1、關于信令測試的故事

在WiFi大規模應用前，多數WiFi產品在開發階段采用直接嵌入WiFi模塊的方式來實現WiFi功能，甚至WiFi芯片廠家也僅粗略測量一下芯片性能即生產出廠。但是，隨著WiFi網絡的大規模覆蓋和應用，對WiFi產品的性能要求越來越高，因此測試WiFi射頻指標的要求應運而生。

在業界，許多設計公司、測試實驗室、工廠采用非信令方式來測試WiFi產品，這在生產階段是合適的，但是在研發階段是否足夠？這里卻有著一個有趣的信令測試的故事。

2016年的某天，某著名網絡產品公司技術負責人致電尋求技術支持：我們的無線路由器遇到了一個困惑：我們某款路由器應用于實際WiFi網絡中時，WiFi終端接入非常困難。但是我們使用測試工具檢測此路由器，它的所有物理射頻指標都非常優異。不知道是為什么？

我來到了測試現場看到：WiFi路由器受控于芯片公司的測試工具，其WiFi發射機指標在非信令測試儀上顯示：無論功率、EVM還是頻譜等指標都是正常的。這到底是什么原因導致WiFi終端接入困難呢？

我們想到了使用信令綜測儀模擬現實網絡以驗證情況。結果有了新的發現：在信令模式下，WiFi路由器的發射機指標顯示不再正常：符號時鐘嚴重失鎖（Symbol Clock Error）。我們迅速更換了基帶電路的鎖相環，問題得以順利解決。

這，又是為什么呢？

2、信令測試原理及其獨特的作用

•  首先，我們先了解信令測試與非信令測試的機理

信令測試（Signaling measurement）。

WiFi的信令測試是指模擬現實網絡的呼叫連接，通過AP與Station相互握手消息交互完成信號連接，儀器扮演Station或AP角色來完成與被測件的無線連接，并測試被測件的無線性能指標的測試。

非信令測試.(No Signaling measurement)

通過進入WiFi芯片的工廠測試模式，直接控制射頻模塊發送指定功率、指定頻率或控制芯片接收指定數據包，儀表直接測量被測件的物理層射頻指標，沒有MAC層以上的協議交互。

•  接著，我們了解WiFi信令連接過程中的同步機理

我們知道，無線信號傳輸有兩種方式：

一種是廣播方式，信號持續發射，因此同步可以通過長時間的跟蹤比對來實現，此方式比較容易實現同步，如移動通信的LTE、WCDMA等通訊技術；

另外一種是包交換方式，信號為單幀發射，需要在短時間秒內準確地捕捉到數據包的邊界，從而完成準確的同步，如WiFi的通訊技術。

因此，在WiFi連接中，對同步的要求是較高的。

總的來說，WiFi的同步過程包括三大部分：時間估計、頻率同步、信道估計。我們逐一分析如下：

時間估計

圖1、時間估計

· 包同步

首先我們介紹包同步。包同步是時間同步的第一步，完成對傳輸包邊沿的大致估計。

當 的值高于指定門限時，判斷為此時數據包發送，否則，斷定無數據發送，從而獲得數據包的邊界。

（公式一）

a) 接收信號電平rn,當輸入信號為噪聲時rn=mn， 處于較低電平。當有信號輸入時，將會有一個迅速上升的上升沿，由此得到信號邊沿。但是，由于無法定義準確合適門限，導致觸發可能會偏早或偏遲。因此此種方法判斷信號邊沿將會導致一定的誤差。這只是時間邊界的初步估計。

圖2、接收電平強度檢測

b) 第二步，為進一步提高準確度：采用雙滑動窗口，mn為兩個窗口信號累計的比值，這樣的好處是信號到來時也會出現明顯的凸起，且與輸入信號的絕對功率無關，這樣上升沿無需糾結門限高低，它都會輸出一個較實時陡峭觸發，由此可輕易地大致捕捉到傳輸數據包的邊沿。這就是雙滑動窗捕捉。

圖3、雙滑動窗捕捉原理

c) 實際上通過第二步算法來捕捉時間邊沿仍然不夠精確，因此會在第三步采用試探針包捕捉來完成精確的時間估計。通過發送圖四結構的自相關性非常好的短、長訓練序列及包含時延的邏輯電路運算完成準確無誤的時間同步。

圖4、WiFi的試探針結構

圖5、雙滑動窗及時延相關檢測的實現方式

d) 從上面的實現方法可以知道：包同步的實現是通過對信號的AD轉換、累計、時延、比對和運算完成的，由基帶部分判別完成。如果基帶部分出現延遲、或運算錯誤，將會導致時間邊界的判斷誤差增大甚至無法還原。非信令測試只會對產品的射頻部分的無線物理指標驗證，不涉及基帶。而由于信令測試需要完成協議交互、編解碼，必須通過基帶部分實現，因此，信令測試可以對基帶部分實現的時間估計性能進行量化測試。因此，對于研發、測試部門來說，信令測試是有較好的驗證作用的。

· 采樣時鐘鎖定

我們知道，當WiFi的OFDM信號采樣時鐘出現偏差的時候，會出現兩種后果：

a) 采樣到的符號（symbol）在規定時間點出現細微抖動，即信號的相位將出現旋轉，達到一定程度時，將無法恢復信號；

b) 由于采樣時鐘的偏差，導致符號間干擾（ISI），進而導致信號的SNR變差。

推理如下：

采樣時鐘誤差：

（公式二）

受影響的信噪比：

(公式三)

由此導致的相位偏差為：

(公式四)

因此，需要采用鎖相環+壓控晶振或固定頻點晶振來完成對頻率誤差的糾正：

圖6、采用鎖相環+壓控晶振或固定頻點晶振來完成對頻率誤差的糾正

c) 當AP或Station的晶振出現問題的時候，將會出現采樣頻率失鎖問題。我們看到，這一部分也是在基帶部分來完成的。如果僅僅采用非信令的方式測量AP或Station，那只是測量AP、Station的射頻部分，采樣時鐘失鎖是無法檢測到的。

· 頻率同步

在WiFi同步過程中，與時間同步一樣，頻率同步也同樣地重要。

因為我們知道，WiFi技術中，特別是采用OFDM技術的802.11n, AC等制式對頻率錯誤非常敏感。

頻率錯誤會直接導致導致信號的SNR惡化：

（公式五）

引起頻率誤差的原因主要為來自：相鄰子載波的干擾（ICI）及各子載波的功率回退。相鄰子載波的ICI導致SNR變差容易理解，而各子載波功率回退導致的頻率誤差需要解釋一下：

OFDM采用的是各正交子載波的功率峰值處傳送數據，如果在正交頻點處功率出現回退，意味著峰值不在正交頻率處出現，解調數據時將在子載波頻率附近尋找峰值獲得承載數據，也就意味著當子載波功率峰值出現偏移，即峰值對應的頻率出現偏移，不再正交，即出現所謂的“頻率誤差”。嚴重者將導致錯誤解調傳輸數據甚至無法解調。

我們知道：OFDM的子載波實現是通過基帶的FFT+串并轉換實現的，因此，基帶運算的準確與否以及基帶電路是否出現異常，都會直接影響信號的FFT變換的準確性和精度，進而影響頻率誤差大小，進而影響信號的SNR。

圖7、OFDM的子載波實現方法

· 信道估計

最后，在實現了時間同步、頻率同步后，進入信道估計，由此保證數據得到正確解調。

見圖四，C1、C2即是為試探針用于信道估計部分信息。填寫的是相關性非常好的長訓練序列碼字。

我們定義一路接收信號為R、傳輸矩陣為H，訓練序列為X，噪聲為W，因此：

（公式六）

這樣，信道估計矩陣可以通過兩路（假設信號為兩路信號，實際可能為多路，同理），則通過兩路接收信號分別與相應的訓練序列相乘，即可還原出原來的信號出來：

（公式七）

由此，我們看到：通過測試信號試探針里的C1、C2部分，可完成對傳輸信道模型的估計，得到準確的傳輸模型，完成對接收信號解調。

我們看到：在這個信道估計的過程中，試探針的C1、C2解調（相乘），也是在基帶完成的。如果此基帶部分出現問題，將導致信道估計失常、無法解析數據。

3、回顧

當我們清晰地理解了WiFi時間同步、頻率同步、信道估計的實現機理的時候，我們回過頭來對文章開頭的信令測試故事做一個回顧：

在現實網絡中，當WiFi的OFDM信號采樣時鐘出現偏差的時候，會出現兩種后果：

· 采樣到的符號（symbol）在規定時間點出現細微抖動，即信號的相位將出現旋轉，達到一定程度時，將無法恢復信號；

· 由于采樣時鐘的偏差，導致符號間干擾（ISI），進而導致信號的SNR變差：

但是，非信令測試卻無法發現符號時鐘失鎖（Symbol Clock Error）。因為當非信令測試的時候，工具直接通過工廠測試模式直接控制射頻前端輸出指定頻率、指定功率的射頻無基帶信息承載的物理層信號，工具根本沒有啟用管理采樣時鐘同步、符號同步的基帶部分，只是通過射頻觸發方式完成同步測量。因此無法驗證基帶部分是否工作正常，結果導致上例的“在現實網絡服務中WiFi終端接入困難”問題無法在出廠前被發現。但如果采用信令綜測儀就能發現這一問題。

其實，它就是由于基帶電路的鎖相環出現問題，導致采樣時鐘偏差，進而導致采樣符號相位反轉、因此符號抖動，嚴重者導致解析錯誤。同時，也導致符號間串擾嚴重，最后導致路由器錯誤、甚至無法解析接入信號，接入申請無法識別，結果當然就是——接入困難甚至無法接入。

當我們更換了鎖相環后，問題迎刃而解。此處，信令測試體現出了它獨特的作用。

4、結論

由上描述可知：WiFi的同步分為三大部分：時間同步、頻率同步、信道估計。時間同步獲得數據包的時間邊界；頻率同步用于糾正頻率誤差，獲得準確的與通訊方一致頻率；信道估計可以通過解調試探針方式獲得準確的信道估計模型，從而保證順利解調信號。這個從“信號接收電平強度檢測”到“確定信號傳輸模型”的同步過程中，任何一步的缺失，都會可能導致較差的EVM，或者惡化的SNR，或者直接導致無法解調信號。因此，在產品研發設計、測試階段，如果使用信令測試方式，就能確認產品的基帶部分、射頻部分是否正常工作，無線性能是否達到規范要求。

信令測試可能會發現某些非信令測試無法發現的被測件基帶部分存在的問題，為我們解決問題提供有益的原始數據。建議使用R&S公司獨有的CMW270 WiFi信令測試方案，其方案除了可以驗證的WiFi AP或Station產品（包括基帶、射頻部分）是否符合Wlan無線規范測試要求外，甚至還可以測試LTE與WiFi共存情況下的相互影響關系。

圖8、R&S公司CMW270 WiFi信令測試方案

參考資料

【1】  © Hafeth HourStationi，《WLAN Synchronization》
【2】  羅德與施瓦茨《R&S Wlan Solution》