1. 引言

隨著智能手機(jī)、電視和平板電腦等各種無線終端的大量普及，視頻等高速數(shù)據(jù)交互變得更加頻繁，數(shù)據(jù)吞吐量呈現(xiàn)了爆發(fā)式增長態(tài)勢，這些需求推動著無線通信技術(shù)不斷向前發(fā)展，一種可在短距離上進(jìn)行超高速無線傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn) IEEE 802.11ad應(yīng)運(yùn)而生，該技術(shù)也被稱為WiGig。

802.11ad是近十年來對IEEE WLAN標(biāo)準(zhǔn)的一次革命性更新，它首次引入了60 GHz毫米波工作頻段，而之前802.11n工作在2.4GHz或5GHz頻段，802.11ac工作于5GHz頻段，而60 GHz頻段擁有比5GHz頻段大數(shù)十倍以上的工作帶寬。

802.11ad的技術(shù)優(yōu)勢體現(xiàn)在以下幾方面：

高速率

11ad標(biāo)準(zhǔn)理論最高速率可到7 Gbps，雖然11ac通過使用 8x8 MIMO、256 QAM調(diào)制以及160 MHz帶寬也能達(dá)到相似的速率，但11ad僅需一個(gè)空間流、64 QAM調(diào)制和單個(gè)信道就能實(shí)現(xiàn)相同速率目標(biāo)。

大容量

毫米波的應(yīng)用可以很大程度減少天線間尺寸，便于集成多個(gè)天線單元，在原有2.4 GHz頻段天線面積上可以容納32或更多的天線單元，大規(guī)模天線通過Beamforming技術(shù)實(shí)現(xiàn)高方向性通信，有效降低多個(gè)設(shè)備同時(shí)工作時(shí)的相互干擾，極大提升信道容量。

低時(shí)延

10us的往返時(shí)間成為可能，幾乎可比于有線通信，滿足時(shí)延要求敏感的應(yīng)用如虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)。

WiGig/802.11ad技術(shù)支持廣泛的應(yīng)用，包括無線投影、高清視頻分發(fā)、PC無線擴(kuò)展塢和無線VR頭盔等。產(chǎn)業(yè)鏈上芯片商有像Intel、高通和三星，終端設(shè)備典型的有TP-Link Talon AD7200路由器、戴爾E7450/7470筆記本等。

802.11ad有著以上的優(yōu)點(diǎn)，但60 GHz頻段路損較大，氧吸嚴(yán)重，決定了其無法穿墻或遠(yuǎn)距離傳輸，因此往往需要搭配11n/ac技術(shù)，組成無縫的三頻WLAN產(chǎn)品。

2. 802.11ad技術(shù)原理

2.1 信道分配

802.11ad工作于60 GHz(57 GHz – 66 GHz)ISM頻段，該頻段共定義了四個(gè)信道，每個(gè)信道帶寬2.16 GHz，但不是四個(gè)信道在世界各地都能適用，其中只有2號信道(60.48 GHz)全球通用，因?yàn)槌１恢脼槟J(rèn)信道號。

圖１全球WLAN 802.11ad頻率分配

2.2 物理層

802.11ad共定義了四種物理層方式，以適應(yīng)不同的使用環(huán)境，如低功耗單載波方式著眼于對功耗敏感的終端設(shè)備。11ad設(shè)備不一定需要支持全部四種方式，這里只有控制物理層(SC PHY)和常規(guī)單載波調(diào)制(SC PHY)兩種是強(qiáng)制要求，OFDM和低功耗SC是可選方式，目前市場上商業(yè)芯片幾乎都不支持OFDM方式，因此實(shí)際上最高速率是單載波調(diào)制SC工作在MCS12時(shí)的4.6 Gbps。

表1 WLAN物理層

以上所有的物理層方式使用相同的幀結(jié)構(gòu)，包括了Preamble，Header，Data和TRN四部分。

圖2 802.11ad幀結(jié)構(gòu)示意圖

Preamble

前導(dǎo)包括了短訓(xùn)練信號和信道估計(jì)，存在于所有的物理層方式中，用于接收機(jī)識別包類型、頻率誤差估計(jì)，也能用于信道估計(jì)。

Header

每個(gè)物理層有不同的包頭，包含發(fā)給接收設(shè)備的重要信息，例如調(diào)制編碼方式，文件長度以及校驗(yàn)和。

Data

該部分用于傳輸編碼調(diào)制后的真正用戶數(shù)據(jù)

TRN

屬于可選部分，可加入在任何包中，用于優(yōu)化Beamforming設(shè)置

2.3 測試需求

頻譜發(fā)射模板(Transmit Mask)

中心頻率容差(Center Frequency Tolerance)

符號定時(shí)誤差(Symbol clock tolerance)

本振泄露(Transmit Center Frequency leakage)

突發(fā)的上升沿和下降沿時(shí)間(Transmit Rampup and Rampdown)

不同MCS下EVM和靈敏度要求

3. 研發(fā)測試方案

802.11ad設(shè)備包括了基帶BB芯片和射頻收發(fā)RFIC芯片，如高通的QCA6335基帶芯片和QCA6310射頻芯片組合。BB芯片因其頻率相對較低，通常都能支持傳導(dǎo)連接測試；RFIC芯片因毫米波頻段特性限制，天線和RFIC利用 AIP(Antenna in Package)技術(shù)封裝在一起，以致只能通過OTA(Over The Air)方式進(jìn)行射頻測試。

3.1 BBIC測試

BBIC是信號收發(fā)的基帶物理層實(shí)現(xiàn)模塊，包括了RX和TX兩部分。

3.1.1 BBIC RX測試

R&S SMW200A單表不但支持2GHz帶寬的模擬IQ輸出，而且也能支持1X GHz中頻信號輸出，滿足DUT的IQ或中頻輸入要求。SMW200A直接集成了WiGig/802.11ad信號產(chǎn)生功能，無需依托外部電腦即可實(shí)時(shí)生成信號。

圖3 SMW200A實(shí)現(xiàn)BBIC接收測試

SMW200A的11ad信號產(chǎn)生界面支持對Control PHY/SC PHY，MCS，Code Rate，Header，F(xiàn)CS以及信道編碼前原始數(shù)據(jù)等進(jìn)行靈活設(shè)置，非常方便用于BBIC物理層接收驗(yàn)證或整機(jī)靈敏度測試。

圖4 SMW200A的11ad信號產(chǎn)生設(shè)置界面

3.1.2 BBIC TX測試

搭配4 GHz帶寬高端示波器R&S RTO2044，頻譜與信號分析儀R&S FSW67支持中頻頻率大于5.5 GHz的11ad信號解調(diào)；如果BBIC不是中頻信號輸出，而是單端或差分IQ輸出，只需要兩根或四根IQ線連接到示波器即可。

圖5 FSW67 + RTO2044分析802.11ad中頻信號

3.2 RFIC測試

RFIC實(shí)現(xiàn)了11ad信號的調(diào)制和解調(diào)，以及通過多路移相器產(chǎn)生和接收16路甚至多達(dá)256路的Beamforming信號，完成高指向性射頻信號收發(fā)，補(bǔ)償在60GHz毫米波頻段傳輸帶來的高路徑損耗。

3.2.1 LO相噪測試

本振的相噪指標(biāo)影響發(fā)射機(jī)的調(diào)制信號質(zhì)量、鄰信道泄露抑制度，以及接收側(cè)信號質(zhì)量和誤碼率。由于無線高速數(shù)據(jù)傳輸離不開高階調(diào)制，也就意味著對本振相噪指標(biāo)有較高要求。但是，毫米波頻段器件相噪水平和我們熟悉的6 GHz以下頻段相比卻有較大差距，舉例而言，如果把11ac使用的5.9 GHz本振進(jìn)行10倍頻得到60 GHz本振信號，相噪會隨之惡化20log(60/5.9) 約20 dB。因此，在毫米波頻段要實(shí)現(xiàn)無線傳輸，不僅考驗(yàn)設(shè)備的相噪水平，對測試測量儀表也是挑戰(zhàn)。

圖6 頻綜10倍頻后相噪變化曲線

R&S借助于自己研發(fā)的頻綜ASIC芯片，使高端頻譜分析儀FSW67在60GHz頻率，10 kHz頻偏處具備-112 dBc/Hz的相噪能力，在1 MHz頻偏處更可達(dá)-128 dBc/Hz，滿足于市面上各種60 GHz RFIC(如Hittite HMC6300 1MHz頻偏-93dBc/Hz)的相噪測試需求，F(xiàn)SW67擁有足夠的裕量保證相噪測量精度。

圖7 頻譜儀FSW67在60GHz的相噪測量能力

3.2.2 噪聲系數(shù)NF測試

噪聲系數(shù)直接決定了接收機(jī)靈敏度能力，是射頻研發(fā)階段必不可少的一個(gè)測試環(huán)節(jié)。FSW67在60 GHz頻段具備-155 dBm/Hz的典型底噪值，只需在FSW67頻譜分析儀上選裝噪聲系數(shù)測量選件FSW-K30，再結(jié)合Noisecom公司的60GHz噪聲系數(shù)測試附件NC5115-60G/GT，無需任何外部諧波下變頻器就能非常方便地完成802.11ad接收機(jī)噪聲系數(shù)測試，并且支持WR15波導(dǎo)口或者1.85mm同軸口兩種接口。

圖8 FSW67的60 GHz噪聲系數(shù)測試

圖9是FSW67在測試一款Wireless HD/11ad低噪放的噪聲系數(shù)，其中黃色曲線是噪聲系數(shù)，結(jié)果都小于5dB，另一條青色曲線表示低噪放增益。

圖9 FSW67的60 GHz噪聲系數(shù)界面

3.2.3 RFIC TX測試

SMW200A單表輸出差分IQ或者中頻IF信號作為RFIC TX測試的輸入，再利用FSW67 + RTO對60GHz毫米波信號完成2.3章節(jié)和發(fā)射機(jī)相關(guān)的測試項(xiàng)目。

圖10 RFIC TX部分測試框圖

3.2.4 RFIC RX測試

為了能夠產(chǎn)生60 GHz頻段2 GHz帶寬的11ad信號，需要一臺具備2 GHz帶寬的SMW200A，并搭配60 GHz專用的矢量上變頻器SZU100A。SMW和SZU之間通過USB線+差分IQ線線束進(jìn)行連接，一旦連接好后，SZU100A就是不可見的黑盒，信號產(chǎn)生所需的所有參數(shù)設(shè)置都在SMW界面上完成。SMW+SZU組合在輸出MCS12 16QAM信號時(shí)具備低達(dá)-34 dBc的優(yōu)異EVM值，保證了RFIC RX測試時(shí)射頻輸入端的信號質(zhì)量。

圖11 SMW和SZU連接圖

圖12 RFIC的RX部分測試框圖

3.4 終端整機(jī)測試

3.4.1 射頻質(zhì)量測試

對于11ad設(shè)備整機(jī)測試，發(fā)射和接收的射頻指標(biāo)要求如下，對于MCS12調(diào)制編碼方式，要求發(fā)射機(jī)EVM優(yōu)于-21 dBc，接收機(jī)靈敏度高于-53 dBm。

表2 不同MCS的EVM和靈敏度要求

SMW+SZU組合不僅輸出信號質(zhì)量優(yōu)異，而且具備100 dB的大動態(tài)范圍，典型功率范圍 [-90, + 10]dBm，精度保證值可達(dá)2 dB，非常適合各種MCS等級下的接收靈敏度測試。RX測試連接圖如下。

圖13 終端接收指標(biāo)測試

整機(jī)TX測試同RFIC的TX測試，可參考3.2.3章節(jié)，這里不再累述。

圖14 設(shè)備發(fā)射指標(biāo)測試

3.4.2 有源天線OTA測試

不同于2.4/5 G頻段的WLAN設(shè)備，毫米波設(shè)備的天線和收發(fā)信機(jī)兩者封裝在一起形成天線模塊，無法提供射頻接口進(jìn)行傳導(dǎo)連接測試，因此OTA測試是毫米波芯片或終端測試的唯一方案。

R&S提供11ad有源天線一站式測試解決方案，包括了尺寸靈活可定制的暗室R&S ATS1000，天線分析軟件R&S AMS32，以及配套的測量儀表(SMW/SZU/FSW67/ZVA67等)，該方案優(yōu)勢包括：

?靈活的測試配置場景：一、超高精度的轉(zhuǎn)臺方案，二、多探頭方案

?快速且準(zhǔn)確的天線測試能力

?有源天線TRP, EiRP, TIS, EiS, EVM等測試

?AMS32軟件實(shí)現(xiàn)近場NF到遠(yuǎn)場FF轉(zhuǎn)換

?獨(dú)創(chuàng)的螺旋掃描(雙坐標(biāo)軸轉(zhuǎn)換)法，獲得超快的測量速度

圖15是暗室ATS1000兩種OTA測試使用場景，左側(cè)是轉(zhuǎn)臺加搖臂掃描方案，右側(cè)是多探頭方案。

圖15 暗室ATS1000的兩種OTA測試場景

4. 產(chǎn)線測試方案

和研發(fā)測試方案有所不同，11ad設(shè)備產(chǎn)線測試需要一種快速高效且成本相對較低的測試解決方案，為此R&S專門推出了802.11ad產(chǎn)線測試系統(tǒng)，包括了SMW200A信號源、示波器RTO2044以及上下變頻器UD1065。同時(shí)，R&S開發(fā)了配套的生產(chǎn)自動化測試程序，提供人性化的界面實(shí)現(xiàn)對整個(gè)測試過程的控制，支持手動或遠(yuǎn)程自動化兩種操作模式。軟件既可以運(yùn)行于示波器RTO2044，也能安裝在外部PC，支持2.3章節(jié)列舉的所有測試項(xiàng)目。

圖16 產(chǎn)線解決方案軟件界面

該測試方案通過高增益喇叭天線連接儀表實(shí)現(xiàn)收發(fā)質(zhì)量測試，考慮到產(chǎn)線快速測試要求，還需要增加多個(gè)功率計(jì)探頭完成beamforming功率和方向的快速測試。因成本和體積限制，產(chǎn)線OTA測試一般采用緊湊型的屏蔽箱TS7124，再在內(nèi)部安裝若干個(gè)11ad/ay專用OTA功率計(jì)探頭NRPM和一個(gè)喇叭天線。如下圖16所示是產(chǎn)線測試整體解決方案。

圖17 產(chǎn)線測試綜合方案框圖

R&S TS7124屏蔽箱是目前智能手機(jī)產(chǎn)線上使用非常廣泛的一款屏蔽箱，隨著高端手機(jī)逐漸開始集成802.11ad技術(shù)， TS7124屏蔽箱除了支持傳統(tǒng)頻段蜂窩和無線測試外，還能用于毫米波11ad測試，如下圖就是在TS7124的多孔天線支架上安裝了三個(gè)OTA功率計(jì)探頭，通過合理的探頭安裝位置，可實(shí)現(xiàn)水平或垂直方向Beamforming測試。

圖18 TS7124安裝多個(gè)OTA探頭實(shí)現(xiàn)Beamforming方向測試

NPRM OTA功率探頭非常適合毫米波功率測量，頻率范圍從27.5 GHz到75 GHz ，覆蓋了802.11ad和ay頻段，功率測量范圍從-75 dBm到-25 dBm，滿足OTA下弱信號的功率測量要求。該探頭集成了低反射的Vivaldi天線，并內(nèi)置功率檢波器直接實(shí)現(xiàn)功率測量，很好地避免了毫米波線纜帶來的高插損問題，非常適合11ad產(chǎn)線上的功率校準(zhǔn)和Beamforming方向測試。

5. 總結(jié)

隨著越來越多的手機(jī)終端/路由器/平板電腦/VR頭盔加入了802.11ad技術(shù)，毫米波高帶寬和OTA等測試要求對芯片研發(fā)、設(shè)備研發(fā)以及生產(chǎn)測試環(huán)節(jié)帶來了新的挑戰(zhàn)，羅德與施瓦茨公司提供研發(fā)和生產(chǎn)兩套解決方案，助力802.11ad芯片和設(shè)備的開發(fā)與測試。