共同標識幀的類型和功能。802.11中總包含3種幀：控制幀、數(shù)據(jù)幀和管理幀。每種幀類型又分為幾種子類型。幾種常用的幀類型見表1.

3）去往DS和來自DS字段：輔助確定幀的終傳輸?shù)刂?

4）多分段標記：代表數(shù)據(jù)超過2312字節(jié)，將被分成多個數(shù)據(jù)包傳送;

5）重傳字段：識別當前幀是否為1個數(shù)據(jù)幀的重傳拷貝;

6）功率管理字段：代表STA的節(jié)能狀態(tài);

7）多數(shù)據(jù)標記字段：代表STA有更多的數(shù)據(jù)需要發(fā)送;

8）排序字段：代表當前幀是數(shù)據(jù)幀，并按照有嚴格序列要求的幀類型發(fā)送數(shù)據(jù);

9）持續(xù)時間/ID字段：記錄了數(shù)據(jù)的持續(xù)時間數(shù)，該時間數(shù)將被用來使其他STA更新自己的矢量網(wǎng)絡(luò)分配。

2.5、MAC幀格式

MAC幀格式中有4個地址字段，這些字段用于指示基本服務(wù)集標識（BSSID）、目的地址（DA）、源地址（SA）、發(fā)送站地址（TA）和接收站地址（RA）。某些幀可能不包括某些地址字段。其中數(shù)據(jù)幀的地址字段內(nèi)容取決于去往DS和來自DS的2個字段的值，見表2。

序列控制字段：長度為16bit，由序列號和分段號2個字段構(gòu)成。其中12bit的序列號用來指示MSDU或MMPDU的序列編號。STA發(fā)送的每個MSDU或MMPDU被分配1個序列編號，隨著每個MSDU或MMPDU的出現(xiàn)而以1遞增。MSDU或MMPDU每個分段的序列號相同，當MSDU、MMPDU或其分段重傳時，序列號保持不變。4bit長的分段號則用于指示MSDU或MMPDU的分段編號。當MSDU或MMPDU僅有1個分段時，分段編號為0;當MSDU或MMPDU有多個分段時，其第1個分段的分段編號為0，其后的分段編號以1遞增，所有重傳分段的分段編號保持不變。

FCS字段為32bit的CRC，它由MAC頭和幀全部字段計算得到。

3、不同芯片的幀結(jié)構(gòu)分析

以常見的Agere芯片組為例，用無線網(wǎng)卡在測試板下抓拍的由AgereGoldUnit發(fā)出的幀結(jié)構(gòu)，見圖5.

幀的類型和子類型為“010000”，對照表1可以得出此幀為單純的數(shù)據(jù)幀。其去往DS和來自DS均為0，由對照表2可以得出其地址1為DA，地址2為SA，地址3為BSSID。這里DA為“FFFFFFFFFFFF”，即廣播幀;SA為芯片的MAC地址。在序列控制字段中，分段號為0，說明此MSDU沒有分段;而比較相鄰的2個幀，可以看出幀的序列號是以1遞增的，而2個幀之間的時間間隔約為20ms。

由于現(xiàn)在的信號源只能對一定格式的幀進行循環(huán)發(fā)送，無法使每幀的序列號遞增，所以只有在接收程序中屏蔽掉對幀序號進行驗證的功能。若幀間空閑時間過小，則芯片未能完成CRC校驗，從而導(dǎo)致誤幀率計算錯誤，所以還必須將幀間的間隔時間設(shè)置成20ms。，再將幀格式設(shè)置成數(shù)據(jù)幀，這樣便能在接收性能測試時，使信號源發(fā)出的幀能夠滿足Agere芯片的要求。

在Philips的BGW200芯片組中，用同樣的方法可以發(fā)現(xiàn)：幀的格式為數(shù)據(jù)幀，而且數(shù)據(jù)區(qū)的前10個字節(jié)是在61～7A間進行循環(huán)，數(shù)據(jù)區(qū)的其他字節(jié)均為09。對于這種幀結(jié)構(gòu)要求，首先對幀的數(shù)據(jù)區(qū)進行編程，使其滿足芯片要求，然后將幀的類型設(shè)置成數(shù)據(jù)幀，并使信號源循環(huán)發(fā)送這26個幀，這樣便能滿足測試Philips芯片的接收性能時對幀格式的要求。

4、發(fā)送恒定幀數(shù)的實現(xiàn)

由于在接收指標的測試時，是以8%的誤幀率進行判決的，所以權(quán)衡了測試時間和測試精度后，決定讓信號源每次發(fā)送1000個幀。當DUT解調(diào)出的正確幀大于920時，則認為滿足接收指標。

4.1、產(chǎn)生1000個幀的方法

1）通過GPIB卡來控制儀器射頻的開關(guān)時間，從而實現(xiàn)1000個幀的發(fā)送;

2）通過儀器自帶的ListMode來發(fā)送1000個幀;

3）通過將波形文件生成波形序列，從而讓儀器在觸發(fā)下發(fā)送1000個幀。

在11Mbit/s下，每幀的發(fā)送時間約為1ms，所以若采用第1種方法，精度不是很高，不能嚴格發(fā)出1000個幀;第2種方法同樣是控制儀器的發(fā)送時間，惟一區(qū)別就是在儀器自帶的listmode中設(shè)置發(fā)送時間，使其精度大大提高，時間精度可以達到μs級。不足的是，采用這種方法時，若導(dǎo)入不同的波形文件，則必須對listmode下的時間進行校準，而且在信道切換和功率變化時，均要重新編輯list，大大增加了測試的工作量;第3種方法則是由儀器在觸發(fā)模式下控制發(fā)幀數(shù)目。采用這種方法時，儀器并沒有立刻對傳遞過來的I/Q波形文件進行操作，而是根據(jù)用戶所需的發(fā)幀數(shù)，先將波形文件轉(zhuǎn)換成1個波形序列，然后再對這個波形序列進行調(diào)制，從而嚴格地保證了發(fā)幀數(shù)。相比第2種方法，第3種方法免去了信道切換和功率變化時編輯list的工作，提高了測試效率，也是現(xiàn)在實驗室中普遍采用的測試方法。

4.2、第3種方法發(fā)送1000個幀的實現(xiàn)步驟

在AgilentE4438C上用第3種方法發(fā)送1000個幀的實現(xiàn)步驟如下：

1）在Signalstudio中生成Wave文件，通過GPIB卡到E4438C中;

2）對Signalstudio傳過來的Wave文件進行編輯，并生成Sequence文件;

3）選取第2步生成的Sequence為波形文件;

4）設(shè)置Trigger。完成設(shè)置后，每按一下［Triggle］