精確量測 Wi-Fi 6 晶片組與設備：突破測試瓶頸
在今日高度連結的社會中，具備 Wi-Fi 功能的設備已成為不可或缺的科技產品；根據 Wi-Fi 聯盟 的數據，單單在 2019 年，全球就出貨超過 40 億台 Wi-Fi 設備，而目前正在使用的設備數量估計已達 130 億台；Wi-Fi 的普及程度已使其成為最常用的無線通訊技術，同時也是全球網路流量的主要媒介；從經濟價值來看，Wi-Fi 的全球整合在過去幾年中顯著增長，目前估計已達到 2 兆美元；歷經二十多年的發展，Wi-Fi 已有效地改變了全球通訊的方式。
1997 年，首個 802.11 協定版本正式發布，從那時起，Wi-Fi 標準不斷改進和演進，以支援更廣泛的應用；最新的世代稱為 802.11ax，但由於 Wi-Fi 聯盟 的新命名結構，也簡稱為「Wi-Fi 6」；關於 Wi-Fi 6 的更多資訊，可以參考 Everything RF 對 Wi-Fi 6 的介紹；Wi-Fi 6 承諾在密集或擁塞的環境中提供更高的資料傳輸速率、更大的容量、更高的電源效率和更佳的網路效能；為了實現這些指標，最新的 Wi-Fi 標準採用了 80 MHz 或 160 MHz 的通道頻寬、高階調變方案如 OFDM 和 1024-QAM，以及 MIMO 架構等技術；正如 Everything RF 對 802.11ax 的解釋 所述，隨著 Wi-Fi 6 不斷推進早期標準的性能極限，它也對測試與量測產業帶來了新的壓力，提出了各種 RF 功率量測的挑戰，並對測試儀器提出了極高的要求。
評估 Wi-Fi 6 晶片組與設備效能的關鍵射頻功率量測
在當今先進的 Wi-Fi 6 晶片組和設備特性分析中，RF 功率量測至關重要；由於通道頻寬高達 160 MHz，測試儀器的影像頻寬 (VBW) 能力必須相應提升，才能精確地分析 Wi-Fi 6 晶片組的特性，即使在其最高效能水平下也是如此；VBW 指的是感測器追隨封包功率量測中訊號變化的能力；為了提供精確的結果，感測器必須具有足夠的反應速度，以跟上調變訊號振幅變化的速率，而 VBW 不足將無法真實地追蹤波形，導致封包功率、峰值封包功率 (PEP) 以及平均功率的讀數產生誤差。
作為參考，封包功率是一個連續函數，表示由於調變或失真導致的訊號振幅變化；它更常被稱為峰值功率；然而，有時術語「峰值功率」可能指的是封包功率的最高點，而這個單一值就是 PEP；此外，平均功率可以指整個波形或脈衝重複間隔 (PRI) 的平均值；然而，工程師通常希望量測特定訊號脈衝或封包內的平均功率，這被稱為封包平均功率。
如圖 1 所示，調變訊號呈現快速的振幅變化，以藍色表示，這是具有足夠 VBW 能力的感測器所量測到的結果；綠色波形則是 VBW 不足的感測器所產生的，它無法精確地描繪脈衝。
儘管 VBW 是測試儀器的關鍵參數，但目前只有少數公司提供具有足夠 VBW 來有效捕獲 Wi-Fi 6 訊號峰值功率的 RF 功率計和 USB 功率感測器；例如，Boonton 的 RTP5000 系列即時峰值功率感測器 提供了高達 195 MHz 的 VBW；這使得大多數測試儀器缺乏足夠的 VBW 頻寬來充分分析 Wi-Fi 6 的特性；因此，工程師經常採用量測平均功率來替代峰值功率讀數，但這種測試上的妥協可能會掩蓋訊號峰值的壓縮以及由此產生的訊號失真；另一種同樣令人不滿意的方法是使用非常昂貴且複雜的儀器進行量測，例如向量訊號分析儀或 Wi-Fi 測試儀。
線性操作 – 波峰因數與互補累積分布函數 (CCDF)
無線通訊的每一次演進都提升了其功能和對使用者的服務品質，這要求工程師採用支援高速資料傳輸、移動性以及有效利用可用頻譜和網路資源的技術；例如，多載波調變技術有助於實現最新的無線和電信標準，然而，這些調變波形通常會影響峰值平均功率比 (PAPR)，也稱為波峰因數；波峰因數透過計算訊號峰值振幅與平均功率的比值，來了解波形峰值的嚴重程度。
對於 Wi-Fi 6 而言，子載波（或頻率音調）的數量以及每個子載波的調變方式都會影響訊號波峰因數的大小；隨著子載波數量的增加，建設性干涉會導致非常大的 PEP 值；Wi-Fi 6 可以使用高達 1024-QAM 的 1,992 個子載波，即使這可以提高存取點之間的吞吐量，但同時也會產生具有較高波峰因數的訊號。
高波峰因數的波形可能會影響 Wi-Fi 通訊系統傳輸路徑上元件（例如放大器）的線性操作；因此，工程師可以透過計算這個重要的指標來發現訊號壓縮並保持波形保真度；為了確定放大器的線性效能，工程師使用峰值功率感測器量測施加的調變波形輸入和輸出訊號的波峰因數；在圖 2 中，左側的計算結果僅相差 0.2 dB，表示線性操作；然而，增加輸入到放大器的功率會導致輸出波峰因數顯著下降，如右側圖所示；波峰因數量測結果的這種差距表明放大器操作中存在非線性，這可能會降低通訊通道的動態範圍並導致頻譜再生。
由於波峰因數是一個單一值（最大波峰因數），它通常無法為工程師和技術人員提供系統效能的全貌；互補累積分布函數 (CCDF) 曲線提供了額外但相關的資訊，用於顯示訊號在其平均功率水平之上或之下的時間發生率，換句話說，特定波峰因數發生的頻率；像 Wi-Fi 傳輸使用的數位調變訊號由於其在時域中類似雜訊的外觀，通常難以量化，而 CCDF 提供了功率水平的統計視圖，以提取有用的波形資料。
在圖 3 所示的 CCDF 圖中，黃色輸入通道 (CH1) 的調變訊號施加到放大器的平均功率為 -11.9 dBm，並在相應的 CCDF 曲線中與藍色放大器的輸出功率 (CH2) 一起表示；使用者需要設定一個取決於應用程式的感興趣波峰因數發生率；由於 0.01% 是一個常用的比率，圖 3 的曲線標記顯示了輸入和輸出訊號在 0.01% 時間的波峰因數，以及表格中的補充資訊；總體而言，由於輸入和輸出波峰因數曲線幾乎相同，CCDF 圖驗證了線性度。
如圖 4 所示，透過增加輸入到放大器的功率，輸出功率的波峰因數量測值隨後下降了近 3 dB，如 CH2 曲線向左移動所示；通道之間不斷增大的差距表示發生了壓縮，指向具有非線性特性的放大器；有趣的是，更常見的確定放大器線性度的方法（評估不同功率水平下的增益變化）僅顯示了 0.2 dB 的增益降低；放大器增益是平均輸出功率與平均輸入功率的比值；這說明了使用 CCDF 圖來充分理解訊號壓縮實際大小的重要性。
Wi-Fi 6 訊號具有高波峰因數，且充滿時域的隨機性和不一致性，這不僅對元件設計提出了更高的要求，也對 RF 和微波測試設備提出了更高的要求，需要執行關鍵的統計分析，才能全面評估 Wi-Fi 晶片組的效能；例如，Boonton 的 RF 功率感測器 提供了 CCDF 分析功能，有助於工程師深入了解訊號的統計特性。
時間閘控、時間長度和時間對準
通常，人們更傾向於放大訊號的特定部分，而不是查看整個波形；例如，工程師可能希望專注於或排除 Wi-Fi 訊號的前導部分，並確定閘控訊號的基本量測，如峰值、平均和最小功率；可以使用供應商提供的或客戶自行開發的功率量測軟體中提供的閘控條件和延遲選項來縮小特定脈衝部分的範圍。
以 OFDM Wi-Fi 訊號為例，它在時域中通常呈現類似雜訊的外觀（見圖 5）；高於或低於使用者定義閘控閾值的隨機雜訊尖峰和調變下降可能會錯誤地觸發讀數的開始或停止，從而改變量測結果的準確性；為了最大限度地減少錯誤觸發，某些軟體包含指定開始和結束條件的功能，這些條件定義了訊號必須滿足條件要求的一段時間才能開始或終止功率讀數；一旦滿足開始條件，使用者可能希望利用額外的軟體參數，例如開始或結束延遲，這些參數會將量測的開始或結束時間改變一個預設的時間長度；開始和結束延遲都允許使用者選擇特定的波形部分（例如 Wi-Fi 訊號的前導），以便進行功率量測；或者，可以使用標記來定義每個閘控間隔的開始和結束。
雖然時間閘控有助於查看單個 Wi-Fi 封包的特定部分，但整個 Wi-Fi 資料流的波形分析也是必要的；某些量測軟體套件透過沿波形採集大量樣本來實現這一點，所有樣本都儲存在緩衝區中；然而，緩衝區大小通常受限於感測器的記憶體容量，因此觀察視窗被縮小到有限的時間範圍內，通常小於 1 秒；使用受限的測試持續時間的方法可能無法捕獲重要的 Wi-Fi 波形異常，例如功率下降、訊號丟失和間隔漂移；更有效的方法是丟棄封包間隔之外的非相關資訊，僅儲存每個封包的基本資料，例如最小、平均和最大功率，以及開始時間和封包持續時間；透過限制累積的資料量，可以從幾乎無限數量的連續封包中收集和處理樣本，有效地消除緩衝區大小限制造成的瓶頸。
除了縮小封包部分的範圍和採用更長的量測持續時間外，在分析 MIMO Wi-Fi 架構時，還必須考慮跨通道傳輸封包之間的時間對準；MIMO 利用多個發射器和接收器同時傳輸多個資料流，從而提高資料傳輸速率和頻譜效率；為了實現這種能力，測試設備必須為多通道訊號提供精確的、時間對準的量測；在測試與量測產業中，一些基於功率計的特性分析系統無法單獨解決 MIMO 時間對準問題，需要客戶自行建立電路或購買額外的測試設備（例如示波器），這會大幅增加成本。
然而，存在替代的測試方案，其中多個感測器在多個同步或非同步通道上共享一個共同的時間基準；例如，使用者可以設定多個觀察週期，以確定來自不同資料流的封包是否對齊或重疊；使用這種技術，共享時間基準的分配透過每個感測器的多功能輸入輸出埠之間的簡單電纜連接進行，有效地將時間對準功能作為一個內建特性提供，而無需額外支出或補充硬體。
揭示 Wi-Fi 晶片組與設備的真實效能
Boonton Electronics 等領先的 RF 和微波測試解決方案供應商可以提供具備適當分析 Wi-Fi 晶片組和設備能力的測試設備；例如，Boonton RF 功率計和 USB RF 功率感測器提供最寬的 195 MHz VBW、波峰因數量測和統計分析 (CCDF)、封包時間閘控、結合量測緩衝模式的即時功率處理 (RTPP) 技術以捕獲幾乎無限長資料流的資料，以及用於同步、多通道封包功率和時間對準量測的同步獨立閘控模式；Wi-Fi 晶片組的特性分析充滿各種測試挑戰，然而，了解其基本的測試需求可以幫助工程師和技術人員消除妥協，並揭示其 Wi-Fi 晶片組的真正潛力。