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

WiFi（WirelessFidelity）手機(jī)是一種新興的基于WiFi技術(shù)的VOIP電話。使用這種手機(jī)可以將模擬語音信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)包的形式，通過熱點(diǎn)（AccessPoint）接入基于IP協(xié)議的互聯(lián)網(wǎng)上進(jìn)行傳輸，從而接打電話。與傳統(tǒng)固話相比，WiFi手機(jī)的資費(fèi)非常廉價(jià)，但使用的前提是，WiFi手機(jī)只有在熱點(diǎn)覆蓋范圍以內(nèi)才能進(jìn)行通話。但熱點(diǎn)的覆蓋范圍往往非常有限。

有兩種方法可以增大熱點(diǎn)的覆蓋范圍：一是提高熱點(diǎn)發(fā)射功率和提高手機(jī)接收靈敏度，但熱點(diǎn)的發(fā)射功率不可能無限制地被提高，所以同時(shí)還必須提高手機(jī)的接收靈敏度來增大熱點(diǎn)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(jī)接收靈敏度每增加6dB，便可使熱點(diǎn)的覆蓋范圍增大1倍。所以，提高WiFi手機(jī)的接收指標(biāo)有非常實(shí)際的意義。要提高WiFi手機(jī)的接收性能，首先就必須準(zhǔn)確地測試出其接收指標(biāo)，然后才能對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，最終提高整個(gè)系統(tǒng)的性能。

在802.11系統(tǒng)中，信息是以幀為單位進(jìn)行傳輸?shù)?，因此可用誤幀率對(duì)接收性能進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，而在PHS系統(tǒng)中，是以誤碼率來定義接收性能指標(biāo)的。無論在對(duì)接收指標(biāo)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(duì)WiFi射頻接收性能的測試方法進(jìn)行分析，并給出一種通用的解決方案。

1、射頻接收指標(biāo)及測試過程

1.1、射頻接收指標(biāo)的定義

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

1）接收機(jī)最小輸入電平靈敏度　對(duì)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(gè)字節(jié)，其誤幀率（FER）應(yīng)小于8%;

2）接收機(jī)最大輸入電平　對(duì)于在接收端天線上測得的-10dBm的最大輸入電平而言，若PSDU長度為1024個(gè)字節(jié)，則其誤幀率（FER）最大應(yīng)為8%;

3）接收機(jī)鄰道抑制　接收機(jī)鄰道抑制在每一信道組中的間隔，不小于25MHz的任意2個(gè)信道間鄰道干擾信號(hào)功率與有用信號(hào)功率的比值。對(duì)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(xiàng)指標(biāo)的定義中，均提及了1個(gè)非常重要的參數(shù)：誤幀率，即傳輸過程中丟失和出錯(cuò)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，才能精確地測試出上述3項(xiàng)接收性能指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)室搭建的接收性能測試平臺(tái)，見圖1

在圖1的測試平臺(tái)上，由PC為信號(hào)源提供一定幀格式的I/Q信號(hào)波形文件，并由信號(hào)源發(fā)出一定數(shù)量的幀。同時(shí)，DUT在PC的控制下，對(duì)這些幀進(jìn)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(hào)源的發(fā)射功率，直到誤幀率正好滿足指標(biāo)要求，此時(shí)便能獲得DUT相應(yīng)的接收性能指標(biāo)。但在這個(gè)平臺(tái)上，要獲得正確的誤幀率，也存在2個(gè)難點(diǎn)：

1）信號(hào)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(duì)幀格式的要求是不同的，若滿足不了芯片對(duì)幀格式的需要，DUT便不能正確統(tǒng)計(jì)收到的正確幀數(shù)，從而導(dǎo)致誤幀率的計(jì)算錯(cuò)誤;

2）信號(hào)源要能確保發(fā)出一定數(shù)目的幀，若信號(hào)源發(fā)出的總幀數(shù)都不能確定，誤幀率便無法計(jì)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(shí)，往往采用不同的幀格式。只有幀格式滿足要求，才能統(tǒng)計(jì)出正確的收幀數(shù)，獲得準(zhǔn)確的誤幀率。常見的WiFi芯片供應(yīng)商Agere、Philips在接收測試時(shí)，對(duì)幀格式的要求也各不相同。文中主要針對(duì)Agere和Philips的幀格式要求進(jìn)行詳細(xì)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(gè)過程。

2.1.1　MSDU的形成

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

2.1.2　MPDU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(yàn)序列。

2.1.3　PSDU的形成

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

2.1.4　PPDU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(jìn)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(bào)頭，見圖3.PPDU是最終將經(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(shí)現(xiàn)，PC傳輸給信號(hào)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(dòng)生成的，所以這里只介紹PPDU格式。

整個(gè)PLCP前導(dǎo)碼和報(bào)頭采用1Mbit/sDBPSK調(diào)制進(jìn)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(gè)加擾的“1”組成，被用來和接收方進(jìn)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(jì)算出Signal、Service和Length字段的CRC校驗(yàn)碼并一同發(fā)送，完成幀檢驗(yàn)序列保護(hù)。

2.3、MPDU

MPDU通常包括3個(gè)部分，見圖3.

①M(fèi)AC幀頭，包括幀控制、持續(xù)時(shí)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(yàn)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(gè)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(dāng)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(gè)字段共同標(biāo)識(shí)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：輔助確定幀的最終傳輸?shù)刂?

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

5）重傳字段：識(shí)別當(dāng)前幀是否為1個(gè)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(biāo)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(dāng)前幀是數(shù)據(jù)幀，并按照有嚴(yán)格序列要求的幀類型發(fā)送數(shù)據(jù);

9）持續(xù)時(shí)間/ID字段：記錄了數(shù)據(jù)的持續(xù)時(shí)間數(shù)，該時(shí)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(gè)地址字段，這些字段用于指示基本服務(wù)集標(biāo)識(shí)（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(gè)字段的值，見表2。

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

FCS字段為32bit的CRC，它由MAC頭和幀全部字段計(jì)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(duì)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(duì)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(hào)為0，說明此MSDU沒有分段;而比較相鄰的2個(gè)幀，可以看出幀的序列號(hào)是以1遞增的，而2個(gè)幀之間的時(shí)間間隔約為20ms。

由于現(xiàn)在的信號(hào)源只能對(duì)一定格式的幀進(jìn)行循環(huán)發(fā)送，無法使每幀的序列號(hào)遞增，所以只有在接收程序中屏蔽掉對(duì)幀序號(hào)進(jìn)行驗(yàn)證的功能。若幀間空閑時(shí)間過小，則芯片未能完成CRC校驗(yàn)，從而導(dǎo)致誤幀率計(jì)算錯(cuò)誤，所以還必須將幀間的間隔時(shí)間設(shè)置成20ms。最后，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(shí)，使信號(hào)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(gè)字節(jié)是在61～7A間進(jìn)行循環(huán)，數(shù)據(jù)區(qū)的其他字節(jié)均為09。對(duì)于這種幀結(jié)構(gòu)要求，首先對(duì)幀的數(shù)據(jù)區(qū)進(jìn)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(hào)源循環(huán)發(fā)送這26個(gè)幀，這樣便能滿足測試Philips芯片的接收性能時(shí)對(duì)幀格式的要求。

4、發(fā)送恒定幀數(shù)的實(shí)現(xiàn)

由于在接收指標(biāo)的測試時(shí)，是以8%的誤幀率進(jìn)行判決的，所以權(quán)衡了測試時(shí)間和測試精度后，決定讓信號(hào)源每次發(fā)送1000個(gè)幀。當(dāng)DUT解調(diào)出的正確幀大于920時(shí)，則認(rèn)為滿足接收指標(biāo)。

4.1、產(chǎn)生1000個(gè)幀的方法

1）通過GPIB卡來控制儀器射頻的開關(guān)時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)1000個(gè)幀的發(fā)送;

2）通過儀器自帶的ListMode來發(fā)送1000個(gè)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(gè)幀。

在11Mbit/s下，每幀的發(fā)送時(shí)間約為1ms，所以若采用第1種方法，精度不是很高，不能嚴(yán)格發(fā)出1000個(gè)幀;第2種方法同樣是控制儀器的發(fā)送時(shí)間，惟一區(qū)別就是在儀器自帶的listmode中設(shè)置發(fā)送時(shí)間，使其精度大大提高，時(shí)間精度可以達(dá)到μs級(jí)。不足的是，采用這種方法時(shí)，若導(dǎo)入不同的波形文件，則必須對(duì)listmode下的時(shí)間進(jìn)行校準(zhǔn)，而且在信道切換和功率變化時(shí)，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)模式下精確控制發(fā)幀數(shù)目。采用這種方法時(shí)，儀器并沒有立刻對(duì)傳遞過來的I/Q波形文件進(jìn)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(gè)波形序列，然后再對(duì)這個(gè)波形序列進(jìn)行調(diào)制，從而嚴(yán)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(shí)編輯list的工作，提高了測試效率，也是現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室中普遍采用的測試方法。

4.2、第3種方法發(fā)送1000個(gè)幀的實(shí)現(xiàn)步驟

在AgilentE4438C上用第3種方法發(fā)送1000個(gè)幀的實(shí)現(xiàn)步驟如下：

1）在Signalstudio中生成Wave文件，通過GPIB卡下載到E4438C中;

2）對(duì)Signalstudio傳過來的Wave文件進(jìn)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］，便可以發(fā)送1000個(gè)幀了。

5、應(yīng)用實(shí)例

實(shí)際應(yīng)用中，在屏蔽室中測得Agere評(píng)估板在11Mbit/s下的接收指標(biāo)，見表3。

表中1、6、11表示所用信道為參考文獻(xiàn)［1］中直接序列擴(kuò)頻物理層規(guī)劃的第1、6、11信道，頻率分別為2412、2437和2462MHz。

由表1可以看出，這些接收指標(biāo)均已超出前面提到的射頻接收指標(biāo)的要求，說明實(shí)際芯片性能已經(jīng)滿足IEEE802.11b規(guī)范。這種測試方法不僅能精確地測試出各項(xiàng)射頻接收指標(biāo)，而且也是改進(jìn)整機(jī)接收性能的基礎(chǔ)，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。