近年來已有不少公司推出高速數(shù)據(jù)采集卡" title="高速數(shù)據(jù)采集卡">高速數(shù)據(jù)采集卡(High Speed Data Acquisition Card)，并且聲稱可以應(yīng)用在軍用雷達信號分析" title="信號分析">信號分析、超聲信號分析、數(shù)字廣播信號分析，或是噴墨式墨盒系統(tǒng)測試等各個方面。這些高速數(shù)據(jù)采集卡的規(guī)格多為：20MS/s～100MS/s的采樣頻率，30MHz～60MHz的帶寬，可以供多組模擬信號同時輸入，范圍可通過軟件選擇等。從理論上講，這些條件可以勝任上述應(yīng)用，但實際的應(yīng)用實例并不多?；诖嗽?，本文以規(guī)格適當?shù)母咚贁?shù)據(jù)采集卡為例，設(shè)計一套無線局域網(wǎng)絡(luò)(WLAN)基頻發(fā)射模塊測試系統(tǒng)，闡述其在無線局域網(wǎng)絡(luò)(WLAN)研發(fā)及批量生產(chǎn)測試設(shè)備方面的可能應(yīng)用，希望能給讀者提供更多的思路。
　　為何選擇WLAN為應(yīng)用對象呢？以臺灣網(wǎng)通正文公司(Gemtek)為例，2005年NB(筆記型計算機)內(nèi)建WLAN模塊的比例將接近90%，同時預(yù)估從第二季起內(nèi)建模塊的標準化將從802.11g提升為802.11a+g，全年的出貨量將達到2000萬～2500萬套之間。另外一家公司建漢(CyberTAN Tech.) 也預(yù)期其整體WLAN產(chǎn)品的出貨量將挑戰(zhàn)2500萬套。陽慶(GlobalSun Tech.)正式并入友勁后，也預(yù)期2005年WLAN的出貨量將挑戰(zhàn)800萬套。以上數(shù)據(jù)都顯示W(wǎng)LAN及其相關(guān)產(chǎn)品未來成長的空間還很大，誰能夠勝出取決于誰能快速設(shè)計出符合規(guī)格又可以快速大量生產(chǎn)的產(chǎn)品。這一方面有賴于研發(fā)人員對研發(fā)階段可能發(fā)生的問題的有效解決及完整的驗證；另一方面有賴于生產(chǎn)線是否有足夠的測試機臺以確保產(chǎn)品的品質(zhì)和性能。但是從現(xiàn)有測試平臺的價位與效率來看，動輒每臺數(shù)十萬人民幣及每分鐘一片的測試效率，各廠商(包括芯片設(shè)計、系統(tǒng)生產(chǎn))是否有意愿和能力購置數(shù)量如此龐大的設(shè)備以供研發(fā)單位及生產(chǎn)線使用，恐怕是未來各廠商都要傷透腦筋考慮的問題。
　　由于今后芯片和設(shè)備生產(chǎn)廠商都會加強測試實驗室的建設(shè)，同時利用更多更新的測試設(shè)備仿真實際射頻網(wǎng)絡(luò)環(huán)境并測試產(chǎn)品和網(wǎng)絡(luò)解決方案的高穩(wěn)定性和可擴展性，所以價格低廉且功能可以彈性擴展的研發(fā)驗證工具必然有其市場。本文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)計了一套成本低廉、 功能彈性且適于大量復(fù)制的WLAN發(fā)射模塊實時誤差向量幅度(real-time Error Vector Magnitude，EVM)測試系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)構(gòu)成
　　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以及軟件接口和EVM計算分析軟件模塊。
　　(1)WLAN發(fā)射模塊
　　·市售無線網(wǎng)卡(802.11.a)+card bus：WLAN發(fā)射模塊主體；
　　·Analog Device Instrument(ADI)的Evaluation board：將I+、I-、Q+、Q-差分信號轉(zhuǎn)為單端" title="單端">單端輸出電路的I、Q信號。
　　(2)高速數(shù)據(jù)采集卡及控制器模塊
　　·ADLINK PXI-3800：Pentium-M 1.6GHz PXI控制器，實時信號處理；
　　·ADLINK PXIS-2506：3U 6-slot PXI便攜式機箱；
　　·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
　　·ADLINK in-house無線網(wǎng)卡信號控制程序：控制WLAN卡重復(fù)產(chǎn)生信號幀(frame)并傳送信號幀；
　　·ADLINK in-house實時I-Q信號分析程序：進行離散快速傅利葉轉(zhuǎn)換，64-QAM，計算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)卡信號控制程序，通過card bus使無線網(wǎng)卡不斷輸出待量測的Tx信號。因為網(wǎng)卡上的輸出信號為I+、I-、Q+、Q-的差分信號，而筆者使用的信號采集卡為2個通道的單端輸入，所以需要用轉(zhuǎn)換電路將差分信號轉(zhuǎn)換為單端輸出，這部份用Analog Device Instrument(ADI)的Evaluation board實現(xiàn)。最后將待分析的基頻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。

2 實現(xiàn)原理
　　在IEEE 802.11a的規(guī)格中定義了如圖2的無線局域網(wǎng)絡(luò)傳送/接收的工作原理。物理層PHY(physical layer)采用正交頻分復(fù)用OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技術(shù)，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)，每個信號幀傳送之前先利用反快速傅利葉轉(zhuǎn)換(IFFT)調(diào)變待傳送的信號；然后利用相位-振幅調(diào)變(IQ modulation，I：in-phase，Q：quadrature)分別將相位-振幅信號取出；最后用射頻(RF，Radio Frequency)電路將信號從基頻(base band)上變頻到 5GHz的頻帶再傳送出去。接收端(Rx，Receiver)則是先將射頻信號降頻到基頻，再分別解調(diào)變出IQ信號，利用快速傅利葉變換(FFT)還原每一個傳送的信號幀。
　　為了聚焦本文的主題——高速數(shù)據(jù)采集卡的應(yīng)用實例，在WLAN電路與信號處理上做了以下幾項簡化：
　　(1)跳過射頻電路，直接采集Base band基頻的信號來分析。
　　(2)IQ解調(diào)變電路以兩片ADI的Evaluation board實現(xiàn)。
　　(3)時序同步與采樣時鐘同步等議題并不特別討論。在單端的IQ信號之后定義了一個簡單的閾值(threshold value)，使接收端可以在解調(diào)子載波前找到符號邊界(symbol boundary)。
　　(4)未實現(xiàn)細部的信號處理技巧(如data descrambler/convolutional encoder/data interleaving/normalize average power/windowing function…)。
　　通過實際完成的系統(tǒng)效果來看，上述簡化對本系統(tǒng)具有一定幫助。
　　此外，每一次傳送的幀結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中 802.11a/g規(guī)范了同步碼(preamble)部分，首先需要先發(fā)送10個重復(fù)的短訓(xùn)練序列(short training sequence，共8μs)，后面跟著2個重復(fù)的長訓(xùn)練序列(long training sequence，也是8μs)，兩者都以BPSK方式調(diào)變。后續(xù)的SIGNAL與Data部分(皆為4μs)則是以O(shè)FDM/64-QAM方式調(diào)變。Data 的數(shù)目為任意，可以程控。

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3 測試方法
　　(1)測試信號量測
　　測試系統(tǒng)的任務(wù)是對WLAN電路板的特定位置進行基頻的信號測量(圖2的Testing Point)。電路在 Guard Interval(GI)Addition后分別接出兩組測試點I+、I-、Q+、Q-。這兩組信號為 I 與 Q的差分信號，通過一組ADI的差分信號轉(zhuǎn)單端輸出的電路，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(shè)定為60MS/s，分辨率為14-bit，觸發(fā)模式設(shè)定為middle trigger。
　　(2)測試信號產(chǎn)生
　　發(fā)射端的基頻信號幀由ADLINK自行開發(fā)的無線網(wǎng)卡信號控制程序產(chǎn)生。程序會不斷地重復(fù)產(chǎn)生傳送幀，每一幀的preamble符號串(包括兩個短符號和兩個長符號)都是依照 802.11a規(guī)范的訓(xùn)練符號依序產(chǎn)生。Data的長度與內(nèi)容為任意，幀與幀的時間間隔也是任意設(shè)定的。在本測試中，Data的長度設(shè)定在4096±n個period，時間間隔是任意設(shè)定。
　　(3)基頻信號分析
　　通過正確的觸發(fā)模式設(shè)定，PXI-9820可以精確地從每一個幀的起點開始數(shù)據(jù)采樣，然后將整個幀的數(shù)據(jù)傳送至PXI-3800控制器的內(nèi)存中。通過PXI-3800強大的運算能力，所有數(shù)據(jù)會進行實時演算，并將整個preamble與DATA的部分進行下列計算：
　?、賹€別的單端I、Q信號轉(zhuǎn)變成一個復(fù)數(shù)信號(I+Qi，complex signal)。
　?、卺槍γ總€符號，舍棄前16點循環(huán)擴展(Cyclic Extension)的部份，進行后64點的FFT計算，總計有2個短訓(xùn)練序列與2個長訓(xùn)練序列的FFT計算，接著以BPSK解調(diào)變。
　?、叟c步驟②相同，對后續(xù)的DATA部分進行FFT計算，接著進行64-QAM及星座圖(constellation)計算。
　?、苡嬎阈盘柕腅VM，作為傳輸品質(zhì)及系統(tǒng)設(shè)計的量化參考值。其中EVM定義為：
　　

　　Z為測試信號，R為理想信號，M為量測符號數(shù)，k為樣本序號
4 測試結(jié)果
　　圖4為ADLINK自行開發(fā)的實時I-Q信號分析程序軟件界面。最上方的信號為I part，下方的信號為Q part。仔細觀察這些信號，最左方規(guī)律的部分為preamble(short與long)符號串，右方不規(guī)律部分為Data。左下方標示“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。中間標示“24.237”為此幀的EVM 值。處理完此幀之后，系統(tǒng)可以立即采集下一幀信號進行處理。