Wi-Fi 6/6E 特性分析 (四)：運用波峰因數與 CCDF進行非線性失真與訊號壓縮量測
最新的無線通訊標準 Wi-Fi 6 (802.11ax) 導入了多項新技術，用以改善前幾代標準的固有缺點，然而，這些技術上的進步也對 Wi-Fi 測試的能力，特別是在射頻功率量測方面，形成了新的挑戰；當傳統的量測方法已不足以全面地描述高效能 Wi-Fi 6 晶片組與裝置的特性時，波峰因數 (Crest Factor) 量測以及如互補式累積分布函數 (CCDF) 這類的統計分析圖表，便成為解決 Wi-Fi 功率量測需求的寶貴分析工具。
波峰因數 (Crest Factor)
用於 Wi-Fi 傳輸的數位調變訊號，其在時域上的波形表現得相當類似雜訊，因此，僅憑平均功率這類典型的特性參數，往往不足以進行全面的評估；相較之下，峰值功率量測已成為一種更具實用性的分析方法，並可藉此計算出一個稱為波峰因數的關聯性指標，該指標亦稱為峰值平均功率比 (Peak-to-Average-Power Ratio, PAPR)，是訊號的峰值振幅與其平均功率之間的比值，能協助工程師深入理解特定波形中功率峰值的劇烈程度。
Wi-Fi 6 因為能夠支援高達 1,992 個子載波，加上每個子載波的調變方式最高可達 1024-QAM，使其通常具有很高的波峰因數；舉例來說，圖 1 僅使用四個頻率音調來說明子載波及其調變方式如何影響波形波峰因數的大小，深藍色的波形代表了全部四個音調的總和訊號，最終在整體功率上產生了一個極端的峰值；雖然工程師採用各種技術來滿足對更高資料傳輸率持續增長的需求，但這些方法也同時推升了波峰因數的數值。
圖 1：四個正弦波子載波的總和，導致偶爾出現的劇烈功率峰值。
如此升高的波峰因數量測值可能危及通訊鏈路中的訊號保真度，並對放大器等元件的線性行為產生負面影響；在圖 2 所示的範例中，放大器線性度的判定是透過輸入一個調變訊號，並使用峰值功率感測器量測其輸入與輸出訊號的波峰因數來完成。
圖 2：相似的輸入與輸出訊號波峰因數驗證了放大器的線性度 (左圖)，而相異的波峰因數則表示其非線性效能 (右圖)。
在左側的初始圖表中，兩個波峰因數非常接近，這表示了元件的線性運作狀態；然而，在右側的結果圖表中，將輸入至放大器的功率提高後，導致波峰因數之間出現明顯差異，這即表示了元件的非線性特徵。
Boonton RTP5000 系列 USB 射頻峰值功率感測器，包含了專為 Wi-Fi 6 應用設計的 RTP5008 感測器，極其適合用來量測寬頻寬 Wi-Fi 訊號的波峰因數；透過 Boonton Power Analyzer 軟體進行感測器控制、訊號擷取與波形分析，使用者可以輕易地判定 Wi-Fi 波形的最大波峰因數。
CCDF
為了不僅止於最大波峰因數，而是能更進一步量化這些類似雜訊的調變 Wi-Fi 訊號，工程師可以運用一種稱為 CCDF 的統計分析工具來觀察波峰因數的出現頻率；CCDF 圖表的 X 軸代表高於平均訊號功率的功率值 (以 dB 表示)，而圖表的 Y 軸則代表訊號功率大於或等於 X 軸所定義之平均功率的出現機率。
值得注意的是，相較於追蹤不同功率位準下增益變化的常用方法，CCDF 圖表能更精確地描繪出訊號壓縮的真實情況；雖然前者是普遍的作法，但這種方式有時會因為僅顯示微小的 dB 值下降而產生誤導，反觀 CCDF 曲線則能揭示訊號壓縮的真實程度。
圖 3 展示了一個繪製量測波峰因數的 CCDF 範例，在應用所設定的 0.01% 波峰因數出現率條件下，左側圖表驗證了元件的線性運作，因為 CH1 輸入 (黃色) 與 CH2 輸出 (藍色) 的波峰因數曲線在 99.9% 的時間內幾乎完全相同；而在右側圖表中，輸入至放大器的功率已被提高，導致波峰因數量測值出現差異，這明確地指出了輸出訊號已發生壓縮，且放大器呈現非線性。
圖 3：CCDF 圖表可揭示線性運作 (左圖) 或訊號壓縮 (右圖) 的情況。
即使 CCDF 圖表顯示輸出波峰因數降低了將近 3 dB，但放大器的增益僅降低了 0.2 dB，這種現象掩蓋了壓縮的真實幅度。
Boonton RTP5000 系列搭配 Boonton Power Analyzer 軟體，不僅能對超寬頻寬的 Wi-Fi 波形進行 CCDF 統計分析，還能提供補充的訊號資料，以偵測如通訊功率放大器等關鍵元件的訊號壓縮情況；此外，Boonton RTP5000 系列感測器亦可與 PMX40 射頻功率計協同運作，在提供 USB 感測器多功能性與卓越效能的同時，也能帶來桌上型儀表的操作體驗，該桌上型儀表提供一個「統計模式」，能清晰地繪製 CCDF 曲線，對 Wi-Fi 晶片組的效能進行徹底評估；Boonton RTP5000 系列與便利的 Boonton Power Analyzer 軟體，已準備好透過精確判定波峰因數與繪製 CCDF 圖表，來應對現今 Wi-Fi 6 訊號的嚴苛測試需求。
