WiFi信令测试在研发阶段的作用

1、关于信令测试的故事

在WiFi大规模应用前，多数WiFi产品在开发阶段采用直接嵌入WiFi模块的方式来实现WiFi功能，甚至WiFi芯片厂家也仅粗略测量一下芯片性能即生产出厂。但是，随着WiFi网络的大规模覆盖和应用，对WiFi产品的性能要求越来越高，因此测试WiFi射频指标的要求应运而生。

在业界，许多设计公司、测试实验室、工厂采用非信令方式来测试WiFi产品，这在生产阶段是合适的，但是在研发阶段是否足够？这里却有着一个有趣的信令测试的故事。

2016年的某天，某著名网络产品公司技术负责人致电寻求技术支持：我们的无线路由器遇到了一个困惑：我们某款路由器应用于实际WiFi网络中时，WiFi终端接入非常困难。但是我们使用测试工具检测此路由器，它的所有物理射频指标都非常优异。不知道是为什么？

我来到了测试现场看到：WiFi路由器受控于芯片公司的测试工具，其WiFi发射机指标在非信令测试仪上显示：无论功率、EVM还是频谱等指标都是正常的。这到底是什么原因导致WiFi终端接入困难呢？

我们想到了使用信令综测仪模拟现实网络以验证情况。结果有了新的发现：在信令模式下，WiFi路由器的发射机指标显示不再正常：符号时钟严重失锁（Symbol Clock Error）。我们迅速更换了基带电路的锁相环，问题得以顺利解决。

这，又是为什么呢？

2、信令测试原理及其独特的作用

•  首先，我们先了解信令测试与非信令测试的机理

信令测试（Signaling measurement）。

WiFi的信令测试是指模拟现实网络的呼叫连接，通过AP与Station相互握手消息交互完成信号连接，仪器扮演Station或AP角色来完成与被测件的无线连接，并测试被测件的无线性能指标的测试。

非信令测试.(No Signaling measurement)

通过进入WiFi芯片的工厂测试模式，直接控制射频模块发送指定功率、指定频率或控制芯片接收指定数据包，仪表直接测量被测件的物理层射频指标，没有MAC层以上的协议交互。

•  接着，我们了解WiFi信令连接过程中的同步机理

我们知道，无线信号传输有两种方式：

一种是广播方式，信号持续发射，因此同步可以通过长时间的跟踪比对来实现，此方式比较容易实现同步，如移动通信的LTE、WCDMA等通讯技术；

另外一种是包交换方式，信号为单帧发射，需要在短时间秒内准确地捕捉到数据包的边界，从而完成准确的同步，如WiFi的通讯技术。

因此，在WiFi连接中，对同步的要求是较高的。

总的来说，WiFi的同步过程包括三大部分：时间估计、频率同步、信道估计。我们逐一分析如下：

时间估计

图1、时间估计

· 包同步

首先我们介绍包同步。包同步是时间同步的第一步，完成对传输包边沿的大致估计。

当 的值高于指定门限时，判断为此时数据包发送，否则，断定无数据发送，从而获得数据包的边界。

（公式一）

a) 接收信号电平rn,当输入信号为噪声时rn=mn， 处于较低电平。当有信号输入时，将会有一个迅速上升的上升沿，由此得到信号边沿。但是，由于无法定义准确合适门限，导致触发可能会偏早或偏迟。因此此种方法判断信号边沿将会导致一定的误差。这只是时间边界的初步估计。

图2、接收电平强度检测

b) 第二步，为进一步提高准确度：采用双滑动窗口，mn为两个窗口信号累计的比值，这样的好处是信号到来时也会出现明显的凸起，且与输入信号的绝对功率无关，这样上升沿无需纠结门限高低，它都会输出一个较实时陡峭触发，由此可轻易地大致捕捉到传输数据包的边沿。这就是双滑动窗捕捉。

图3、双滑动窗捕捉原理

c) 实际上通过第二步算法来捕捉时间边沿仍然不够精确，因此会在第三步采用试探针包捕捉来完成精确的时间估计。通过发送图四结构的自相关性非常好的短、长训练序列及包含时延的逻辑电路运算完成准确无误的时间同步。

图4、WiFi的试探针结构

图5、双滑动窗及时延相关检测的实现方式

d) 从上面的实现方法可以知道：包同步的实现是通过对信号的AD转换、累计、时延、比对和运算完成的，由基带部分判别完成。如果基带部分出现延迟、或运算错误，将会导致时间边界的判断误差增大甚至无法还原。非信令测试只会对产品的射频部分的无线物理指标验证，不涉及基带。而由于信令测试需要完成协议交互、编解码，必须通过基带部分实现，因此，信令测试可以对基带部分实现的时间估计性能进行量化测试。因此，对于研发、测试部门来说，信令测试是有较好的验证作用的。

· 采样时钟锁定

我们知道，当WiFi的OFDM信号采样时钟出现偏差的时候，会出现两种后果：

a) 采样到的符号（symbol）在规