wersja mobilna
Online: 424 Piątek, 2018.04.20

Technika

Konfiguracja definiowanych programowo systemów testowych WLAN

środa, 09 listopada 2016 13:10

Trudno wyobrazić sobie dziś życie bez urządzeń komunikacji bezprzewodowej. Sieci WLAN znalazły zastosowanie w takich produktach, jak punkty dostępowe, routery czy nawet telefony komórkowe. W miarę wzrostu rynku zwiększa się potrzeba pomiarów systemów w zakresie tych technologii. W tym artykule zaprezentowano podstawowe informacje na temat możliwości przeprowadzania pomiarów testowych WLAN za pomocą definiowanych programowo systemów pomiarowych i opisano warstwę fizyczną.

Tabela 1. Metody transmisji i modulacji stosowanych przez najpopularniejsze standardy 802.11

Standardy sieci WLAN są określone przez grupę IEEE 802.11, w skład której wchodzą przedstawiciele świata przemysłu: od dostawców układów scalonych po producentów punktów dostępowych. Grupa ta zdefiniowała szereg standardów 802.11, od 802.11a, poprzez wersję 802.11z oraz kolejne.

Najbardziej powszechnymi protokołami dla urządzeń WLAN są wersje 802.11a, b, g, n oraz ac. 802.11a zapewnia prędkość przesyłu danych 54 Mb/s w paśmie ISM 5 GHz, 802.11b oferuje prędkość do 11 Mb/s w paśmie ISM 2,4 GHz. Rozwinięciem obu wersji był wprowadzony w 2003 roku 802.11g, zapewniający 54 Mb/s dla 2,4 GHz. Nowszą wersją jest 802.11n z technologią MIMO i obsługą równoległego kanału, co daje prędkość komunikacji do 300 Mb/s w obu pasmach częstotliwości.

Sieci WLAN bazują na bezpośrednim modulowaniu nośnej sekwencją kodową (DSSS) oraz ortogonalnym zwielokrotnianiu w dziedzinie częstotliwości (OFDM). Dodatkowo istnieje kilka zasadniczych metod modulacji - od CCK do metod kwadraturowych, takich jak BPSK oraz 64-QAM. Tabela 1 przedstawia listę standardów wraz z obsługiwanymi przez nie metodami transmisji i modulacji.

Tabela 2. Zależność pomiędzy prędkością transferu, wskaźnikiem kodowania oraz czasem przesyłu 1024 bitów

W przeciwieństwie do standardów opartych na OFDM - takich jak WiMAX (IEEE 802.16d/e) i opracowanego przez 3GPP Long Term Evolution (LTE) - sygnały OFDM w komunikacji WLAN korzystają z tej samej metody modulacji dla każdej z podnośnych. Zatem w przypadku sygnałów standardu IEEE 802.11a/g metoda modulacji bezpośrednio odpowiada za maksymalną wartość transferu danych i wskaźnik kodowania.

Tabela 2 przedstawia tę zależność. Wynika z tego, że osiągnięcie dużego transferu - takiego jak 54 Mb/s - wymaga użycia metod modulacji wyższego rzędu, takich jak 64QAM. Co więcej, czas przesyłu 1024 bitów danych jest tutaj znacząco dłuższy w przypadku metod modulacji niższego rzędu. Zauważając związek dłuższych czasów transmisji z dłuższym procesem testowania, zrozumienie tej zależności może być istotne podczas optymalizacji systemu testowego pod kątem szybkości pomiaru.

Ogólnie rzecz biorąc, podczas pomiaru wielkości wektora błędu (EVM) na pojedynczym przesyle wynik można osiągnąć szybciej, gdy urządzenie zostanie skonfigurowane do pobrania jedynie takiej ilości informacji, jaka jest niezbędna do przeprowadzenia pomiaru. Przykładowo - pomiar przesyłu modulowanego 64-QAM zostanie wykonany szybciej, gdy czas akwizycji zostanie ustawiony na 200 µs, niż gdyby było to 10 ms lub więcej.

Fot. tytułowa: Fot. 1. System PXI skonfigurowany do przeprowadzenia testów WLAN

Pomiary

Rys. 2. Ustawienia pomiarowe WLAN konfigurowane przy użyciu typowych dla LabVIEW funkcji

Proponowane przez NI podejście do testowania urządzeń bazuje na oprogramowaniu WLAN Measurement Suite, w skład którego wchodzą przyborniki narzędziowe NI WLAN Analysis i WLAN Generation. Od strony sprzętowej zestaw składa się z analizatora sygnałów wektorowych NI PXIe-5663 oraz generatora sygnałów wektorowych NI PXIe-5673 (fot. 1).

PXIe-5663 jest w stanie analizować sygnały o częstotliwościach od 10 MHz do 6,6 GHz, w paśmie do 50 MHz. Z kolei PXIe-5673 może generować sygnały o częstotliwościach nośnych od 85 MHz do 6,6 GHz i paśmie 100 MHz.

Urządzenia definiowane programowo są idealnym rozwiązaniem dla zautomatyzowanych aplikacji testowych, gdyż pozwalają na szybką zmianę konfiguracji i możliwość testowania wielu standardów komunikacji bezprzewodowej na tej samej platformie sprzętowej poprzez zmianę oprogramowania. Z kolei platforma PXI zapewnia ogromną wydajność przetwarzania. Jest to przydatne dla inżynierów, którzy tworzą produkty wielostandardowe.

Oprogramowanie NI WLAN Measurement Suite

W skład oprogramowania WLAN Measurement Suite wchodzą zestawy narzędzi WLAN Generation Toolkit oraz WLAN Analysis Toolkit. Oba wyposażono w interfejs API do LabVIEW, LabWindows/CVI oraz ANSI C/C++. Oba zestawy są kompatybilne z generatorami i analizatorami sygnałów wektorowych wchodzącymi w skład platformy PXI RF.

WLAN Generation Toolkit służy do tworzenia sygnałów w standardach 802.11a/b/g/n/ac. Z kolei WLAN Analysis Toolkit dostarcza wyniki pomiarowe w oparciu o sygnały zebrane przez analizator sygnałów. Z poziomu LabVIEW można skonfigurować ustawienia, takie jak konkretny standard, prędkość transferu, czas przesyłu i częstotliwość nośnej (rys. 2).

Typowe pomiary WLAN

Rys. 3. Sekwencja treningowa, estymacja kanału oraz dane w przebiegu czasowym mocy

Przy opisywaniu komponentu lub sprzętu radiowego WLAN przeprowadzane pomiary są często zależne od testowanych urządzeń. Przykładowo, podczas opisywania nieliniowości wzmacniacza mocy (PA) wymagane może być uwzględnienie pomiaru wielkości wektora błędu (EVM) oraz intermodulacji trzeciego rzędu (IM3).

Nie ma tu jednak potrzeby znajomości pomiaru przesunięcia nośnej, gdyż jest on funkcją zależną od sygnału z generatora RF. Najczęściej przeprowadzane pomiary WLAN za pomocą Analysis Toolkit to:

  • pomiary modulacji: wielkość wektora błędu (EVM), nierównomierność wzmocnienia sygnału IQ, przesunięcie sygnału zegara,
  • pomiary mocy: moc nadajnika w przedziale czasowym (chwilowa oraz średnia), czas ustalania poziomu nadawania,
  • pomiary częstotliwości: margines maski widmowej, płaskość widmowa, tłumienie nośnej, zajmowane pasmo.

Warto zwrócić uwagę, że choć miernik mocy chwilowej jest użytecznym narzędziem do pomiaru mocy, to jednak użycie analizatora sygnałów wektorowych RF jest najszybszym sposobem pomiaru średniej mocy w przesyłanym sygnale w.cz. Narzędzie Analysis Toolkit pozwala tutaj na konfigurowanie odcinkowego pomiaru mocy poprzez obliczenie średniej wartości na zdefiniowanym przez użytkownika przedziale czasowym.

Dodatkowo, przybornik może zostać użyty w celu otrzymania przebiegu mocy w zależności od czasu (rys. 3). Taki przebieg czasowy mocy jest często używany jako narzędzie debugowania, które pozwala upewnić się, że każdy fragment przesyłu - od sekwencji treningowej po symbole OFDM - jest transmitowany poprawnie.

Rys. 4. Graficzne przedstawienie pomiaru EVM w formie konstelacji

Wielkość wektora błędu (EVM) jest jednym z najbardziej istotnych pomiarów dla systemów komunikacji bezprzewodowej, gdyż jest w stanie wychwycić błąd będący skutkiem licznych nieprawidłowości: wykrzywienia charakterystyki IQ, nierówności we wzmocnieniu w sygnale kwadraturowym, szumu fazowego i nieliniowych zniekształceń.

Pomiar EVM polega na porównaniu zmierzonej fazy i amplitudy modulowanego sygnału z oczekiwanymi wartościami. WLAN Analysis Toolkit przeprowadza obliczenia i oblicza tę wartość automatycznie na podstawie danych I, Q oraz V. Oprogramowanie podaje wynik w procentach i decybelach.

W wielu przypadkach pomiar EVM sprawdza się wizualnie jako diagram konstelacji. Wykres ten pokazuje wartości fazy i amplitudy każdego z symboli, dzięki czemu można wykryć nieprawidłowości w modulacji (rys. 4).

Warto zwrócić uwagę na to, że WLAN Analysis Toolkit przeprowadza wszystkie pomiary w dziedzinie czasu w sposób równoległy. W ten sposób, poprzez konfigurację złożonego pomiaru, można obliczyć EVM, przesunięcie nośnej i przesłuchy, ale także między innymi niezgodności w sygnale kwadraturowym oraz nierówność wzmocnienia w sygnale kwadraturowym jednocześnie.

Pomiar maski widmowej

Rys. 5. Maski widmowe sygnału 802.11

Maska widmowa jest jednym ze sposobów na określenie nieliniowości nadajnika. Ogólnie rzecz biorąc, wykres widmowy może pełnić funkcję narzędzia diagnostycznego do stwierdzenia obecności zakłóceń w analizowanym sygnale.

Ponieważ test ten ma odpowiedź binarną, wynik pomiaru może być określony jako "margines maski widmowej", przy czym "margines" jest podawanym w decybelach przyrostem mocy sygnału w dominującym, niepoprawnym przedziale częstotliwości. Istotne jest, że sygnały IEEE 802.11b oraz IEEE 802.11a/g używają różnych masek widmowych, co w przypadku systemu pomiarowego bazującego na oprogramowaniu nie jest problemem (rys. 5).

National Instruments Poland Sp. z o.o.
poland.ni.com