如何最好地測試無線系統

作者：Jeffrey Fajutagana和Kiana Khey

本文詳細討論了無線系統測試中要考慮的重要因素， 特別是涉及定時和同步的系統級測試， 并探討了在一定的誤差范圍內在發送器和接收器塊之間無線傳輸數據的必要因素。本文中討論的因素將有助于開發測試用例，以確定功能和非功能規范、系統邊界和錯誤，以確保高度可靠和同步的無線系統。

介紹

無線技術的快速發展開啟了無線通信的新時代。它幾乎無處不在，對通信、醫療保健、汽車和太空探索行業等不同領域的創新進步產生了重大影響。它的市場已經成熟，正在見證一個動態增長的時期。預計收入將從2019年的1，4，313億美元擴大至2024年的5，5，194億美元，復合年增長率為31%。無線技術仍在不斷發展，并通過實現更高的精度、更高的運營效率、更快的決策能力、更高的數據速率和更多的成本節約，繼續開辟更多的可能性。然而，這些設備功能的增加也增加了無線系統級測試環境中的復雜性。

精確的定時和同步是任何無線系統正常工作的基本要求。這些是在確定的容差范圍內匹配系統中的發射器和接收器時鐘的過程。它們可確保最大的數據包完整性和優化的數據流，并且在任何無線系統測試和開發中都應始終高度考慮它們。然而，實現這些要求是困難的，因為時鐘源因其漂移而臭名昭著。即使是微秒級的微小漂移也會隨著時間的推移而累積，并可能導致系統失去同步。完美同步的無線系統只能 當時鐘完美匹配時實現。但實際上，這是非常具有挑戰性的。漂移是時鐘的固有特征，會導致時鐘計數時間的差異，并最終導致不同步。

同步不良的系統可能會導致傳輸降級，從而降低正在傳輸的數據的質量。此外，它可能導致數據完整性的損失，并可能導致操作失敗，這在可能影響人員健康、安保和安全的生命和安全關鍵應用中非常重要。在這些應用程序中造成負面影響可能會導致法律責任和客戶信譽損失。

由于對同步良好的系統的需求很大，因此根據精度和移動性等要求使用多種同步技術。這些是：

基于發送方-接收方的同步

圖1.基于發送方-接收方的同步。

基于接收器-接收器的同步

圖2.基于接收器-接收器的同步。

延遲測量同步

圖3.基于延遲測量的同步。

基于發送方-接收方的同步是一種雙向消息交換。傳感器網絡的定時同步協議 （TPSN） 就是一個例子。在 TPSN 中，網絡同步是通過在節點之間發送和接收同步脈沖數據包來完成的。每次傳輸的時間偏移都帶有時間戳并計算以確定時鐘時間差，用于同步節點。

基于 SFD 的同步使用單向消息交換。引用廣播同步 （RBS） 使用此類型的同步。

延遲測量同步與基于接收機-接收機的同步一樣，也是一種單向消息交換;但是，它衡量延遲。一 這方面的例子是延遲測量時間同步（DMTS）。

后續章節將詳細討論使用 TPSN 的無線系統中使用的不同定時和同步參數，每個參數如何影響系統的整體功能，以及如何配置這些參數以確保系統更穩定和同步。此外，在無線系統級測試期間，這些參數將有助于識別與定時和同步相關的錯誤和系統邊界。

定時和同步參數

同步參考

無線電使軟件能夠使用同步參考點準確安排發送和接收命令。事件以與參考點的正偏移來調度，以允許發射器和接收器之間的同步。以下是無線系統中使用的常見參考點：

立即同步

同步參考點是在處理同步命令 （set_sync_ref（NOW）） 時設置的。

圖 4 顯示了相對于 （set_sync_ref（NOW）） 命令的引用集傳輸的數據包。

圖4.立即同步。

同步 SFD

同步參考點設置在幀的開頭 （SOF），指示 檢測到有效的同步字。

發送命令 （set_sync_ref（SFD）） 會在發送命令后首次啟動幀檢測 （SFD） 后立即設置參考點。在圖5中，第二個傳輸數據包相對于SFD參考點傳輸。

圖5.同步 SFD。

同步最新

在此同步模式下，同步參考點每 SOF 設置一次。如圖 6 所示，對于收到的每個后續有效數據包同步字，同步參考將更新為最新 SOF 的時間戳。

圖6.同步最新。

使用這些同步模式可在兩個節點之間實現同步。但是，重要的是要注意，硬件時鐘以其漂移而聞名，這會導致其頻率隨時間變化并可能導致不準確。因此，時鐘在任何給定時間都可能不同。定期更新發送和接收時鐘的同步基準可最大限度地減少偏斜和漂移的影響。

時間偏移

時間偏移量是當前時間與時間開始的時間差 捕獲或同步引用。發送或接收時使用此參數。

最小時間偏移開始是傳輸所需的最短時間/ 接收命令以立即執行。此參數的計算基于 關于 API 和無線電的固有延遲。小于此值可能會導致 調度錯誤，導致發送/接收事務失敗。

圖7.時間偏移。

圖 8 顯示了所用時間偏移小于最小值的情況 允許的時間，這導致命令調度到具有 已經通過了。

圖8.調度超過設置偏移量的數據包。

執行兩個連續的發送和接收命令（Tx-Tx 或 Rx-Rx）時， 第一個數據包的大小是確定時間偏移量的重要因素 可用于在兩者都使用 單次參考。隨著第一個數據包長度的增加，時間偏移量 的第二個命令也必須增加以確保事務成功。 使用小于允許的最小時間偏移量的時間偏移量將安排 第二個數據包仍在執行，從而導致故障。 如圖 9 所示。

圖9.使用時間偏移的數據包調度。

最大時間偏移

最大時間偏移量用于防止在設置時間之外調度數據包。由于 對于時鐘漂移，調度數據包離同步參考太遠可能會導致 計劃不準確，這可能會導致信號檢測超時或 SOF 超時。 這些超時將在超時部分中詳細討論。

周轉時間

周轉時間定義為物理 （PHY） 層所需的時間 從接收模式更改為傳輸模式，反之亦然。周轉期間 時間，模擬射頻前端中的組件上電并穩定， 這消耗了相當多的時間。這個時間消耗變成 對于過程控制回路等低延遲反饋應用更為關鍵 在遠程控制機械臂或其他機械的工業系統中 參與其中。周轉時間僅適用于半雙工收發器。

當用戶需要盡快發送傳輸數據包時使用周轉時間 因為 PHY 層在接收包后再次準備就緒（反之亦然）。

圖 10 顯示了接收和發送兩個數據包。在這種情況下，命令 sched_rx_packet（0） 使收發器準備接收數據包。在本例中，偏移量設置為 0，這意味著一旦 PHY 準備就緒，收發器將立即開始接收數據包。在數據包接收期間，發送了sched_tx_packet（0）命令，導致PHY層切換到周轉狀態。軟件以完成接收作為參考點調度傳輸數據包，然后添加周轉時間值。

圖 10.具有周轉時間的數據包調度。

圖 11 顯示了在軟件中未設置周轉時間時會發生什么情況。由于未設置周轉值，因此調度程序將下一個數據包設置為在第一個數據包之后立即傳輸。調度程序不知道 PHY 層還不能發送/接收，因為它仍然必須更改其狀態，從而導致下一個數據包失敗。

圖 11.無周轉時間的數據包調度。

這表明設置周轉時間的重要性。沒有它，用戶將不知道在傳輸期間調度的接收（反之亦然）是否會成功執行。周轉時間值應基于 PHY 層從 PHY 傳輸狀態轉換到 PHY 接收狀態的持續時間。對于RF設備頻繁從發射切換到接收的情況，反之亦然，這種情況至關重要。

數據包間間隙

數據包間間隙是從前一幀的最后一位到下一幀的第一比特（均為空中）的時間。與周轉時間一樣，數據包間間隙用作在發送/接收另一個數據包時發送數據包的參考。區別在于，在相同類型的兩個數據包（Tx-Tx或Rx-Rx）之間使用數據包間間隙。收發器需要數據包間間隙，以便為下一個數據包準備 PHY。

圖 12 顯示了兩個數據包，傳輸和傳輸。在這種情況下，命令 sched_tx_packet（0） 使收發器立即開始傳輸數據包。在第一個數據包尚未完成傳輸時發送另一個 sched_tx_packet（0） 命令會導致調度程序將下一個數據包設置為在當前數據包完成傳輸后立即開始傳輸。調度程序將數據包間間隙值用作傳輸下一個數據包的參考。其值基于 PHY 的斜坡下降和爬升時間。這可確保 PHY 已準備好執行另一個數據包傳輸/接收。

圖 12.具有數據包間間隙的數據包調度。

圖 13 顯示了未設置數據包間間隙時的錯誤。調度程序將下一個數據包設置為在第一個數據包完成傳輸/接收后立即傳輸。但是，與周轉時間相同，調度程序不知道PHY仍未準備好進行另一次傳輸/接收。

圖 13.無數據包間間隙的數據包調度。

超時

在無線系統中，超時用于防止設備無限等待響應。超時設置為設備等待有效響應的允許時間段。如果在時間范圍內未收到有效響應，將報告錯誤。最常見的超時類型如下：

幀超時開始

檢測到無效同步時，會發生 SOF 超時。當 SOF 計時器在接收同步字之前過期時，也會發生 SOF 超時。

圖 14 顯示了在 SOF 計時器周期內檢測到的有效同步地址，而圖 15 顯示了由于在分配的時間內未檢測到有效同步地址而發生 SOF 超時的情況。

圖 14.使用正確的同步地址進行數據包檢測。

圖 15.由于同步地址無效而導致的 SOF 超時錯誤。

信號檢測超時

當在SD周期內未檢測到有效的前導碼或計時器在接收前導碼之前過期時，將發生信號檢測超時。如圖 16 和圖 17 所示。

圖 16.由于數據包延遲而導致的 SD 超時錯誤。

圖 17.由于未檢測到數據包而導致的 SD 超時錯誤。

圖 18 顯示了在計時器中檢測到有效報頭的場景 時期;因此，未檢測到超時。

圖 18.沒有 SD 超時。

設置適當的超時期限非常重要。超時不能太 短或太長。使用太短的超時將導致虛假檢測 其中有一個有效的數據包，但由于沒有足夠的時間檢測到它 到短超時。使用更長的超時將減少雜散的數量 超時，但會導致設備長時間保持活動狀態，這 意味著更多的電力消耗和浪費。

結論

時間同步是無線系統中的一個重要元素，尤其是在 數據完整性是關鍵要求的應用程序。有許多 可能影響系統同步的因素，并具有實質性的 了解其時序參數的相關性和特性將 幫助工程師開發和執行無線系統級測試 可靠的無線系統。

審核編輯：郭婷