Konfiguracja definiowanych programowo systemów testowych WLAN cz. 1

Charakterystyka Ciężko wyobrazić sobie dziś życie bez urządzeń bezprzewodowej sieci lokalnej (WLAN). Rzeczywiście, WLAN lub WiFi znalazło zastosowanie w takich produktach, jak punkty dostępowe, rutery, czy nawet telefony komórkowe. W miarę rozrostu rynku urządzeń WLAN wzrasta również ilość inżynierów przeprowadzających pomiary w zakresie tych technologii. Niniejsza biała księga dostarcza podstawowych informacji na temat możliwości w zakresie przeprowadzania pomiarów testowych WLAN i opisuje warstwę fizyczną. Wyjaśnia również, jak przy pomocy definiowanych programowo systemów pomiarowych RF w szybki i dokładny sposób przeprowadzić pełen komplet pomiarów WLAN. Po zapoznaniu się z dokumentem, inżynierowie nieobeznani z testami WLAN powinni opanować podstawy przeprowadzania opisanych pomiarów. Spis treści:

1. Wprowadzenie do warstwy fizycznej WLAN
2. Charakterystyka
3. Wprowadzenie do oprogramowania NI WLAN Measurement Suite
4. Typowe pomiary WLAN
5. Moc nadawania
6. Wielkość wektora błędu
7. Pomiar maski widmowej
8. Podsumowanie

1. Wprowadzenie do warstwy fizycznej WLAN Standardy WLAN są określone i aktualizowane przez grupę IEEE 802.11, w skład której wchodzą przedstawiciele różnych podmiotów – od dostawców układów scalonych po producentów punktów dostępowych. Grupa zdefiniowała szereg standardów 802.11, rozpoczynając od 802.11a, poprzez wersję 802.11z oraz kolejne. Mimo to najbardziej powszechnymi protokołami dla urządzeń WLAN są wersje IEEE 802.11a, b, g, n oraz ac. W 1999 roku grupa opracowała standardy 802.11a oraz 802.11b, dając początek bezprzewodowym sieciom lokalnym WLAN. Standard IEEE 802.11a zapewniał prędkość przesyłu danych na poziomie 54 Mb/s, wykorzystując nielicencjonowaną częstotliwość 5 GHz, przeznaczoną do zastosowań w przemyśle, nauce i medycynie (ISM). Standard IEEE 802.11b oferował natomiast prędkość do 11 Mb/s w paśmie ISM 2.4 GHz. Rozwinięciem obu wersji był wprowadzony w 2003 roku IEEE 802.11g, zapewniający transfer do 54 Mb/s właśnie w paśmie ISM 2.4 GHz. Nowszą wersją jest standard IEEE 802.11n, wprowadzający funkcjonalność MIMO (wiele wejść, wiele wyjść) i obsługę równoległego kanału, by w efekcie pozwolić osiągnąć prędkość do 300 Mb/s w obu pasmach częstotliwości. Działanie WLAN opiera się na dwóch podstawowych metodach transmisji: 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 1. Metody transmisji i modulacji stosowanych przez najpopularniejsze standardy 802.11 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. Tabela 2. Zależność pomiędzy prędkością transferu, wskaźnikiem kodowania oraz czasem przesyłu 1024 bitów Z Tabeli 2 wynika, iż osiągnięcie dużego transferu – takiego jak 54 Mb/s – wymaga użycia metod modulacji wyższego rzędu, takich jak 64-QAM. Co więcej, czas przesyłu 1024 bitów danych jest znacząco dłuższy w przypadku metod modulacji niższego rzędu. Zauważając związek dłuższych czasów przesyłu 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. 2. Charakterystyka wirtualnego oprzyrządowania wielkich częstotliwości RF Proponowane przez NI definiowane programowo podejście do testowania urządzeń WLAN umożliwia skorzystanie z szeregu narzędzi urządzeń przeznaczonych do testów WLAN. By ukazać różnice występujące pomiędzy tradycyjnym i wirtualnym oprzyrządowaniem, niniejsza biała księga przedstawia pokrótce architekturę wirtualnego systemu pomiarowego PXI. Platforma PXI, dzięki zastosowaniu wydajnego wielordzeniowego kontrolera, wysokiej prędkości magistrali danych oraz zoptymalizowanych algorytmów pomiarowych, jest w stanie zapewnić najlepsze prędkości pomiaru w branży. Oprogramowaniem użytym do przeprowadzenia pomiarów WLAN jest NI WLAN Measurement Suite, w skład którego wchodzą przyborniki narzędziowe NI WLAN Analysis i WLAN Generation. Zalecany zestaw sprzętowy od National Instruments składa się z wektorowego analizatora sygnałów NI PXIe-5663 oraz wektorowego generatora sygnałów NI PXIe-5673. Urządzenie NI PXIe-5663 jest w stanie analizować sygnały o częstotliwościach od 10 MHz do 6.6 GHz, przy częstotliwości chwilowej do 50 MHz. Z kolei NI PXIe-5673 może generować sygnały o częstotliwościach od 85 MHz do 6.6 GHz z częstotliwością chwilową na poziomie 100 MHz. Istnieje również możliwość parowania urządzeń z dodatkowymi analizatorami lub generatorami w celu przeprowadzenia pomiarów zgodnych ze sobą w fazie. Ilustracja 1 przedstawia typowy system testowy WLAN, w skład którego wchodzi wektorowy generator sygnałów i wektorowy analizator sygnałów. Ilustracja 1. System PXI skonfigurowany do przeprowadzenia testów WLAN Urządzenia definiowane programowo są idealnym rozwiązaniem dla zautomatyzowanych aplikacji testowych. Z punktu widzenia architektury, największą różnicą występującą pomiędzy modułowymi przyrządami PXI a tradycyjnymi instrumentami jest jednostka obliczeniowa. Oba systemy wykorzystują wiele podobnych komponentów, jednak to w platformie PXI znalazły zastosowanie wydajne, wielordzeniowe procesory (CPU). Ilustracja 2 pokazuje, że w skład zarówno systemów tradycyjnych, jak i PXI wchodzą podstawowe podzespoły, takie jak pamięć, dokładne przetworniki analogowo-cyfrowe (ADC) oraz elektronika analogowa RF wysokiej jakości. Ilustracja 2. Definiowany przez użytkownika procesor jest istotnym komponentem systemów RF opartych o platformę PXI Wielordzeniowe procesory wchodzące w skład modułowych systemów PXI najwydajniej dostarczają moc potrzebną do przetwarzania sygnałów. W rezultacie, wiele opartych o platformę PXI systemów pomiarowych ma znacznie lepsze osiągi czasowe niż tradycyjne przyrządy pomiarowe. Wydajność procesorów pochodzących od dostawców, takich jak Intel oraz AMD typowo wzrasta w zgodności z prawem Moore’a. Zatem do usprawnienia posiadanego systemu PXI wymagana jest jedynie zmiana kontrolera – w chwili, gdy nowszy procesor pojawi się na rynku. Taka wymiana skutkuje znaczącym polepszeniem czasu pomiaru i stanowi jedynie część kwoty przeznaczanej na wymianę całego systemu. Drugą zaletą definiowanego programowo podejścia do oprzyrządowania jest możliwość testowania wielu standardów komunikacji bezprzewodowej na tej samej platformie sprzętowej. Jest to szczególnie przydatne dla inżynierów, którzy tworzą wielostandardowe produkty konsumenckie lub urządzenia system-on-a-chip (SOC). W przeszłości inżynierowie testujący urządzenia z odbiornikiem GPS, modułem WLAN czy tunerem FM byli zmuszeni do zakupu kilku dedykowanych instrumentów. Istnienie oprzyrządowania definiowanego programowo sprawia, że mogą kupić zwykły zestaw sprzętowy i wykorzystać zastawy narzędzi oprogramowania dedykowane dla odpowiedniego standardu. Ilustracja 3 przedstawia powyższy zamysł. Ilustracja 3. Architektura definiowanego programowo instrumentu Ilustracja 3 pokazuje, iż do stworzenia definiowanego programowo instrumentu wystarczy elektronika analogowa RF ogólnego przeznaczenia (generator bądź analizator) wraz z procesorem pracującym w oparciu o system Windows. Urządzenia tego typu produkowane przez firmę National Instruments pozwalają na przeprowadzenie testów WLAN, GPS, GSM/EDGE/WCDMA, WiMAXTM, BluetoothTM, DVB-T/ATSC/ISDB-T, FM/RDS/IBOC oraz wielu innych standardów komunikacji bezprzewodowej. 3. Wprowadzenie do oprogramowania NI WLAN Measurement Suite Biorąc pod uwagę programowo definiowaną charakterystykę pracy oprzyrządowania PXI, zestawy takie jak NI WLAN Measurement Suite są istotnym komponentem systemu pomiarowego. W skład oprogramowania WLAN Measurement Suite wchodzą zestawy narzędzi oprogramowania NI WLAN Generation Toolkit oraz NI WLAN Analysis Toolkit. Oba narzędzia wyposażone są w interfejs programistyczny aplikacji (API) w LabVIEW, LabWindows™/CVI oraz ANSI C/C++; oba są kompatybilne z wektorowymi generatorami i analizatorami sygnałów wchodzącymi w skład platformy PXI RF. WLAN Generation Toolkit może być utożsamiany z oprogramowaniem służącym do tworzenia sygnałów w standardach 802.11a/b/g/n/ac. Z kolei WLAN Analysis Toolkit dostaracza wyniki pomiarowe w oparciu o sygnały zebrane przez wektorowy analizator sygnałów. Przedstawia to schemat blokowy na Ilustracji 4. Ilustracja 4. Architektura system testowego WLAN Poprzez użycie węzłów property nodes lub programistycznego API można skonfigurować ustawienia, takie jak konkretny standard, prędkość transferu, czas przesyłu i częstotliwość nośnej. Ilustracje 5 oraz 6 przedstawiają sposób konfiguracji przy użyciu zarówno węzłów property nodes, jak i API. Ilustracja 5. Ustawienia pomiarowe WLAN konfigurowane przy użyciu obiektu LabVIEW - property node’a Ilustracja 6. Ustawienia pomiarowe WLAN konfigurowane przy użyciu typowych dla LabVIEW funkcji Ilustracja 6a. Ustawienia pomiarowe WLAN konfigurowane przy użyciu interfejsu dołączonego do LabWindows™/CVI Przykładowe programy wprowadzające są łatwym narzędziem do konfiguracji automatycznych aplikacji pomiarowych. Do bardziej interaktywnych zastosowań można wykorzystać stworzony w LabVIEW lub LabWindows™/CVI panel demonstracyjny, podobny do przedstawionego na Ilustracji 7. Ilustracja 7. Panel demonstracyjny w LabVIEW do przeprowadzania pomiarów WLAN Ilustracja 7 przedstawia podstawową maskę widmową w dziedzinie częstotliwości standardu 802.11g. Warto zaznaczyć, że wszystkie pomiary w kolejnej sekcji zostały przeprowadzone przy użyciu tej przykładowej aplikacji. Artykuł opublikowano dzięki uprzejmości firmy © National Instruments.