Jeffrey Fajutagana 和 Kiana Khey

本文詳細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，還講述了在特定的誤差余量內，發射機和接收機模塊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于開發測試用例，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，以確保構建高度可靠和同步的無線系統。

簡介

無線技術的迅速發展開啟了無線通信的新紀元。它幾乎無處不在，對通信、醫療健康、汽車和空間探索行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增長時期。2019年，其收入為14313億美元，預計到2024年，這個數值將增長到55194億美元，復合年增長率為31%。無線技術仍在不斷發展，將會實現更高的準確性、更高的運營效率、更快的決策速度、更高的數據速率和更多成本節省，繼續開辟更多的可能性。但是，隨著這些器件的功能不斷增加，無線系統級測試環境的復雜性也隨之增大。

準確的時序和同步是保證無線系統正常工作的基本要求。這是指在給定的公差內，匹配系統中的發射機時鐘和接收機時鐘的過程。它們用于確保最高的數據包完整性和優化數據流，在實施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，要滿足這些要求是很困難的，因為時鐘源會漂移，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。只有在時鐘完全匹配的時候，才能實現完全同步的無線系統。但實際上，這非常困難。漂移是時鐘的固有特性，會導致時鐘計數時間出現偏差，最終導致不同步。

同步不良的系統可能導致傳輸性能降低，進而降低所傳輸的數據的質量。此外，它還可能導致數據完整性喪失，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，且會喪失客戶的信任。

鑒于對精確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：

基于發射機-接收機的同步

圖1. 基于發射機-接收機的同步。

基于接收機-接收機的同步

圖2. 基于接收機-接收機的同步。

延遲測量同步

圖3. 延遲測量同步。

基于發射機-接收機的同步是一種雙向信息交換。傳感器網絡的時序同步協議(TPSN)就是這樣一個示例。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實現的。會用時間戳標記每次傳輸的時間偏移并加以計算，以確定時鐘時間差，然后用于實施節點同步。

基于SFD的同步使用單向信息交換。參考廣播同步(RBS)使用這種同步。

延遲測量同步和基于接收機-接收機的同步一樣，也是一種單向信息交換；但是，它用于測量延遲。延遲測量時間同步(DMTS)就是這樣一個示例。

接下來我們將詳細討論使用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，這些參數將有助于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

無線電讓軟件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，按正偏移計劃事件，在發射機和接收機之間實現同步。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))時置位。

圖4顯示被傳輸的數據包與被命令(set_sync_ref(NOW))設置的參考點之間的關系。

圖4. 立即同步。

同步SFD

同步參考點在幀開始(SOF)時置位，表示檢測到有效的同步字。

發送命令(set_sync_ref(SFD))之后，會在命令被發送之后檢測到首個幀開始(SFD)時置位參考點。在圖5中，第2個發射數據包是以SFD參考點為基準進行傳輸。

圖5. 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6所示，對于后續收到的每個有效數據包同步字，同步參考會更新到最新的SOF的時間戳時間。

圖6. 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，硬件時鐘以漂移而聞名，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，時鐘都可能不相同。不斷更新發送和接收時鐘的同步參考，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。我們基于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7. 時間偏移。

圖8顯示一種場景，其中使用的時間偏移小于最小允許時間，導致命令被調度至已經過去的時間。

圖8. 在超出設置偏移以外的時間調度數據包。

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，那么第一個數據包的大小是確定用于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于可允許的最小時間偏移量，則會在仍在執行第一個數據包時調度第二個數據包，導致操作失敗。如圖9所示。

圖9. 使用時間偏移調度數據包。

最大時間偏移量

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

周轉時間

周轉時間是指物理層(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，模擬RF前端中的組件通電并達到穩定，這需要很長時間。這種時間消耗對低延遲反饋應用來說會更加重要，例如工業系統中的工藝控制環路，其中涉及遠程控制機械手臂或其他機器。周轉時間僅適用于半雙工收發器。

如果用戶需要在傳輸接收包之后，在物理層再次就緒時發送數據包，就會使用周轉時間（反之亦然）。

圖10顯示兩個數據包：接收包和發射包。在這個場景中，sched_rx_packet(0)使收發器準備接收數據包。在本示例中，偏移量設置為0，這意味著收發器會在物理層就緒之后，即刻開始接收數據包。接收數據包期間，sched_tx_packet(0)命令被發送，導致物理層切換至周轉狀態。軟件將接收操作完成作為參考點來調度發射數據包，然后添加周轉時間值。

圖10. 采用周轉時間的數據包調度。

圖11顯示軟件中未設置周轉時間時會發生什么情況。由于沒有設置周轉時間值，調度程序設置在第一個數據包傳輸完成后即刻開發發送下一個數據包。調度程序不知道物理層尚無法進行發射/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包。

圖11. 不采用周轉時間的數據包調度。

這說明了設置周轉時間的重要性。如果不進行設置，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）。周轉時間值應基于物理層從物理層發送狀態轉換到物理層接收狀態所需的時長決定。本場景對射頻器件從發送狀態頻繁切換到接收狀態（反之亦然）的用例至關重要。

數據包之間的時間間隔

數據包之間的時間間隔是指前一個幀的最后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，數據包之間的時間間隔被用作參考，用于確定在發送/接收另一個數據包期間，發送數據包的時間間隔。區別在于，數據包之間的時間間隔是用于同類型的兩個數據包（發送-發送或接收-接收）之間。收發器需要使用數據包之間的時間間隔來讓物理層為下一個數據包做好準備。

圖12顯示兩個數據包：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包。在第一個數據包尚未發送完成時發送另一個sched_tx_packet(0)命令，會導致調度程序設置在當前數據包發送完成后，立即開始發送下一個數據包。調度程序將數據包之間的時間間隔用作參考，用于確定何時發送下一個數據包。其值由物理層的下降或上升時間決定。這用于確保物理層已準備好進行下一輪數據包發送/接收。

圖12. 采用數據包之間的時間間隔的數據包調度。

圖13顯示在未設置數據包之間的時間間隔時發生的錯誤。調度程序設置下一個數據包在第一個數據包發送/接收完成后立即開始發送。但是，與周轉時間相同，調度程序并不知道物理層尚未準備好進行另一輪發送/接收。

圖13. 不采用數據包之間的時間間隔的數據包調度。

超時

在無線系統中，超時用于防止器件無限等待響應。超時設置了允許器件等待有效響應的時間。如果在該時間段內沒有收到有效響應，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定時器在接收到同步字之前過期時，也會發生SOF超時。

圖14顯示在SOF定時器周期內檢測到的有效同步地址，圖15顯示在分配時間內未檢測到有效同步地址時，發生SOF超時的場景。

圖15. 因為同步地址無效，導致SOF超時錯誤。

信號檢測超時

在SD周期內未檢測到有效前同步碼，或者定時器在接收前同步碼之前過期，此時會發生信號檢測超時。分別如圖16和17所示。

圖16. 因為數據包傳輸延遲，導致SD超時。

圖17. 因為未檢測到數據包，導致SD超時錯誤。

圖18顯示在定時器周期內檢測到有效的前同步碼的場景；所以，未檢測到超時。

圖18. 無SD超時。

設置正確的超時周期是非常重要的。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包，但因為超時時間太短，沒有足夠的時間去檢測。延長超時時間會降低雜散超時的次數，但會導致器件更長時間處于激活狀態，這會消耗和浪費更多功率。

結論

對于無線系統，時間同步是一個非常重要的元素，尤其是對于極為重視數據完整性的應用。有許多因素會影響到系統同步，充分了解時序參數的相關性和特點有助于工程師開發并對高度可靠的無線系統執行無線系統級測試。

審核編輯：郭婷