隨著各種無線通訊標準的制訂，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。由于無線通訊信號較為特殊，在測試時需要高速（采樣高頻信號）與高精度（提供足夠的動態(tài)范圍）的數(shù)據(jù)采集裝置，搭配適當?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，進行 Wireless LAN 基頻發(fā)射模塊的效能測試。我們將采集基頻信號經(jīng)正交分頻多任務(wù)（OFDM）調(diào)變后的I/Q（in-phase/quadrature）信號，并進行解調(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。

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。仔細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(yīng)用，可惜能在報章雜志上見到的應(yīng)用實例并不多， 也因此無法一窺其中的癥結(jié)與奧秘?；诖嗽?，本文擬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)，以期能提供給芯片設(shè)計與系統(tǒng)生產(chǎn)廠商另一個思考方向。

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-差分信號轉(zhuǎn)為單端輸出電路之I，Q信號。

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(wǎng)卡信號控制程序：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 （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(zhuǎn)換電路來完成差分信號轉(zhuǎn)換單端輸出，這部份我們用ADI的Evaluation board來加以實現(xiàn)。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(tǒng)。

圖3 無線局域網(wǎng)絡(luò)傳送/接收的運作原理

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 （OFDMOrthogonal Frequency Division Multiplexing）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），每個信號封包（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；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(diào)變出 IQ 信號后，利用快速傅利葉轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)采集卡的應(yīng)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，直接采集基頻的信號來分析。

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

（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，讓接收端可以在解調(diào)子載波前找到符號邊界（symbol boundary）。

（4） 并未實現(xiàn)細部的信號處理技巧（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，BPSK，64-QAM，與EVM

通過我們實際完成的系統(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個重復(fù)的短訓(xùn)練序列（short training sequence，共8ms），后面跟著2個重復(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1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，通過一組ADI的差分信號轉(zhuǎn)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(shè)定為 60MS/s，分辨率為14-bit，觸發(fā)模式設(shè)定為 middle trigger。

測試信號產(chǎn)生

發(fā)射端的基頻信號封包是由ADLINK 自行開發(fā)的無線網(wǎng)卡信號控制程序產(chǎn)生。程序會不斷重復(fù)的產(chǎn)生傳送封包，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(xùn)練符號 （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4096n 個period，時間間隔是任意設(shè)定。

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封包的起點開始數(shù)據(jù)采樣，然后將整個封包的數(shù)據(jù)傳送至 PXI-3800 控制器的內(nèi)存中。通過 PXI-3800 強大的運算能力，所有數(shù)據(jù)會進行實時的演算，并將整個 preamble 與 DATA 的部分進行下列計算：（1）將個別的單端I，Q信號轉(zhuǎn)變成一個復(fù)數(shù)信號（I+Qi，complex signal） （2）針對每個符號（symbol），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 （3）與步驟2相同，對后續(xù)的DATA 的部分進行FFT計算，接著進行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(tǒng)設(shè)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(shù)，k為樣本序號

測試結(jié)果

圖5為ADLINK 自行開發(fā)的實時 I-Q 信號分析程序軟件界面。最上方綠色的信號為I part，下方的紅色的信號為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” 為這個frame 的 EVM 值。處理完這個封包之后，系統(tǒng)可以立即采集下一個封包信號進行處理。

結(jié)語

由本系統(tǒng)的開發(fā)過程和實際應(yīng)用情況可以看出，只要選擇規(guī)格適當?shù)母咚贁?shù)據(jù)采集卡，搭配功能齊全的計算機，再加上一些研發(fā)人員開發(fā)的相關(guān)軟硬件接口，其實就可以很快速的設(shè)計出一套價格低廉、功能實用、又可以輕易大量復(fù)制的WLAN模塊檢測設(shè)備。也許有些讀者會覺得，要發(fā)展這些搭配的軟硬件接口會有一些難度，并且會花費許多時間。但是我們的經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)，有這種需求的產(chǎn)業(yè)，通常會有了解規(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)鍵的會是在撰寫相關(guān)的信號處理程序上，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)驗的硬件工程師來說應(yīng)該不難。后端的實時 I-Q 信號分析程序，對網(wǎng)通業(yè)者來說應(yīng)該是更簡單。花不長的時間，卻換來可能讓生產(chǎn)成本大幅降低的機會。

這樣的系統(tǒng)只要再加強物理層（PHY）無線數(shù)字信號處理算法的功能，就可以用來驗證發(fā)射端物理層（Tx PHY）的系統(tǒng)設(shè)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， Vector Signal Generator） ，那就可以用來評估發(fā)射-接收端（Tx-Rx）的硬件設(shè)計性能，也可以提供給生產(chǎn)線用做產(chǎn)品基頻性能的驗證。當然若再加上上變頻器（UP Converter） 與下變頻器（DOWN Converter）的電路，那就幾乎可以當作一部真正WLAN 相關(guān)產(chǎn)品的測試機了。

WLAN廠商（包括芯片設(shè)計，系統(tǒng)生產(chǎn)）目前面臨著非常巨大的商機，但同時也必須背負著龐大的研發(fā)設(shè)計驗證和生產(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。到時是否又必須舍棄掉原有昂貴且數(shù)目眾多的驗證和生產(chǎn)測試設(shè)備，另外再花費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至下一代產(chǎn)品等優(yōu)點。其實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(guī)格適當?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)。

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