IEEE802.11b. programovým vybavením dodaným k PCMCIA Wi-Fi kartě. BEACON impulsu a jeho opakovací kmitočet.

Transkript

1 7. Měření parametrů systému WLAN IEEE802.11b (návod ke cvičení z 37LBR) Cílem tohoto experimentu je proměřit parametry přístupového bodu (Access Pointu) Trendnet TEW ag včetně přiložené kabeláže a panelové antény. Experiment zahrnuje měření výstupního spektra, časových parametrů náběhu a doběhu vysílače, parametrů použité modulace, dekódování informací vyslaných v BEACON impulsu, měření impedanční charakteristiky panelové antény, útlumu anténního svodu a ověření informací zobrazovaných programovým vybavením dodaným k PCMCIA Wi-Fi kartě. Úkol měření 1. Změřte kmitočtovou závislost impedance a PSV panelové antény v pásmu 2400 MHz až 2500 MHz. 2. Změřte kmitočtovou závislost impedance a PSV panelové antény s anténním svodem v pásmu 2400 MHz až 2500 MHz. 3. Proměřte signál na anténním konektoru AP zjištění základních informací. 4. Změřte parametry vysílače AP doba náběhu, doba doběhu, celková doba trvání BEACON impulsu a jeho opakovací kmitočet. 5. Změřte parametry spektra šířka pásma, výkon. 6. Změřte parametry používané modulace chyba nosné, EVM Dekódujte data vysílaná AP v BEACON intervalu. 8. Ověřte správnost hodnot získaných programovým vybavením výrobce pro PCM- CIA Wi-Fi kartu. Domácí příprava 1. Jaký je kmitočtový rozsah systému WLAN b (pásmo 2,4 GHz)? Jaké jsou střední kmitočty pro jednotlivé kanály v Evropě? 2. Jaká je šířka kmitočtového pásma pro jeden kanál? Revize z 18. listopadu 2007

2 3. Jaké modulace jsou použity pro WLAN b? 4. Jak se realizuje rozprostření spektra? 5. Co to je kmitočtová maska? Jaká je předepsaná kmitočtová maska pro systém b? 6. Jaké informace obsahuje BEACON impuls, jaká je struktura ethernet paketu? 7. Jaká je symbolová rychlost vysílaného BEACON impulsu? 8. Jaká je typická impedance panelové antény pro systém WLAN b? Přístrojové vybavení pracoviště AP Trendnet TEW-510 PCMCIA Avaya silver, PC Panelová anténa, svodový kabel Osciloskop Agilent (pro generování synchronizace) Obvodový analyzátor Advantest R3765CG Spektrální analyzátor FSQ3 Detektor, T-článek, útlumové články, kabely,... Doporučená literatura [1] ANSI/IEEE Std : Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY). Specifications 1999 Edition (R2003) [2] Boehr, J.: Direct Sequence Spread Spectrum Physical Layer Specification IEEE Lucent Technologies WCND Utrecht, IEEE P /49E, March [3] Žalud, V.: Moderní radioelektronika. Praha, BEN technická literatura Obsah dokumentu 1 Stručná teorie Beacon Spektrální maska Měření Impedanční charakteristika antény Soustava panelová anténa s anténním svodem Měření na AP Parametry vysílače Parametry vysílaného spektra Měření vlastností modulace Dekódování vysílaných dat Ověření programového vybavení k PCMCIA kartě

3 Úloha 7 Měření parametrů systému WLAN IEEE802.11b 1 Stručná teorie Fyzická vrstva IEEE802.11b je realizována rádiovým přenosem. Maximální výkon vysílače je omezen na 100 mw (20 dbm, v Evropě). Pro přenos dat se používá modulace DBPSK/DQPSK a přímého rozprostření spektra (DSSS, ale původní definice uvádí FHSS). Podrobné informace k použité metodě rozprostření spektra, kódování dat a synchronizaci najdete v literatuře [1] a [2]. 1.1 Beacon Komunikaci zařízení typu b v režimu infrastruktury inicializuje přístupový bod (Access Point, AP) opakovaným vysíláním BEACON impulsu. BEACON obsahuje synchronizační sekvenci posloupnost 128 (56) bitů (PLCP Synchronisation), 16 bitů oddělovače (Start Frame Delimiter) a 48 bitů PLCP hlavičky vždy na přenosové rychlosti 1 Mb/s nebo 2 Mb/s obrázek 1. Blok přenášených dat MPDU pak může být vysílán rychlostí 1 Mb/s nebo 2 Mb/s. Pozor všechna data jsou nejdříve kódována pomocí datového kodéru obrázek 2 a následně rozprostřena jedenáctibitovou Barkerovou sekvencí (+1, 1, +1, +1, 1, +1, +1, +1, 1, 1, 1) obrázek 3 ([2] str. 1). Celý vysílaný rámec je označován jako PLCP (Physical Layer Convergence Procedure). Obrázek 1. PLCP paket Obrázek 2. Datový kodér 1.2 Spektrální maska Vzhledem k použití DBPSK/DQPSK a DSSS je třeba kmitočtově omezit vysílané spektrum s ohledem na koexistenci několika kanálů a zároveň dostatečný odstup S/N. Předepsaná kmitočtová maska je na obrázku 4. 3

4 37LBR Laboratoř rádiové komunikační techniky Obrázek 3. Rozprostření spektra pomocí Barkerovy sekvence 2 Měření 2.1 Impedanční charakteristika antény Obrázek 4. Kmitočtová maska Na obvodovém analyzátoru Advantest R3765CG změřte kmitočtovou závislost impedance a PSV panelové antény v kmitočtovém rozsahu 2400 MHz až 2500 MHz. Nezapomeňte analyzátor zkalibrovat. Pomocí měděného proužku na kabelu antény se pokuste minimalizovat PSV antény. Pomocí posouvání měděného proužku přibližně změřte délku vlny v mm. Zapište si naměřené hodnoty (výsledky si uložte na disketu) a určete, na kterém kanálu je anténa nejlépe a na kterém nejhůře přizpůsobena. Vysvětlete důvod, proč má měděný proužek vliv na PSV. Vypočtěte výkonovou ztrátu v důsledku odrazu signálu na anténě. 2.2 Soustava panelová anténa s anténním svodem Na obvodovém analyzátoru Advantest R3765CG změřte stejné parametry jako v případě panelové antény pro svodový kabel (druhý konec kabelu je zakončen charakteristickou impedancí 50 Ω) a změřte jeho útlum. Ověřte, zda je kabel stranově symetrický, pokud není, určete který z N konektorů je hůře přizpůsobený. Pro soustavu panelová anténa a svodový kabel změřte impedanci na kmitočtu středního (šestého) kanálu WLAN b. Zapište si naměřené hodnoty (uložte na disketu), vysvětlete z jakých dílčích útlumů se skládá útlum svodového kabelu. Porovnejte měření bez svodového kabelu a s kabelem. Vysvětlete rozdíly. 4

5 Úloha 7 Měření parametrů systému WLAN IEEE802.11b 2.3 Měření na AP AP je nastaven do vám neznámého módu, vaším úkolem je pomocí měření na spektrálním analyzátoru FSQ3 zjistit na jakém kanálu AP vysílá, tj. určit nosný kmitočet vysílaného signálu. Celkové schéma zapojení úlohy je na obrázku 5. Obrázek 5. Celkové schéma zapojení úlohy Postup práce na spektrálním analyzátoru: Po zapnutí vyčkat do úplného naběhnutí přístroje a nic nemačkat. Stiskněte tlačítko [PRESET] (obnoví výchozí stav přístroje) a nastavte referenční úroveň na 20 dbm (tlačítko [AMPT] <Ref Level> 20 dbm). Potom teprve připojte AP k spektrálnímu analyzátoru! Nastavte frekvenční osu analyzátoru tak, aby pokryla kmitočty všech kanálů WLAN b. Vzhledem k tomu, že je signál pulsní, není pozorované spektrum signálu stabilní obraz bliká podle toho, zda je v průběhu rozmítání puls právě vysílán nebo nikoliv. Částečným řešením situace je nastavení velmi pomalého rozmítání např. 10 s. Pomocí markerů nalezněte střední kmitočet spektra a ten následně nastavte jako střední kmitočet zobrazování. Zapište si změřený střední kmitočet, číslo kanálu a příslušný teoretický nosný kmitočet. 5

6 37LBR Laboratoř rádiové komunikační techniky 2.4 Parametry vysílače Změřte dobu náběhu a doběhu vysílače, jak dlouhý je čas vysílání a jaký je opakovací kmitočet vysílání. Postup: Na FSQ3 zastavíme rozmítání volbou [SPAN] <Zero Span>. Tím se analyzátor stane selektivním wattmetrem se schopností zobrazit časový vývoj výkonu v šířce pásma určené rozlišovacím filtrem RBW. Nastavte dobu rozmítání [Sweep Time] na 50 ms. Nastavte šířku rozlišovacího filtru na 50 MHz [BW] (po měření v předcházející části je aktuálně nastavená šířka pásma menší). Na analyzátoru by již měl být vidět nezasynchronizovaný sled impulsů. Pro synchronizaci zobrazení využijeme spouštění rozmítání výkonem, [TRIG] <IF Power>. Je třeba zkusmo nastavit vhodnou hodnotu výkonu, typ. 10 dbm. Na analyzátoru by se měl obraz zasynchronizovat na náběžnou hranu pozorovaných pulsů. Pomocí markerů [MKR] <Marker1>, [MKR] <Marker2> změřte opakovací periodu pulsů. Upravte dobu rozmítání tak, aby se puls zobrazil na téměř celé šířce displeje, a změřte délku pulsu. Změřte délku náběžné hrany pulsu. Pro detailní zobrazení náběžné hrany je třeba snížit dobu rozmítání (např. na 10 µs) a posunout počátek spouštění [TRIG] <Trig. Offset> (pro spouštění s předstihem zadáváme záporné hodnoty). Protože se náběžná hrana v důsledku časově diskrétního měření výkonu chvěje, není měření krátké doby náběhu možné. Proto je nutné si průběh zastavit [SWEEP] <Single Sweep>. Pomocí markerů odečtěte čas náběhu jeden z markerů nastavte na náběžné hraně na 10 % středního výkonu, druhý nastavte na první lokální extrém za náběžnou hranou. Při měření je vhodné změnit měřítko vertikální osy na lineární (dopsat). Podobně změřte čas doběhu. <Trig. Offset> je tentokrát třeba nastavit přibližně na hodnotu odpovídající délce pulsu (nutno zkusit). Zapište si všechny naměřené časy, načrtněte (uložte na disketu) průběhy náběhu a doběhu výkonu a diskutujte tyto průběhy. Porovnejte časy s normou (náběh/doběh = 2 µs/2 µs) zda vyhovují. 2.5 Parametry vysílaného spektra Proměřte parametry vysílaného spektra určete šířku pásma pro 90 % a 99 % výkonu, porovnejte zobrazené spektrum s teoretickou spektrální výkonovou hustotou funkce wlanpsd.m v Matlabu a se spektrální maskou. Výkon měřte pro všechna nastavení výkonu v AP (ovládáno z PC v IE zvolte stránku na adrese , user: admin heslo: admin, stránka Wireless Advanced Settings nastavujte pouze hodnoty pro Wireless B/G). Naměřené výsledky taktéž porovnejte s předpokládanými vlastnostmi AP. Odhadněte amplitudovou charakteristiku filtru I/Q složek. Pro synchronizaci využijte externí synchronizaci z osciloskopu viz obrázek 5. Postup: Nastavte spektrální analyzátor do stejného režimu, jako v kapitole??. Zapněte osciloskop pokud je na osciloskopu vidět zasynchronizovaný impulz z diodového detektoru, je zajištěna signál externí synchronizace spektrálního analyzátoru. 6

7 Úloha 7 Měření parametrů systému WLAN IEEE802.11b Na FSQ3 nastavte externí synchronizaci [TRIG] <External>. V tuto chvíli by se vše mělo začít chovat stejně jako při synchronizaci na výkon. Nevýhodou však je, že se do zpracování přidá i doba, kdy vysílač nevysílá. Činnost spektrálního analyzátoru v režimu externího spouštění ozřejmí volba doby rozmítání 200 ms. Pro vyříznutí času, kdy vysílač skutečně vysílá, použijeme funkce hradlování [TRIG] <Gated>, v menu <GTrig Set> nastavíme <GATE DELAY> těsně za začátek pulsu, <GATE LENGTH> těsně před konec pulsu. Prostým stiskem tlačítka [FREQ] přepneme spektrální analyzátor do režimu zobrazování spektra. Pozorované spektrum by mělo být stabilní. Výsledek lze ještě zlepšit průměrováním [TRACE] <AVERAGE>, <SWEEP COUNT> nastavíme např. na 100. K měření výkonu je třeba nastavit typ detektoru na RMS [TRACE] <Detector> <RMS>. Vlastní měření výkonu [MEAS] <Chan PWR ACP> <CP/ACP-Config> a nastavit šířku pásma pro měření <CHANNEL BANDWIDTH>. Střední výkon se vypisuje v dolní polovině obrazovky. Zapište si naměřené hodnoty výkonu pro všechna nastavení AP a přepočtěte je na skutečný výkon vycházející z AP. Útlumy použitých prvků jsou následující: krátký kablík z AP 0,5 db, rozbočovač T 6 db, kabel k spektrálnímu analyzátoru 0,5 db. Výsledky porovnejte s údajem na AP. 2.6 Měření vlastností modulace Analyzátor přepněte do módu VSA, nastavte předpokládané vlastnosti modulace (střední kmitočet, typ modulace, symbolovou rychlost, počet vzorků na symbol) Postup: Spektrální analyzátor přepneme do režimu vaktorového signálového analyzátoru tlačítko <VSA>. Upravíme šířku rozlošovacího filtru na 50 MHz. Zvolte symbolovou rychlost <Modulation settings> <Sym. Rate> a nastevte jeho hodnotu (jedna z otázek domácí přípravy). Natavte správný typ modulace <Modulation Mappings>. Jako modulační filtr <Modulation Filter> vyberte RRC s koeficientem α/bt = 1,0. Pro správné dekódování je třeba opět měření synchronizovat [TRIG] <External>. Na obrazovce by měl být konstelační diagram, údaje o modulačních parametrech a dekódovaná data. Prohlédněte si dekódovaná data měla by v nich být patrná Barkerova posloupnost (v přímé i invertované podobě). Zapište si následující parametry modulace a diskutujte jejich hodnoty: Velikost chybového vektoru (Error Vector Magnitude, EVM) Chybu amplitudy (Magnitude Error) Chybu fáze (Phase Error) Ofset nosné frekvence (Carrier Frequency Error) Pokles amplitudy (Amplitude Droop) Potlačení nosné vlny (Origin Offset) Střední výkon (Mean Power) Odstup signál-šum (Signal-to-Noise Ratio, SNR) 7

8 37LBR Laboratoř rádiové komunikační techniky 2.7 Dekódování vysílaných dat Z analyzátoru nahrajte pomocí PC a skriptu v Matlabu dostatečně dlouhou sekvenci I a Q složek signálu a signál analyzujte. Postup v Matlabu: Analyzátor je třeba přepnout zpět do módu spektrálního analyzátoru. Do pole nazvaného a načtěte sekvenci IQ složek s pomocí funkce fsqgetiq.m. Např. a = fsqgetiq( , , ); zachytí vzorkovací frekvencí 44 MHz vzorků složek I a Q, rozlišovací filtr je nastaven na 55 MHz. Pomocí dalšího matlabovského skriptu <wlan80211b.m> dekódujte vysílaná data např. test(a). Zapište dekódovaná data a porovnejte je s normou IEEE802.11b. 2.8 Ověření programového vybavení k PCMCIA kartě AP propojte se vstupním konektorem PCMCIA Wi-Fi karty (instalována v PC) ve schématu úlohy naznačeno kde rozpojit a připojit, sestavu nerozpojujte v jiných místech hrozí poškození N konektorů! Postup: Otevřete program pro sledováni sítě Client Manager (ikona na ploše), zvolte Site Monitor Selection (zde by mela být jediná sít ). Kliknutím se zobrazí údaje o síti nastavte si zobrazení síly signálu v dbm. Přepínejte výstupní výkon na AP (přesnou hodnotu výkonů jste naměřili v předcházejícím měření) a porovnejte ho s údajem zobrazovaným v programovém vybavení karty. Zapište hodnoty výkonu naměřené programovým vybavením a porovnejte je s hodnotami naměřenými spektrálním analyzátorem. Diskutujte rozdíly. 8