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摘要 隨著(zhù)各種無(wú)線(xiàn)通訊標準的訂定，無(wú)線(xiàn)通訊裝置的測試一直是芯片或設備廠(chǎng)商面臨的巨大挑戰之一。由于無(wú)線(xiàn)通訊訊號較為特殊，在測試時(shí)需要高速(采樣高頻訊號)與高精度(提供足夠的動(dòng)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(kāi)發(fā)的測試程序，進(jìn)行WirelessLAN基頻發(fā)射模塊的效能測試。我們將采集基頻訊號經(jīng)正交分頻多任務(wù)(OFDM)調變后的I/Q(in-phase/quadrature)訊號，并進(jìn)行解調與演算，最后得出EVM(ErrorVectorMagnit ude)值，作為判斷基頻發(fā)射模塊是否良好的重要指標。 近年來(lái)已有不少公司推出高速數據采集卡(HighSpeedDataAcquisitionCard),并且聲稱(chēng)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(gè)方面。仔細觀(guān)察一下這些高速數據采集卡的規格:20～100MS/s的采樣頻率，30～60MHz的帶寬，可以供多組模擬信號同時(shí)輸入，同時(shí)模擬輸入的范圍可通過(guò)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(jiàn)到的應用實(shí)例并不多,也因此無(wú)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(shí)時(shí)誤差向量幅度（real-timeErrorVectorMagnitude,EVM）測試系統，以期能提供給芯片設計與系統生產(chǎn)廠(chǎng)商另一個(gè)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(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡(802.11.a)+cardbus：WLAN發(fā)射模塊主體。 2)AnalogDeviceInstrument(ADI)的Evaluationboard：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)ADLINKPXI-3800：Pentium-M1.6GHzPXI控制器，實(shí)時(shí)信號處理。 2)ADLINKPXIS-2506：3U6-slotPXI便攜式機箱。 3)ADLINKPXI-9820：3UPXI65MS/s，14-bitdigitizerwithon-board128MBSDRAM，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(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡信號控制程序：控制WLAN卡重復的產(chǎn)生傳送封包(frame)并傳送封包。 2)ADLINKin-house實(shí)時(shí)I-Q信號分析程序：進(jìn)行離散快速傅利葉轉換，64-QAM，計算EVM等。 圖1測試系統方塊圖 圖1為測試系統的示意方塊圖。 PXI-3800控制器執行無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡信號控制程序，通過(guò)cardbus使無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡不斷的輸出待量測的Tx信號。因為網(wǎng)卡上的輸出信號為I+，I–，Q+，Q–的差分信號(differentialended)，但是我們用的信號采集卡為2個(gè)通道(channel)的單端輸入(singleended)，所以需要用一個(gè)轉換電路來(lái)完成差分信號轉換單端輸出，這部份我們用AnalogDeviceInstrument(ADI)的Evaluationboard來(lái)加以實(shí)現。最后將這個(gè)待分析的基頻IQ信號輸入PXI-9820，并以inhouse的實(shí)時(shí)I-Q信號分析程序在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。 圖2基頻發(fā)射模塊測試系統 原理 在IEEE802.11a的規格中定義了如圖3的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò )傳送/接收的工作原理，物理層(physicallayer，PHY)采用正交頻分復用(OFDM OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing)的技術(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(gè)信號封包(frame)傳送之前先利用反快速傅利葉轉換(IFFT)來(lái)調變傳送的信號；接著(zhù)再利用相位-振幅調變(IQmodulation，I:in-phase，Q:quadrature)分別將相位-振幅信號取出；最后用射頻(RF，RadioFrequency)電路將信號從基頻(baseband)上變頻到5GHz的頻帶再傳送出去。接收端(Rx，Receiver)則是先將射頻(RF，RadioFrequency)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(gè)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(shí)例，我們在WLAN電路與信號處理上做了幾個(gè)簡(jiǎn)化： (1)跳過(guò)RF射頻電路，直接采集Baseband基頻的信號來(lái)分析。 (2)IQ解調變電路是以?xún)善珹DI的Evaluationboard來(lái)實(shí)現。 (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信號之后定義了一個(gè)簡(jiǎn)單的閾值(thresholdvalue)，讓接收端可以在解調子載波前找到符號邊界(symbolboundary)。 (4)并未實(shí)現細部的信號處理技巧(譬如data& nbsp;descrambler/convolutionalencoder/datainterleaving/normalizeaveragepower/windowingfunction…) 通過(guò)我們實(shí)際完成的系統效果來(lái)看，上述的簡(jiǎn)化對本文的目的尚可接受。 圖3無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò )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規范了同步碼(preamble)部分，首先需要先發(fā)射10個(gè)重復的短訓練序列(shorttrainingsequence，共8μsecond)，后面跟著(zhù)2個(gè)重復的長(cháng)訓練序列(longtrainingsequence，總共也是8μsecond)，兩者都是以BPSK方式調變。后續的SIGNAL與Data部分(皆為4μsecond)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(wù)是對WLAN電路板的特定位置進(jìn)行基頻的信號測量(圖（一）中的TestingPoint)，電路在GuardInterval(GI)Addition后分別接出兩組測點(diǎn)I+,I-,Q+,Q-。這兩組信號為I與Q的差分信號(differentialsignal)，通過(guò)一組ADI的差分信號轉單端(singleend)輸出的電路，我們將I與Q的信號以單端、兩個(gè)頻道的方式輸入PXI-9820Digitizer。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middletrigger。 測試信號產(chǎn)生 發(fā)射端的基頻信號封包frame是由ADLINK自行開(kāi)發(fā)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡信號控制程序產(chǎn)生。程序會(huì )不斷重復的產(chǎn)生傳送frame，每一個(gè)封包的preamble符號串(symbolsequences，包括兩個(gè)short和兩個(gè)longsymbols)都是依照802.11a規范的訓練符號(trainingsymbol)依序產(chǎn)生。Data的長(cháng)度與內容為任意，封包與封包的時(shí)間間隔也是任意設定的。在本測試中，Data的長(cháng)度設定在4096±n個(gè)period，時(shí)間間隔是任意設定。 基頻信號分析 通過(guò)正確的觸發(fā)模式設定，PXI-9820可以精確地從每一個(gè)frame的起點(diǎn)開(kāi)始數據采樣，然后將整個(gè)frame的數據傳送至PXI-3800控制器的內存中。通過(guò)PXI-3800強大的運算能力，所有數據會(huì )進(jìn)行實(shí)時(shí)的演算，并將整個(gè)preamble與DATA的部分進(jìn)行下列計算：(1)將個(gè)別的單端I，Q信號轉變成一個(gè)復數 信號(I+Qi，complexsignal)(2)針對每個(gè)符號(symbol)，舍棄前16點(diǎn)循環(huán)擴展(CyclicExtension)的部份，進(jìn)行后64點(diǎn)的FFT計算，總計有2個(gè)短訓練序列與2個(gè)長(cháng)訓練序列的FFT計算，接著(zhù)以BPSK解調變(3)與步驟2相同，對后續的DATA的部分進(jìn)行FFT計算，接著(zhù)進(jìn)行64-QAM及星座圖(constellation)計算(4)計算信號的EVM，作為傳輸品質(zhì)及系統設計的量化參考值。其中EVM的定義為：
z為測試信號，R為理想信號，M為量測符號數，k為樣本序號 測試結果 圖(五)為ADLINK自行開(kāi)發(fā)的實(shí)時(shí)I-Q信號分析程序軟件界面。最上方綠色的信號為Ipart，下方的紅色的信號為Qpart。仔細觀(guān)察這些信號，最左方規律的部分為preamble(short與long)符號串，右方不規律部分為Data。左下方標示“I/QVectorforPLCPpreamble(BPSK)”為preamble經(jīng)過(guò)BPSK編碼之后的結果。右下方標示“I/QVectorforData(64-QAM)”為Data經(jīng)過(guò)64-QAM編碼之后的星座圖。中間標示“24.237”為這個(gè)frame的EVM值。處理完這個(gè)封包之后，系統可以立即采集下一個(gè)封包信號進(jìn)行處理。 圖5 系統量測結果，包括IQ信號，BPSK，64-QAM，與EVM 結語(yǔ) 由本系統的開(kāi)發(fā)過(guò)程和實(shí)際應用情況可以看出，只要選擇規格適當的高速數據采集卡，搭配功能齊全的計算機，再加上一些研發(fā)人員開(kāi)發(fā)的相關(guān)軟硬件接口，其實(shí)就可以很快速的設計出一套價(jià)格低廉、功能實(shí)用、又可以輕易大量復制的WLAN模塊檢測設備。也許有些讀者會(huì )覺(jué)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 )花費許多時(shí)間。但是我們的經(jīng)驗發(fā)現，有這種需求的產(chǎn)業(yè)，通常會(huì )有了解規格的研發(fā)人員，只要挑選到規格合適的數據采集卡，最關(guān)鍵的會(huì )是在撰寫(xiě)相關(guān)的信號處理程序上，這正是了解規格的研發(fā)人員的專(zhuān)長(cháng)，所以通常是時(shí)間的問(wèn)題，不是難度的問(wèn)題。到底值不值得這樣做呢?以本文為例，前端的轉換電路，對稍具經(jīng)驗的硬件工程師來(lái)說(shuō)應該不難。后端的實(shí)時(shí)I-Q信號分析程序，對網(wǎng)通業(yè)者來(lái)說(shuō)應該是更簡(jiǎn)單�；ú婚L(cháng)的時(shí)間，卻換來(lái)可能讓生產(chǎn)成本大幅降低的機會(huì )。 這樣的系統只要再加強物理層(PHY)無(wú)線(xiàn)數字信號處理算法的功能，就可以用來(lái)驗證發(fā)射端物理層(TxPHY)的系統設計性能，或是接收端相關(guān)信號處理算法的品質(zhì)。如果再搭配矢量信號發(fā)生器(VSG,VectorSignalGenerator)，那就可以用來(lái)評估發(fā)射-接收端(Tx-Rx)的硬件設計性能，也可以提供給生產(chǎn)線(xiàn)用做產(chǎn)品基頻性能的驗證。當然若再加上上變頻器(UPConverter)與下變頻器(DOWNConverter)的電路，那就幾乎可以當作一部真正WLAN相關(guān)產(chǎn)品的測試機臺了。 WLAN廠(chǎng)商(包括芯片設計，系統生產(chǎn))目前面臨著(zhù)非常巨大的商機，但同時(shí)也必須背負著(zhù)龐大的研發(fā)設計驗證和生產(chǎn)測試的設備成本壓力。而放眼未來(lái)新一代的產(chǎn)品，譬如MIMO(MultipleInput,Multip leOutput)forWLAN，UltraWideBand(UWB) 等,雖然規格是WLAN的進(jìn)階或是原理類(lèi)似，但是原有的測試設備卻不見(jiàn)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目眾多的驗證和生產(chǎn)測試設備，另外再花費巨資購置新一代的設備?本文利用高速數據采集卡設計一套WLAN產(chǎn)品檢測系統，除了可明顯縮短開(kāi)發(fā)周期外，并且具有成本低廉、功能可以彈性擴展、容易大量復制給研發(fā)人員及產(chǎn)品線(xiàn)使用和易于升級至下一代產(chǎn)品等優(yōu)點(diǎn)。其實(shí)相同的概念也可以運用在TFT-TV,、機頂盒、通訊產(chǎn)業(yè)等。關(guān)鍵在于：只要找到規格適當的數據采集卡，人人都可以制作出成本令人滿(mǎn)意的檢測系統。 只要找到規格適當的數據采集卡，人人都可以制作出成本令人滿(mǎn)意的檢測系統。 |
