引言
近年來，隨著國產手機品牌在國內國際市場的強勢崛起，智能手機領域的競爭進入了白熱化。但由于芯片和硬件技術的成熟，手機功能越來越趨同，性能參數也越來越相似，手機品牌間的差異化越來越難。與此同時，新特性和跑分參數容易給消費者造成審美疲勞。因此，消費者越來越看重手機的用戶體驗，穩定性和耐久性。因此，能否持續提供最佳的用戶體驗和信得過的品質，成為手機品牌未來能否成功的關鍵。
今天的智能手機已經不再是簡單的通訊工具，而是一個讓人們能夠隨時隨地聯網，工作和娛樂的個人計算平臺——而互聯網連接，是工作和娛樂的基礎。目前手機上提供網絡連接的有兩大技術，一是從伴隨著手機誕生的蜂窩移動網絡，二是在稍晚出現但飛速發展的IEEE802.11無線局域網——更多的以WiFi這個名稱為人熟知。802.11技術工作在非授權頻段，具有成本低，速率高，部署簡單，覆蓋廣的特點。在家庭，商場，酒店，企業內部，公共設施等場合都是用戶接入互聯網的首選方式。 根據運營商統計，無論在數據量上，還是在使用時間上手機WiFi都大大超過了移動通信。
圖1. 手機用戶移動網絡和WiFi使用比例
由于WiFi部件承載了智能手機用戶最多的數據流量和使用時間，WiFi部件的性能與質量很大程度地影響著用戶的使用體驗。然而今天，由于部分手機品牌對WiFi部件質量不夠重視，造成了手機用戶體驗下降和品牌認可度降低。其中，WiFi信號弱，上網速度慢， 延遲高等幾大問題受到較多的用戶投訴，給這些手機品牌的形象帶來了負面影響。因此，如何提高手機WiFi的質量成為各個廠商亟待重視的問題。本文將嘗試從技術角度，分析產生以上手機WiFi質量問題的深層次原因及應對方法，并揭示完整的WiFi測試對于智能手機的重要性。
一、信號差
通過查看手機屏幕上方的WiFi圖標，用戶可以直接了解到當前WiFi信號的強弱。有時候兩個不同品牌的手機明明在相同的位置，顯示的信號格數卻不同，于是用戶就會抱怨信號格數少的手機的WiFi信號差。這與手機WiFi接收機的性能有關。WiFi部件在與路由器連接狀態下，射頻接收機會定期測量AP發出的廣播數據包，算出RSSI值（接收信號強度指示標識）。再根據RSSI值的大小，在操作系統上顯示出信號的強弱。正常情況下，手機距離路由器越近，RSSI值越高，表示接收到的WiFi信號越強；手機距離路由器越遠，RSSI越低，表示WiFi信號越弱。
經過校準和測試過的手機，測量得到的RSSI值和信號格數與真實的接收信號強度一致，對下行信號的接收性能也比較好。而沒有接受過校準測試的手機，RSSI值和信號格數與真實的接收信號不一致，對下行信號的接收性能較差 。因此沒有進行接收機校準測試的手機WiFi不僅顯示信號弱，而且上網速度和工作的范圍都要差于經過校準測試的手機。往往在正常手機能夠接收到WiFi信號的地方已經顯示沒有信號了，用戶體驗不佳。
另一種情況，有時候用戶手機上明明能看見WiFi信號在一格以上，實際的上網速度卻非常慢，甚至形同斷網，用戶體驗受到嚴重影響。手機顯示有信號說明接收機沒有問題，那么問題出在哪兒？問題出在手機的發射機功率上。對手機來說發射機功率非常重要——發射功率過高，會使手機耗電過快，需要頻繁充電。而發射功率過低，會使上行信號經過路徑衰減后無法正常抵達路由器的接收天線，從而降低了手機的實際工作范圍。因此，在手機生產制造過程中我們需要對WiFi發射功率進行嚴格的校準和測試，以確保發射功率的準確性。
由于無線通信是雙向的，通過在生產制造過程中對手機WiFi發射功率和接收機靈敏度進行嚴格的校準和測試，我們可以確保手機的上行鏈路和下行鏈路在最大工作范圍內保持匹配，而不會出現其中之一拖后腿的情況。
圖2：手機發射機和接收機校準測試的影響
第三種情況，由于WiFi主要工作在非授權頻段，頻譜比較擁擠，所以有經驗的用戶常常會選擇將路由器切換到干擾較小的頻點。但當用戶手機使用不同頻點接入路由器時，有時會發現信號強度和上網速率會有明顯下降。這是因為WiFi工作在兩個主要頻段，2.4GHz和5GHz。每個頻段都細分為多個頻點，如2.4GHz頻段就有從2412MHz到2484MHz的14個可用頻點，而5GHz頻段由于帶寬更寬，則有分布在5180MHz到5825MHz范圍內的24個頻點。對手機WiFi部件來說，不同頻段的不同頻點的射頻性能表現會有很大不同。因此在生產測試過程中時，應該對這兩個頻段內的多個頻點依次進行校準和測試，從而保證手機出廠后在2.4GHz和5GHz的所有頻點都能夠正常工作。
二、上網速度不夠快
接下來我們討論上網速度。WiFi作為一種無線局域網技術，比蜂窩移動通信覆蓋范圍小，終端位置不變或只有低速移動。所以WiFi信號所處無線信道的頻率選擇性和空間正交性都要優于廣覆蓋的蜂窩網絡。因此WiFi可以更好的利用高帶寬和多天線技術的優勢實現大幅度的速率提升。目前市場主流的802.11ac Wave 2產品已經能支持高達160MHz帶寬以及MU-MIMO多用戶技術。以高通的驍龍835/836移動平臺為例，它支持802.11ac 2x2 MU-MIMO，吞吐率比前代產品提升一倍以上。而未來的手機移動平臺將會支持更高的帶寬和更多的MIMO天線數。
然而，如果在生產制造過程中忽略了對這些新的特性進行測試，很可能導致產品在實際使用中出現上網速度慢的問題。例如：很多早期的測試儀表只支持80MHz或40MHz以下帶寬信號的生成和解調，導致在生產測試中部分高速率模式沒能得到測試，因此我們無法得知產品在高速率模式下是否存在質量問題，產品上市后將存在質量風險。雖然一些廠家采取了頻譜拼接的方法去獲得手機射頻模塊的發射機測試結果。但由于采用了非實時采樣（分多次抓取），這樣的結果無法最準確反映信號的真實特性，存在一定程度的誤差。而LitePoint最新一代的無線通信測試儀IQXel-MW支持160MHz的信號解調和產生，可以對這些高速率模式進行完整準確的測試。
而對MIMO的測試也存在相似的問題，由于早期的儀表大多只含有一套VSA/VSG組合，因此同一時間只能對一條射頻鏈路進行驗證。對于支持MIMO的手機，只能采用分時切換的方式對每一條射頻鏈路依次驗證。采用這種做法的廠家無法得知DUT工作在MIMO模式時的真實性能表現。而IQXel-MW通過配置能夠支持最多4~8路MIMO通道同時測試，因此能夠支持MIMO場景下的手機射頻鏈路性能測試。
圖3.不同帶寬和MIMO天線數的組合
三、延時大
一些新的熱門互聯網應用比如在線游戲，由于其實時性和交互性，對網絡時延的要求很高。時延越低，游戲體驗越好，時延越高，游戲體驗越差，甚至無法正常游戲。因此時延是我們評估智能手機聯網性能的一個重要指標。造成時延的原因有很多。由于IEEE802.11是工作在TCP/IP協議之下的MAC層和物理層協議，采用了CSMA/CD的沖突避免機制。因此，WiFi無線網絡的時延主要是由于手機信號質量不佳或者來自于其他WiFi設備的干擾引起多次重傳造成的。而手機的接收機性能不好也會導致下行的重傳增多。
我們評估手機WiFi發射信號質量的主要指標是EVM，即誤差適量幅度。EVM反映了手機發射機信號IQ調制偏離理想值的程度。EVM越高，信號質量越差，再經過無線信道的衰減之后，路由器接收機就很難正常解調該信號，造成丟包和重傳，從而延長了傳輸延時。因此我們期望在手機發射端的信號質量應該盡可能好，這樣才能保證傳輸的穩定和低延時。在手機生產制造過程中，我們使用測試儀表的VSA（矢量信號分析儀）對手機發射機發出的射頻信號進行解調分析，計算得出EVM值。
由于EVM值反映的是射頻鏈路的噪聲性能，因此如果測試儀表的底噪過高，就會疊加到被測信號而影響EVM測量結果的準確度。一般來說，儀表的底噪要低于EVM規范要求的10dB左右。例如，11ac 256QAM信號的EVM要求不能高于-32dB，VSA的底噪需要低于-42dB才能夠得到相對準確的EVM測量結果。而下一代的802.11ax標準要求支持1024QAM的調制，EVM要求達到了-35dB。目前LitePoint IQXel-MW的EVM指標達到了-48dB，相對于11ax的要求有13dB以上的余量，因此能夠精確測量這些高階調制信號的EVM值。除了EVM以外，頻率誤差和符號時鐘誤差也是衡量手機WiFi信號質量的重要指標，需要使用測試儀表對這兩個指標進行測試。
圖4. 不同調制階數的EVM指標要求
手機之間WiFi信號互相干擾的一個重要原因是相鄰信道之間的干擾。這項干擾主要是由于鄰信道泄露造成，鄰信道泄露比（ACLR）反映了手機發射機信號泄露到相鄰信道的能量比例。這個比例越高，對其他頻點工作中的手機信號干擾越大。如果手機的鄰信道抑制不佳，則對環境造成的干擾會很大，整個網絡的重傳就會因此增多，造成延時增加和吞吐率下降。在802.11標準中，主要是通過頻譜發射模板（Transmit Spectral Mask）來對手機信號的頻譜性能進行評估。我們需要通過測試設備的頻譜發射模板測試功能來對手機的這個指標進行評估，以保證產品在實際工作中盡量減少對相鄰信道的干擾。
手機的接收機性能對時延來說也非常重要，一個良好的接收機能夠正確接收對方發出的數據包。如果接收失敗，則會造成重傳以及數據速率下降。從而產生較大的時延。評估接收機性能的方法主要是由測試儀表的VSG（矢量信號發生器）發出不同MCS（調制編碼方案）的WiFi標準信號，通過測量手機接收機的PER（誤包率）來判斷接收機的性能。對于VSG來說，要求支持比較大的動態范圍，并且對底噪也有較高的要求。而IQXel-MW的VSG底噪在-48dB以下，動態范圍大，完全滿足WiFI接收機測試的要求。
結語
今天，智能手機在我們的生活中已經幾乎不可或缺，各大智能手機品牌還在不斷的進行技術革新。但無論智能手機增加什么樣的新特性和新功能，其中的WiFi部件依然承載著最多的網絡流量。因此WiFi部件的性能和品質制約了智能手機用戶的使用體驗和智能手機的品牌認可度。本文嘗試從技術角度，分析了智能手機中常見的WiFi質量問題如信號強度，速率以及延時等的成因。又從測試角度，探討了手機制造企業如何在生產制造過程中進行完整準確的測試，從而能夠最大程度避免這些潛在的質量問題。
推薦閱讀：
高效率、低功率轉換IC是如何改善可穿戴設備性能的？
簡單分析一下MCU破解技術
分享設計射頻電路電源的要點與經驗
深度解析電感的結構、分類及特性
