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如何最佳測試無線系統?時序與同步
 

【作者: Jeffrey Fajutagana、Kiana Khey】   2023年09月11日 星期一

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本文討論在測試無線系統期間需要考慮的重要因素,尤其是涉及時序和同步的系統級測試,還講述在特定的誤差餘量內,發射器和接收器模組之間無線傳輸數據時,這些因素有多重要。本文中討論的因素將有助於開發測試用例,這些測試用例將確定功能性和非功能性規格、系統邊界和漏洞,以確保建構高度可靠和同步的無線系統。


無線技術的迅速發展開啟了無線通訊的新紀元。它幾乎無處不在,對通訊、醫療健康、汽車和空間探索產業等不同領域的創新發展產生了重大影響。該市場已然成熟,且正在經歷一個充滿活力的成長時期。2019年,其收入為14,313億美元,預計到2024年,這個數值將成長到55,194億美元,複合年成長率為31%。


無線技術仍在不斷發展,並將會實現更高的準確性、更高的營運效率、更快的決策速度、更高的資料速率和更多成本節省,繼續開闢更多的可能性。但是,隨著這些元件的功能不斷增加,無線系統級測試環境的複雜性也隨之提高。


準確的時序和同步是保證無線系統正常工作的基本要求。這是指在設定的公差內,匹配系統中的發射機時脈和接收器時脈的過程。它們用於確保最高的數據封包完整性和優化資料流程,在進行無線系統測試和開發時,我們應始終重點考慮這些因素。


但是,要滿足這些要求很困難,因為時脈源會漂移,這一點廣為人知。即使是幾毫秒的微小漂移,也會隨時間不斷累積增大,導致系統喪失同步。只有在時脈完全匹配的時候,才能實現完全同步的無線系統。但實際上,這非常困難。漂移是時脈的固有特性,會導致時脈計數時間出現偏差,最終導致不同步。


同步不良的系統可能導致傳輸性能降低,進而降低所傳輸的資料的品質。此外,它還可能導致資料完整性喪失,導致操作失敗,在可能影響健康、安全和人身安全的應用中,上述這些問題將非常關鍵。在這些應用中造成負面影響可能導致需要承擔法律責任,且喪失客戶信任度。


鑑於對精準同步系統的需求如此之大,我們可以根據要求,例如精度和移動程度,使用多種同步技術。它們分別是:


基於發射器-接收器的同步


圖一 : 基於發射器-接收器的同步
圖一 : 基於發射器-接收器的同步

基於接收器-接收器的同步


圖二 : 基於接收器-接收器的同步
圖二 : 基於接收器-接收器的同步

延遲測量同步


圖三 : 延遲測量同步
圖三 : 延遲測量同步

基於發射器-接收器的同步是一種雙向資訊交換。感測器網路的時序同步協定(TPSN)就是這樣一個示例。在TPSN中,網路同步是透過在節點之間發送和接收同步脈衝數據封包實現的。會用時間戳記標記每次傳輸的時間偏移並加以計算,以確定時脈時間差,然後用於進行節點同步。


基於SFD的同步使用單向資訊交換。參考廣播同步(RBS)使用這種同步。


延遲測量同步和基於接收器-接收器的同步一樣,也是一種單向資訊交換;但是,它用於測量延遲。延遲測量時間同步(DMTS)就是這樣一個示例。


接下來將詳細討論使用TPSN的無線系統中使用的不同的時序和同步參數,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,確保實現更可靠的同步系統。此外,在執行無線系統級測試期間,這些參數將有助於識別與時序和同步相關的漏洞和系統邊界。


時序和同步參數

同步參考

無線電讓軟體能夠使用同步參考點來準確安排發射和接收命令。以參考點作為基準,按正偏移計畫事件,在發射器和接收器之間實現同步。


以下是無線系統中常用的參考點:


立即同步


同步參考點在處理同步命令(set_sync_ref(NOW))當時設定。


圖四顯示被傳輸的數據封包與被命令(set_sync_ref(NOW))設定的參考點之間的關係。



圖四 : 立即同步
圖四 : 立即同步

同步SFD


同步參考點在幀開始(SOF) 當時設定,表示檢測到有效的同步字。


發送命令(set_sync_ref(SFD))之後,會在命令被發送之後檢測到首個幀開始(SFD) 當時設定參考點。在圖五中,第2個發射數據封包是以SFD參考點為基準進行傳輸。



圖五 : 同步SFD
圖五 : 同步SFD

同步最新


在這個同步模式下,同步參考點在每個SOF時置位。如圖六所示,對於後續收到的每個有效數據封包同步字,同步參考會更新到最新的SOF的時間戳記時間。



圖六 : 同步最新
圖六 : 同步最新

使用這些同步模式可以在兩個節點之間實現同步。但是,需要注意的是,硬體時脈以漂移而聞名,這導致其頻率隨時間變化,由此導致不準確。所以,在任何給定時點,時脈都可能不相同。不斷更新發送和接收時脈的同步參考,最大限度地減少偏斜和偏移效應。


時間偏移

時間偏移是指當前時間與時間捕獲或同步參考開始時的時間差。在發送或接收時,會使用這個參數。


最小時間偏移開始是立即執行發送/接收命令所需的最短時間。基於API和無線電固有的延遲來計算這個參數。如果數值比這個值更小,會導致調度錯誤,使得發射/接收操作失敗。



圖七 : 時間偏移
圖七 : 時間偏移

圖八顯示一種場景,其中使用的時間偏移小於最小允許時間,導致命令被調度至已經過去的時間。



圖八 : 在超出設置偏移以外的時間調度數據封包
圖八 : 在超出設置偏移以外的時間調度數據封包

執行兩個連續的發射和接收命令(發射-發射或接收-接收)時,如果兩個命令都使用單個時間參考,那麼第一個數據封包的大小是確定用於成功執行第二個命令所需的時間偏移量的重要因素。當第一個數據封包的長度增加時,第二個命令的時間偏移量也必須增加,以確保能成功執行該命令。如果使用的時間偏移量小於可允許的最小時間偏移量,則會在仍在執行第一個數據封包時調度第二個數據封包,導致操作失敗。如圖九所示。



圖九 : 使用時間偏移調度數據封包
圖九 : 使用時間偏移調度數據封包

最大時間偏移量


最大時間偏移量用於防止在設置時間外調度數據包。因為時脈漂移,調度偏離同步參考太遠的數據封包會導致調度不準確,進而導致訊號檢測超時或SOF超時。我們將在超時章節詳細進探討這些超時。


周轉時間

周轉時間是指實體層(PHY)從接收模式變更為發射模式(反之亦然)所需的時間。在周轉時間內,類比RF前端中的組件通電並達到穩定,這需要很長時間。這種時間消耗對低延遲回饋應用來說會更加重要,例如工業系統中的製程控制迴路,其中涉及遠端控制機械手臂或其他機器。周轉時間僅適用於半雙工收發器。


如果使用者需要在傳輸接收封包之後,在實體層再次就緒時發送數據封包,就會使用周轉時間(反之亦然)。


圖十顯示兩個數據封包:接收封包和發射封包。在這個場景中, sched_rx_packet(0)使收發器準備接收數據封包。在本示例中,偏移量設定為0,這表示收發器會在實體層就緒之後,即刻開始接收數據封包。接收數據封包期間,sched_tx_packet(0)命令被發送,導致實體層切換至周轉狀態。軟體將接收操作完成作為參考點來調度發射數據封包,然後增加周轉時間值。



圖十 : 採用周轉時間的數據封包調度
圖十 : 採用周轉時間的數據封包調度

圖十一顯示軟體中未設定周轉時間時會發生什麼情況。由於沒有設定周轉時間值,調度程式設定在第一個數據封包傳輸完成後即刻開發發送下一個數據封包。調度程式不知道實體層尚無法進行發射/接收,因為它還需要更改其狀態,導致無法成功傳輸下一個數據封包。



圖十一 : 不採用周轉時間的數據封包調度
圖十一 : 不採用周轉時間的數據封包調度

這說明了設定周轉時間的重要性。如果不進行設定,用戶將無法知道在發送期間調度的接收能否成功執行(反之亦然)。周轉時間值應基於實體層從實體層發送狀態轉換到實體層接收狀態所需的時長決定。本場景對射頻元件從發送狀態頻繁切換到接收狀態(反之亦然)的用例非常重要。


數據封包之間的時間間隔

數據封包之間的時間間隔是指前一個幀的最後一位和下一個幀的第一個位之間的時間間隔。與周轉時間一樣,數據封包之間的時間間隔被用於參考,用於確定在發送/接收另一個數據封包期間,發送數據封包的時間間隔。


區別在於,數據封包之間的時間間隔是用於同類型的兩個數據封包(發送-發送或接收-接收)之間。收發器需要使用數據封包之間的時間間隔來讓實體層為下一個數據封包做好準備。


圖十二顯示兩個數據封包:發射包和發射包。在這個場景中,命令 sched_tx_packet(0)使收發器準備好立即發送數據封包。在第一個數據封包尚未發送完成時發送另一個sched_tx_packet(0)命令,會導致調度程式設定在目前數據封包發送完成後,立即開始發送下一個數據封包。調度程式將數據封包之間的時間間隔用作參考,用於確定何時發送下一個數據封包。其值由實體層的下降或上升時間決定。這用於確保實體層已準備好進行下一輪數據封包發送/接收。



圖十二 : 採用數據封包之間的時間間隔的數據封包調度
圖十二 : 採用數據封包之間的時間間隔的數據封包調度

圖十三顯示在未設定數據封包之間的時間間隔時發生的錯誤。調度程式設定下一個數據封包在第一個數據封包發送/接收完成後立即開始發送。但是,與周轉時間相同,調度程式並不知道實體層尚未準備好進行另一輪發送/接收。



圖十三 : 不採用數據封包之間的時間間隔的數據封包調度
圖十三 : 不採用數據封包之間的時間間隔的數據封包調度

超時

在無線系統中,超時用於防止元件無限等待回應。超時設定了允許元件等待有效回應的時間。如果在該時間段內沒有收到有效回應,將報告一個錯誤。最常見的超時類型如下:


幀開始超時


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


圖十四顯示在SOF計時器週期內檢測到的有效同步位址,圖十五顯示在分配時間內未檢測到有效同步位址時,發生SOF超時的場景。



圖十四 : 採用正確的同步位址的數據封包調度
圖十四 : 採用正確的同步位址的數據封包調度

圖十五 : 因為同步地址無效,導致SOF逾時錯誤
圖十五 : 因為同步地址無效,導致SOF逾時錯誤

訊號檢測超時


在SD週期內未檢測到有效前同步碼,或者計時器在接收前同步碼之前過期,此時會發生訊號檢測超時。分別如圖十六和十七所示。



圖十六 : 因為數據封包傳輸延遲,導致SD超時
圖十六 : 因為數據封包傳輸延遲,導致SD超時

圖十七 : 因為未檢測到數據封包,導致SD逾時錯誤
圖十七 : 因為未檢測到數據封包,導致SD逾時錯誤

圖十八顯示在計時器週期內檢測到有效的前同步碼的場景;所以,未檢測到超時。



圖十八 : 無SD超時
圖十八 : 無SD超時

設定正確的超時週期是非常重要的。超時時間不能太短或太長。如果超時時間太短,會導致雜散檢測,也就是存在有效數據封包,但因為超時時間太短,沒有足夠的時間進行檢測。延長超時時間會降低雜散超時的次數,但會導致元件更長時間處於啟動狀態,這會消耗和浪費更多功率。


結論

對於無線系統,時間同步是一個非常重要的元素,尤其是對於極為重視資料完整性的應用。有許多因素會影響到系統同步,充分瞭解時序參數的相關性和特點有助於工程師開發並對高度可靠的無線系統執行無線系統級測試。


(本文作者Jeffrey Fajutagana、Kiana Khey為ADI韌體工程師)


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