WiFi射频接收性能的测试方法及解决方案解析

jack_are · 发表于 2022-8-15 10:04

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1、射频接收指标及测试过程
1.1、射频接收指标的定义
根据IEEE802.11b规范，有3项较为关键的射频接收指标定义如下：
1）接收机输入电平灵敏度对于在天线连接器上测得的-76dBm的输入电平而言，若PSDU的长度为1024个字节，其误帧率（FER）应小于8%;
2）接收机输入电平对于在接收端天线上测得的-10dBm的输入电平而言，若PSDU长度为1024个字节，则其误帧率（FER）应为8%;
3）接收机邻道抑制接收机邻道抑制在每一信道组中的间隔，不小于25MHz的任意2个信道间邻道干扰信号功率与有用信号功率的比值。对于采用11Mbit/sCCK调制的FER值为8%以及长度为1024字节的PSDU而言，邻道抑制必须不小于35dB。

1.2、误帧率
在上面3项指标的定义中，均提及了1个非常重要的参数：误帧率，即传输过程中丢失和出错的帧数和发送总帧数的比值。只有获得正确的误帧率，才能地测试出上述3项接收性能指标。实验室搭建的接收性能测试平台，见图1

在图1的测试平台上，由PC为信号源提供一定帧格式的I/Q信号波形文件，并由信号源发出一定数量的帧。同时，DUT在 PC的控制下，对这些帧进行接收解调，求得相应的误帧率。然后根据误帧率来调节信号源的发射功率，直到误帧率正好满足指标要求，此时便能获得DUT相应的接收性能指标。但在这个平台上，要获得正确的误帧率，也存在2个难点：
1）信号源发出的帧格式必须满足DUT的要求。不同芯片供应商提供的芯片对帧格式的要求是不同的，若满足不了芯片对帧格式的需要，DUT便不能正确统计收到的正确帧数，从而导致误帧率的计算错误;
2）信号源要能确保发出一定数目的帧，若信号源发出的总帧数都不能确定，误帧率便无法计算。

2、帧结构分析
不同的芯片供应商在测试芯片接收性能时，往往采用不同的帧格式。只有帧格式满足要求，才能统计出正确的收帧数，获得准确的误帧率。常见的WiFi芯片供应商Agere、Philips在接收测试时，对帧格式的要求也各不相同。文中主要针对Agere和 Philips的帧格式要求进行详细分析［5-6］。
2.1、帧的形成过程
在802.11DSSS系统中，帧的形成包括以下4个过程。
2.1.1 MSDU的形成
MSDU是MACServiceDataUnit的缩写，被称为MAC层业务数据单元，是原始的待发送数据信息。
2.1.2 MPDU的形成
MPDU（MACProtocolDataUnit）被称为MAC层协议数据单元。它是将MSDU按一定帧结构封装后获得的待发数据信息，见图2。封装过程包括在MSDU前加上MAC帧头和在后面加上帧检验序列。

2.1.3 PSDU的形成
PSDU（PLCPServiceDataUnit）被称为PLCP子层业务数据单元，实际就是从MAC层传来的MPDU信息。
2.1.4 PPDU的形成
PPDU（PLCPProtocolDataUnit），被称为PLCP子层协议数据单元。它是将PSDU按照特定的帧格式进行数据封装后的数据包，具体说来就是在PSDU前面再加上PLCP前导码和PLCP报头，见图3.PPDU是终将经由物理介质发送出去的数据封装。
2.2、PPDU格式
帧格式的修改全部由PC的软件（WinIQsim或SignalStudio）实现，PC传输给信号源的I/Q波形文件已确定了帧格式。软件中主要是使MPDU满足芯片要求，而PPDU则自动生成的，所以这里只介绍PPDU格式。整个PLCP前导码和报头采用1Mbit/sDBPSK调制进行发射，发送的数据均采用反馈加扰器加扰。SYNC字段由128个加扰的“1”组成，被用来和接收方进行必要的同步操作;SFD被用以指示依赖与PHY的参数在PLCP前导码中的开始;Signal字段指示发送（和接收）MPDU应采用的调制速率;Service字段为预留字段;Length字段用以指示发送MPDU所需的微秒数;CRC-16字段根据CCITTCRC-16规范计算出Signal、Service和Length字段的CRC校验码并一同发送，完成帧检验序列保护。

2.3、MPDU
MPDU通常包括3个部分，见图3.

①MAC帧头，包括帧控制、持续时间、地址及序列控制信息;
②可变长度的整体，包含基于帧类型的特定信息;
③帧检验序列（FCS），包含IEEE32bit的循环冗余码（CRC）。

2.4、帧控制字段的结构
帧控制字段虽然只有16个字节，但却包含了用于解释帧其他部分的全部信息，见图4.

1）协议版本：当前总是0，其余为保留值，不为0则丢弃;
2）类型和子类型：这2个字段共同标识帧的类型和功能。802.11中总包含3种帧：控制帧、数据帧和管理帧。每种帧类型又分为几种子类型。几种常用的帧类型见表1.
3）去往DS和来自DS字段：辅助确定帧的终传输地址;
4）多分段标记：代表数据超过2312字节，将被分成多个数据包传送;
5）重传字段：识别当前帧是否为1个数据帧的重传拷贝;
6）功率管理字段：代表STA的节能状态;
7）多数据标记字段：代表STA有更多的数据需要发送;
8）排序字段：代表当前帧是数据帧，并按照有严格序列要求的帧类型发送数据;
9）持续时间/ID字段：记录了数据的持续时间数，该时间数将被用来使其他STA更新自己的矢量网络分配。