應用高速數據采集卡實現無線局域網絡基頻發(fā)射模塊測試系統

摘要
隨著各種無線通訊標準的訂定，無線通訊裝置的測試一直是芯片或設備廠商面臨的巨大挑戰(zhàn)之一。由于無線通訊訊號較為特殊，在測試時需要高速 (采樣高頻訊號) 與高精度 (提供足夠的動態(tài)范圍) 的數據采集裝置，搭配適當的數據分析軟件方能完成。在本文中，我們以凌華科技的高速資料采集卡 – PXI-9820 為核心，配合基于 MATLAB 所開發(fā)的測試程序，進行 Wireless LAN 基頻發(fā)射模塊的效能測試。我們將采集基頻訊號經正交分頻多任務 (OFDM) 調變后的 I/Q  (in-phase/quadrature) 訊號，并進行解調與演算，最后得出 EVM (Error Vector Magnitude) 值，作為判斷基頻發(fā)射模塊是否良好的重要指標。

近年來已有不少公司推出高速數據采集卡 (High Speed Data Acquisition Card), 并且聲稱可以應用在軍用雷達信號分析、超聲信號分析、數字廣播信號分析，或是噴墨式墨盒系統測試等各個方面。仔細觀察一下這些高速數據采集卡的規(guī)格: 20～100 MS/s 的采樣頻率，30～60MHz 的帶寬，可以供多組模擬信號同時輸入，同時模擬輸入的范圍可通過軟件選擇… 等等，的確是有條件可以勝任上述應用，可惜能在報章雜志上見到的應用實例并不多, 也因此無法一窺其中的癥結與奧秘?；诖嗽?，本文擬以凌華科技最近推出的PXI-9820 高速數據采集卡為核心，設計一套成本低廉、 功能彈性且適于大量復制的WLAN發(fā)射模塊實時誤差向量幅度（real-time Error Vector Magnitude, EVM）測試系統，以期能提供給芯片設計與系統生產廠商另一個思考方向。

系統構成
該系統共分成三大部份：WLAN發(fā)射模塊、高速數據采集卡及控制器模塊、軟件接口和EVM計算分析軟件模塊。 
1.    WLAN發(fā)射模塊：
1)    市售無線網卡(802.11.a) + card bus：     WLAN發(fā)射模塊主體。
2)    Analog Device Instrument (ADI) 的Evaluation board： 將I+，I–，Q+，Q–差分信號轉為單端輸出電路之I，Q信號。
2.    高速數據采集卡及控制器模塊：
1)    ADLINK PXI-3800：     Pentium-M 1.6GHz PXI 控制器，實時信號處理。
2)    ADLINK PXIS-2506：    3U 6-slot PXI 便攜式機箱。
3)    ADLINK PXI-9820：    3U PXI 65MS/s，14-bit digitizer with on-board 128MB SDRAM，采集IQ 信號。
3.    軟件接口和EVM計算分析軟件模塊：
1)    ADLINK in-house 無線網卡信號控制程序：控制WLAN卡重復的產生傳送封包(frame)并傳送封包。
2)    ADLINK in-house 實時 I-Q 信號分析程序：進行離散快速傅利葉轉換，64-QAM，計算EVM等。

圖1為測試系統的示意方塊圖。PXI-3800控制器執(zhí)行無線網卡信號控制程序，通過 card bus 使無線網卡不斷的輸出待量測的Tx 信號。因為網卡上的輸出信號為I+，I–，Q+，Q–的差分信號 (differential ended)，但是我們用的信號采集卡為2個通道(channel)的單端輸入(single ended)，所以需要用一個轉換電路來完成差分信號轉換單端輸出，這部份我們用Analog Device Instrument (ADI) 的Evaluation board來加以實現。最后將這個待分析的基頻IQ信號輸入PXI-9820，并以in house 的實時 I-Q 信號分析程序在PXI-3800上進行FFT、 EVM等分析。圖2則為實際的基頻發(fā)射模塊測試系統。
圖1  測試系統方塊圖
圖2  基頻發(fā)射模塊測試系統

原理
    在 IEEE 802.11a 的規(guī)格中定義了如圖3的無線局域網絡傳送/接收的工作原理，物理層(physical layer，PHY)采用正交頻分復用 (OFDM　Orthogonal Frequency Division Multiplexing)的技術，將不同頻率載波中的大量信號合并成單一的信號，完成信號傳送。在發(fā)射端 (Tx, Transmitter)，每個信號封包(frame)傳送之前先利用反快速傅利葉轉換(IFFT)來調變傳送的信號；接著再利用相位-振幅調變 (IQ modulation，I: in-phase，Q: quadrature) 分別將相位-振幅信號取出；最后用射頻 (RF，Radio Frequency) 電路將信號從基頻(base band) 上變頻到 5G Hz的頻帶再傳送出去。接收端 (Rx，Receiver)則是先將射頻(RF，Radio Frequency)信號降頻到基頻，再分別解調變出 IQ 信號后，利用快速傅利葉轉換(FFT)還原每一個傳送的信號封包。
為了聚焦本文的主題--高速數據采集卡的應用實例，我們在WLAN電路與信號處理上做了幾個簡化：
(1) 跳過RF射頻電路，直接采集Base band基頻的信號來分析。
(2) IQ 解調變電路是以兩片ADI 的Evaluation board來實現。
(3) 時序同步與采樣時鐘同步等議題并不特別討論。我們在單端的 IQ信號之后定義了一個簡單的閾值(threshold value) ，讓接收端可以在解調子載波前找到符號邊界(symbol boundary)。
(4) 并未實現細部的信號處理技巧(譬如data descrambler/convolutional encoder/data interleaving/normalize average power/windowing function…)
通過我們實際完成的系統效果來看，上述的簡化對本文的目的尚可接受。
    圖3  無線局域網絡傳送/接收的運作原理

此外，每一次傳送的封包 (frame) 架構如圖4，其中 802.11a/g 規(guī)范了同步碼 (preamble) 部分，首先需要先發(fā)射10個重復的短訓練序列(short training sequence，共8μ second)，后面跟著2個重復的長訓練序列(long training sequence，總共也是8μ second)，兩者都是以 BPSK 方式調變。后續(xù)的SIGNAL 與 Data 部分(皆為 4μ second)則是以 OFDM/64-QAM 方式調變。Data 的數目為任意，可以由程控。
圖4  傳送封包 (frame) 架構

測試方法
測試信號量測
測試系統的任務是對WLAN電路板的特定位置進行基頻的信號測量(圖（一）中的Testing Point)，電路在 Guard Interval (GI) Addition 后分別接出兩組測點I+, I-, Q+, Q-。這兩組信號為 I 與 Q的差分信號 (differential signal)，通過一組ADI的差分信號轉單端(single end) 輸出的電路，我們將I與Q的信號以單端、兩個頻道的方式輸入 PXI-9820 Digitizer。PXI-9820 的采樣速率設定為 60MS/s，分辨率為14-bit，觸發(fā)模式設定為 middle trigger。
測試信號產生
發(fā)射端的基頻信號封包frame是由ADLINK 自行開發(fā)的無線網卡信號控制程序產生。程序會不斷重復的產生傳送frame，每一個封包的 preamble符號串(symbol sequences，包括兩個short 和兩個 long symbols) 都是依照 802.11a 規(guī)范的訓練符號 (training symbol)依序產生。Data的長度與內容為任意，封包與封包的時間間隔也是任意設定的。在本測試中，Data的長度設定在4096