駕馭 Wi-Fi 6 訊號：以波峰因數與互補累積分布函數實現精確功率分析
隨著無線通訊技術邁入嶄新的紀元，最新的 Wi-Fi 6 (IEEE 802.11ax) 無線標準應運而生，其核心目標在於顯著提升網路容量、傳輸效率，並優化在高密度使用者環境下的效能表現，從而有效緩解過往無線網路世代所面臨的瓶頸。為了達成這些技術躍升，Wi-Fi 6 引入了包括 正交頻分多重存取 (OFDMA)、多使用者多輸入多輸出 (MU-MIMO) 等先進技術。然而，這些技術革新在提升通訊品質的同時，也對既有的 Wi-Fi 測試 方法，尤其是在 射頻 (RF) 功率量測 方面，提出了更為嚴峻的挑戰。
傳統的功率量測手段，例如僅關注 平均功率 的方式，已逐漸無法充分且精確地描繪高效能 Wi-Fi 6 晶片組 與終端設備的複雜訊號特性。在此背景之下，波峰因數 (Crest Factor) 的精確量測以及 互補累積分布函數 (CCDF) 等統計分析工具的重要性日益凸顯，它們正成為工程師們深入理解並有效應對 Wi-Fi 功率量測 新需求的關鍵利器。
波峰因數的深入探討
如同 Wi-Fi 無線傳輸 系統中所廣泛採用的數位調變技術所產生的訊號，在時間域的觀察下，往往呈現出類似隨機雜訊的複雜波形。因此，單純依賴如 平均功率 這類傳統的訊號特性描述參數，已不足以完整捕捉其瞬時的功率變化與潛在的訊號峰值特性。峰值功率 量測因此躍升為一種更具價值的分析方法，它能夠直接反映訊號在短時間內的最高功率水準，並進一步促成了 波峰因數 這個重要指標的計算。波峰因數，在工程領域中亦常被稱為 峰值平均功率比 (PAPR)，其本質是訊號在特定時間點的 峰值振幅 或功率與其時間平均功率的比值。這個比值對於工程師而言至關重要，它能夠清晰地揭示特定波形中功率峰值相對於平均功率的極端程度，進而評估訊號的動態範圍以及對系統元件可能造成的壓力。
Wi-Fi 6 標準由於其卓越的頻譜利用效率，能夠支援高達 1992 個 子載波 進行並行資料傳輸，並且每個 子載波 更可採用高階調變方式，最高可達 1024-QAM (正交幅度調變)，這使得合成訊號的 波峰因數 通常會顯著偏高。為了更直觀地理解 子載波 及其調變方式如何影響波形的 波峰因數 大小，圖一提供了一個簡化的範例。在這個範例中，僅使用了四個不同頻率的正弦 子載波 進行疊加。觀察圖中的深藍色波形，它是這四個獨立頻率成分訊號的總和結果，可以清晰地看到在某些時間點，總和訊號會產生明顯且劇烈的功率峰值。
圖一：四個正弦 子載波 的線性疊加會在特定時刻產生顯著的功率峰值。
隨著工程師們不斷導入和優化各種先進技術，以滿足市場對更高資料傳輸速率持續增長的需求，這些技術手段在提升資料吞吐量的同時，也往往會導致無線訊號的 波峰因數 進一步攀升。例如，更複雜的調變方案和更密集的 子載波 使用，都可能增加訊號的峰值功率與平均功率之間的差距。然而，如此升高的 波峰因數 量測結果可能會對整個通訊鏈路的 訊號保真度 構成潛在威脅，尤其容易對射頻前端元件（如 功率放大器、混頻器等）的 線性特性 產生不利影響，導致訊號失真、頻譜洩漏等問題，最終降低系統的整體性能。
為了具體評估 放大器 的 線性度，工程師通常會採用如圖二所示的測試方法。在這個實驗場景中，一個經過調變的測試訊號被輸入到 放大器，然後使用高精度的 峰值功率感測器 分別量測輸入訊號和輸出訊號的 波峰因數。在左側的初始圖表中，輸入訊號和輸出訊號的 波峰因數 数值非常接近，這明確地表明了 放大器 在當前工作條件下具有良好的 線性。然而，當實驗人員逐步增加輸入到 放大器 的訊號功率時，如右側圖表所示，輸入和輸出訊號的 波峰因數 之間開始出現明顯的差異，這清楚地指示了 放大器 的工作狀態已進入 非線性 區域，導致輸出訊號產生了可觀的失真。
圖二：輸入和輸出訊號之間相似的 波峰因數 數值驗證了 放大器 的 線性度（左圖）；而當 波峰因數 出現顯著差異時，則表明 放大器 性能已進入 非線性 狀態（右圖）。
針對上述 Wi-Fi 6 訊號的 波峰因數 量測需求，Boonton 推出了高性能的 RTP5000 系列 USB 射頻峰值功率感測器，其中包括最新發布且專為 Wi-Fi 6 應用優化的 RTP5008 感測器。這些感測器與 Boonton Power Analyzer 軟體 完美整合，為使用者提供了強大的感測器控制、即時訊號捕獲和全面的波形分析功能。透過這套解決方案，使用者可以輕鬆且精確地確定 Wi-Fi 波形 的最大 波峰因數，從而深入了解訊號的動態特性。
互補累積分布函數 (CCDF) 的統計分析
為了更全面地量化類似雜訊的調變 Wi-Fi 訊號 的統計特性，而不僅僅依賴其最大 波峰因數 這一個單一指標，工程師可以進一步借助稱為 互補累積分布函數 (CCDF) 的強大統計分析工具，來觀察和分析 波峰因數 在不同功率水準下出現的頻率。在典型的 CCDF 圖 中，x 軸代表訊號功率相對於其平均功率的超額量（通常以分貝 (dB) 為單位表示），而 y 軸則表示訊號功率超過或等於 x 軸所定義的特定功率水準的發生機率。換句話說，CCDF 曲線 上的每一個點都代表著訊號在超過某個相對於平均功率的特定功率值以上的時間百分比。
一個重要的觀察是，相較於工程師們常用的透過追蹤 放大器 在不同輸入功率水準下增益變化的方法，CCDF 圖 能夠提供關於 訊號壓縮 行為更為精確的描述。雖然增益變化的方法在某些情況下很有用，但它有時可能會產生誤導，僅顯示看似微小的 dB 值下降，而 CCDF 曲線 卻能夠揭示訊號壓縮的真實程度和影響範圍。圖三展示了一個基於實際量測到的 波峰因數 所繪製的 CCDF 圖 範例。在這個範例中，假設某個應用對 波峰因數 出現的容忍機率設定為 0.01%。觀察左側的圖表，CH1 輸入訊號（黃色曲線）和 CH2 輸出訊號（藍色曲線）的 波峰因數曲線 在 99.9% 的時間內幾乎完全重合，這有力地驗證了系統在此工作條件下的 線性 運作。然而，當增加輸入到 放大器 的訊號功率後，如右側圖表所示，輸入和輸出訊號的 波峰因數 量測結果之間出現了明顯的差異，這清楚地表明輸出訊號發生了 壓縮，並且 放大器 的工作狀態已進入 非線性 區域。更令人注意的是，儘管 CCDF 圖 顯示輸出訊號的 波峰因數 降低了將近 3 dB，但此時量測到的 放大器增益 僅下降了 0.2 dB，這充分說明了傳統的增益變化量測方法可能會掩蓋訊號壓縮的真實幅度。
圖三：CCDF 圖 能夠清晰地揭示系統的 線性 運作狀態（左圖）或 訊號壓縮 的程度（右圖）。
為了應對複雜的 Wi-Fi 訊號 分析需求，Boonton 的 RTP5000 系列 及其配套的 Boonton Power Analyzer 軟體 提供了強大的 CCDF 統計分析 功能，能夠處理超寬 頻寬 Wi-Fi 波形，並提供額外的訊號數據，以便精確檢測包括通訊 功率放大器 等關鍵元件的 訊號壓縮 行為。此外，Boonton 的 RTP5000 系列感測器 還可以與 PMX40 射頻功率計 協同工作，在提供桌上型儀器便利操作體驗的同時，依然保持了 USB 感測器的多功能性和卓越性能。這款桌上型功率計內建「統計模式」，能夠清晰地繪製 CCDF 曲線，為工程師提供對 Wi-Fi 晶片組 性能的全面評估。
滿足新一代 Wi-Fi 6 的嚴苛測試需求
綜上所述，面對新一代 Wi-Fi 6 訊號 所帶來的測試挑戰，Boonton 的 RTP5000 系列，包括最新推出的高性能 RTP5008 感測器，以及操作便捷的 Boonton Power Analyzer 軟體，已經做好了充分的準備。這些先進的工具不僅能夠精確地測定 Wi-Fi 6 訊號 的關鍵參數 波峰因數，還能夠產生詳細的 CCDF 圖，從而幫助工程師深入理解訊號的統計特性和潛在的非線性行為。