應(yīng)用高速數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)WLAN絡(luò)基頻發(fā)射模塊測試系統(tǒng)

　　隨著各種無線通訊標(biāo)準(zhǔn)的制訂，無線通訊裝置的測試一直是芯片或設(shè)備廠商面臨的巨大挑戰(zhàn)之一。由于無線通訊信號(hào)較為特殊，在測試時(shí)需要高速(采樣高頻信號(hào))與高精度(提供足夠的動(dòng)態(tài)范圍)的數(shù)據(jù)采集裝置，搭配適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)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(jìn)行 Wireless LAN 基頻發(fā)射模塊的效能測試。我們將采集基頻信號(hào)經(jīng)正交分頻多任務(wù)(OFDM)調(diào)變后的I/Q(in-phase/quadrature)信號(hào)，并進(jìn)行解調(diào)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(biāo)。


圖1  測試系統(tǒng)方塊圖


圖2  基頻發(fā)射模塊測試系統(tǒng)

　　近年來已有不少公司推出高速數(shù)據(jù)采集卡 (High Speed Data Acquisition Card), 并且聲稱可以應(yīng)用在軍用雷達(dá)信號(hào)分析、超聲信號(hào)分析、數(shù)字廣播信號(hào)分析，或是噴墨式墨盒系統(tǒng)測試等各個(gè)方面。仔細(xì)觀察一下這些高速數(shù)據(jù)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(hào)同時(shí)輸入，同時(shí)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(yīng)用，可惜能在報(bào)章雜志上見到的應(yīng)用實(shí)例并不多, 也因此無法一窺其中的癥結(jié)與奧秘?；诖嗽颍疚臄M以凌華科技最近推出的PXI-9820 高速數(shù)據(jù)采集卡為核心，設(shè)計(jì)一套成本低廉、 功能彈性且適于大量復(fù)制的WLAN發(fā)射模塊實(shí)時(shí)誤差向量幅度(real-time Error Vector Magnitude, EVM)測試系統(tǒng)，以期能提供給芯片設(shè)計(jì)與系統(tǒng)生產(chǎn)廠商另一個(gè)思考方向。

　　該系統(tǒng)共分成三大部份：WLAN發(fā)射模塊、高速數(shù)據(jù)采集卡及控制器模塊、軟件接口和EVM計(jì)算分析軟件模塊。

　　1. WLAN發(fā)射模塊：

　　1) 市售無線網(wǎng)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(hào)轉(zhuǎn)為單端輸出電路之I，Q信號(hào)。

　　2. 高速數(shù)據(jù)采集卡及控制器模塊：

　　1) ADLINK PXI-3800：  Pentium-M 1.6GHz PXI 控制器，實(shí)時(shí)信號(hào)處理。

　　2) ADLINK PXIS-2506： 3U 6-slot PXI 便攜式機(jī)箱。

　　3) ADLINK PXI-9820： 3U PXI 65MS/s，14-bit digitizer with on-board 128MB SDRAM，采集IQ 信號(hào)。

　　3. 軟件接口和EVM計(jì)算分析軟件模塊：

　　1) ADLINK in-house 無線網(wǎng)卡信號(hào)控制程序：控制WLAN卡重復(fù)的產(chǎn)生傳送封包(frame)并傳送封包。

　　2) ADLINK in-house 實(shí)時(shí) I-Q 信號(hào)分析程序：進(jìn)行離散快速傅利葉轉(zhuǎn)換，64-QAM，計(jì)算EVM等。

　　圖1為測試系統(tǒng)的示意方塊圖。PXI-3800控制器執(zhí)行無線網(wǎng)卡信號(hào)控制程序，通過 card bus 使無線網(wǎng)卡不斷的輸出待量測的Tx 信號(hào)。因?yàn)榫W(wǎng)卡上的輸出信號(hào)為I+，I-，Q+，Q-的差分信號(hào) (differential ended)，但是我們用的信號(hào)采集卡為2個(gè)通道(channel)的單端輸入(single ended)，所以需要用一個(gè)轉(zhuǎn)換電路來完成差分信號(hào)轉(zhuǎn)換單端輸出，這部份我們用ADI的Evaluation board來加以實(shí)現(xiàn)。最后將這個(gè)待分析的基頻IQ信號(hào)輸入PXI-9820，并以in house 的實(shí)時(shí) I-Q 信號(hào)分析程序在PXI-3800上進(jìn)行FFT、 EVM等分析。圖2則為實(shí)際的基頻發(fā)射模塊測試系統(tǒng)。


圖3  無線局域網(wǎng)絡(luò)傳送/接收的運(yùn)作原理

圖4  傳送封包 (frame) 架構(gòu)

　　原理

　　在 IEEE 802.11a 的規(guī)格中定義了如圖3的無線局域網(wǎng)絡(luò)傳送/接收的工作原理，物理層(physical layer，PHY)采用正交頻分復(fù)用 (OFDM　Orthogonal Frequency Division Multiplexing)的技術(shù)，將不同頻率載波中的大量信號(hào)合并成單一的信號(hào)，完成信號(hào)傳送。在發(fā)射端 (Tx, Transmitter)，每個(gè)信號(hào)封包(frame)傳送之前先利用反快速傅利葉轉(zhuǎn)換(IFFT)來調(diào)變傳送的信號(hào)；接著再利用相位-振幅調(diào)變 (IQ modulation，I: in-phase，Q: quadrature) 分別將相位-振幅信號(hào)取出；最后用射頻 (RF，Radio Frequency) 電路將信號(hào)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(hào)降頻到基頻，再分別解調(diào)變出 IQ 信號(hào)后，利用快速傅利葉轉(zhuǎn)換(FFT)還原每一個(gè)傳送的信號(hào)封包。

　　為了聚焦本文的主題—高速數(shù)據(jù)采集卡的應(yīng)用實(shí)例，我們在WLAN電路與信號(hào)處理上做了幾個(gè)簡化：

　　(1) 跳過RF射頻電路，直接采集基頻的信號(hào)來分析。

　　(2) IQ 解調(diào)變電路是以兩片ADI 的Evaluation board來實(shí)現(xiàn)。

　　(3) 時(shí)序同步與采樣時(shí)鐘同步等議題并不特別討論。我們在單端的 IQ信號(hào)之后定義了一個(gè)簡單的閾值，讓接收端可以在解調(diào)子載波前找到符號(hào)邊界(symbol boundary)。

　　(4) 并未實(shí)現(xiàn)細(xì)部的信號(hào)處理技巧(譬如data descrambler/convolutional encoder/data interleaving/normalize average power/windowing function...)


圖5  系統(tǒng)量測結(jié)果，包括IQ 信號(hào)，BPSK，64-QAM，與EVM

　　通過我們實(shí)際完成的系統(tǒng)效果來看，上述的簡化對本文的目的尚可接受。

　　此外，每一次傳送的封包 (frame) 架構(gòu)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(gè)重復(fù)的短訓(xùn)練序列(short training sequence，共8ms)，后面跟著2個(gè)重復(fù)的長訓(xùn)練序列(long training sequence，總共也是8ms)，兩者都是以 BPSK 方式調(diào)變。后續(xù)的信號(hào)與數(shù)據(jù)部分(皆為4ms)則是以 OFDM/64-QAM 方式調(diào)變。數(shù)據(jù)的數(shù)目為任意，可以由程控。

　　測試方法

　　測試信號(hào)量測

　　測試系統(tǒng)的任務(wù)是對WLAN電路板的特定位置進(jìn)行基頻的信號(hào)測量(圖1中的Testing Point)，電路在 Guard Interval (GI) Addition 后分別接出兩組測點(diǎn)I+, I-, Q+, Q-。這兩組信號(hào)為 I 與 Q的差分信號(hào)，通過一組ADI的差分信號(hào)轉(zhuǎn)單端(single end) 輸出的電路，我們將I與Q的信號(hào)以單端、兩個(gè)頻道的方式輸入 PXI-9820 Digitizer。PXI-9820 的采樣速率設(shè)定為 60MS/s，分辨率為14-bit，觸發(fā)模式設(shè)定為 middle trigger。

　　測試信號(hào)產(chǎn)生

　　發(fā)射端的基頻信號(hào)封包是由ADLINK 自行開發(fā)的無線網(wǎng)卡信號(hào)控制程序產(chǎn)生。程序會(huì)不斷重復(fù)的產(chǎn)生傳送封包，每一個(gè)封包的 preamble符號(hào)串(symbol sequences，包括兩個(gè)short 和兩個(gè) long symbols) 都是依照 802.11a 規(guī)范的訓(xùn)練符號(hào) (training symbol)依序產(chǎn)生。數(shù)據(jù)的長度與內(nèi)容為任意，封包與封包的時(shí)間間隔也是任意設(shè)定的。在本測試中，數(shù)據(jù)的長度設(shè)定在4096±n 個(gè)period，時(shí)間間隔是任意設(shè)定。

　　基頻信號(hào)分析

　　通過正確的觸發(fā)模式設(shè)定，PXI-9820 可以精確地從每一個(gè)封包的起點(diǎn)開始數(shù)據(jù)采樣，然后將整個(gè)封包的數(shù)據(jù)傳送至 PXI-3800 控制器的內(nèi)存中。通過 PXI-3800 強(qiáng)大的運(yùn)算能力，所有數(shù)據(jù)會(huì)進(jìn)行實(shí)時(shí)的演算，并將整個(gè) preamble 與 DATA 的部分進(jìn)行下列計(jì)算：(1)將個(gè)別的單端I，Q信號(hào)轉(zhuǎn)變成一個(gè)復(fù)數(shù)信號(hào)(I+Qi，complex signal) (2)針對每個(gè)符號(hào)(symbol)，舍棄前16點(diǎn)循環(huán)擴(kuò)展(Cyclic Extension)的部份，進(jìn)行后64點(diǎn)的FFT計(jì)算，總計(jì)有2個(gè)短訓(xùn)練序列與2個(gè)長訓(xùn)練序列的FFT計(jì)算，接著以BPSK解調(diào)變  (3)與步驟2相同，對后續(xù)的DATA 的部分進(jìn)行FFT計(jì)算，接著進(jìn)行64-QAM及星座圖(constellation)計(jì)算 (4)計(jì)算信號(hào)的EVM，作為傳輸品質(zhì)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)的量化參考值。其中EVM 的定義為：

　　z為測試信號(hào)，R為理想信號(hào)，M為量測符號(hào)數(shù)，k為樣本序號(hào)

　　測試結(jié)果

　　圖5為ADLINK 自行開發(fā)的實(shí)時(shí) I-Q 信號(hào)分析程序軟件界面。最上方綠色的信號(hào)為I part，下方的紅色的信號(hào)為Q part。仔細(xì)觀察這些信號(hào)，最左方規(guī)律的部分為preamble (short與 long) 符號(hào)串，右方不規(guī)律部分為Data。左下方標(biāo)示“I/Q Vector for PLCP preamble (BPSK)" 為preamble 經(jīng)過BPSK 編碼之后的結(jié)果。 右下方標(biāo)示“I/Q Vector for Data (64-QAM)" 為Data 經(jīng)過64-QAM 編碼之后的星座圖。中間標(biāo)示 "24.237" 為這個(gè)frame 的 EVM 值。處理完這個(gè)封包之后，系統(tǒng)可以立即采集下一個(gè)封包信號(hào)進(jìn)行處理。

　　結(jié)語

　　由本系統(tǒng)的開發(fā)過程和實(shí)際應(yīng)用情況可以看出，只要選擇規(guī)格適當(dāng)?shù)母咚贁?shù)據(jù)采集卡，搭配功能齊全的計(jì)算機(jī)，再加上一些研發(fā)人員開發(fā)的相關(guān)軟硬件接口，其實(shí)就可以很快速的設(shè)計(jì)出一套價(jià)格低廉、功能實(shí)用、又可以輕易大量復(fù)制的WLAN模塊檢測設(shè)備。也許有些讀者會(huì)覺得，要發(fā)展這些搭配的軟硬件接口會(huì)有一些難度，并且會(huì)花費(fèi)許多時(shí)間。但是我們的經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，有這種需求的產(chǎn)業(yè)，通常會(huì)有了解規(guī)格的研發(fā)人員，只要挑選到規(guī)格合適的數(shù)據(jù)采集卡，最關(guān)鍵的會(huì)是在撰寫相關(guān)的信號(hào)處理程序上，這正是了解規(guī)格的研發(fā)人員的專長，所以通常是時(shí)間的問題，不是難度的問題。到底值不值得這樣做呢？以本文為例，前端的轉(zhuǎn)換電路，對稍具經(jīng)驗(yàn)的硬件工程師來說應(yīng)該不難。后端的實(shí)時(shí) I-Q 信號(hào)分析程序，對網(wǎng)通業(yè)者來說應(yīng)該是更簡單。花不長的時(shí)間，卻換來可能讓生產(chǎn)成本大幅降低的機(jī)會(huì)。
這樣的系統(tǒng)只要再加強(qiáng)物理層(PHY)無線數(shù)字信號(hào)處理算法的功能，就可以用來驗(yàn)證發(fā)射端物理層(Tx PHY)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)性能，或是接收端相關(guān)信號(hào)處理算法的品質(zhì)。如果再搭配矢量信號(hào)發(fā)生器(VSG, Vector Signal Generator) ，那就可以用來評估發(fā)射-接收端(Tx-Rx)的硬件設(shè)計(jì)性能，也可以提供給生產(chǎn)線用做產(chǎn)品基頻性能的驗(yàn)證。當(dāng)然若再加上上變頻器(UP Converter) 與下變頻器(DOWN Converter)的電路，那就幾乎可以當(dāng)作一部真正WLAN 相關(guān)產(chǎn)品的測試機(jī)了。

　　WLAN廠商(包括芯片設(shè)計(jì)，系統(tǒng)生產(chǎn))目前面臨著非常巨大的商機(jī)，但同時(shí)也必須背負(fù)著龐大的研發(fā)設(shè)計(jì)驗(yàn)證和生產(chǎn)測試的設(shè)備成本壓力。 而放眼未來新一代的產(chǎn)品，譬如MIMO (Multiple Input, Multiple Output) for WLAN，Ultra Wide Band (UWB)等,雖然規(guī)格是WLAN的進(jìn)階或是原理類似，但是原有的測試設(shè)備卻不見得可以使用在新產(chǎn)品上。到時(shí)是否又必須舍棄掉原有昂貴且數(shù)目眾多的驗(yàn)證和生產(chǎn)測試設(shè)備，另外再花費(fèi)巨資購置新一代的設(shè)備？ 本文利用高速數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì)一套WLAN產(chǎn)品檢測系統(tǒng)，除了可明顯縮短開發(fā)周期外，并且具有成本低廉、功能可以彈性擴(kuò)展、容易大量復(fù)制給研發(fā)人員及產(chǎn)品線使用和易于升級(jí)至下一代產(chǎn)品等優(yōu)點(diǎn)。其實(shí)相同的概念也可以運(yùn)用在 TFT-TV,、機(jī)頂盒、通訊產(chǎn)業(yè)等。關(guān)鍵在于：只要找到規(guī)格適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)采集卡，人人都可以制作出成本令人滿意的檢測系統(tǒng)。