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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(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(OFDM)調(diào)變后的I/Q(in-phase/quadrature)訊號，并進行解調(diào)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。 近年來已有不少公司推出高速數(shù)據(jù)采集卡(HighSpeedDataAcquisitionCard),并且聲稱可以應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:20～100MS/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。基于此原因，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-timeErrorVectorMagnitude,EVM）測試系統(tǒng)，以期能提供給芯片設計與系統(tǒng)生產(chǎn)廠商另一個思考方向。 系統(tǒng)構成 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、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)+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(shù)據(jù)采集卡及控制器模塊： 1)ADLINKPXI-3800：Pentium-M1.6GHzPXI控制器，實時信號處理。 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無線網(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測試系統(tǒng)方塊圖 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cardbus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(differentialended)，但是我們用的信號采集卡為2個通道(channel)的單端輸入(singleended)，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AnalogDeviceInstrument(ADI)的Evaluationboard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inhouse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2基頻發(fā)射模塊測試系統(tǒng) 原理 在IEEE802.11a的規(guī)格中定義了如圖3的無線局域網(wǎng)絡傳送/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，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(diào)變傳送的信號；接著再利用相位-振幅調(diào)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(diào)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(shù)據(jù)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Baseband基頻的信號來分析。 (2)IQ解調(diào)變電路是以兩片ADI的Evaluationboard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(thresholdvalue)，讓接收端可以在解調(diào)子載波前找到符號邊界(symbolboundary)。 (4)并未實現(xiàn)細部的信號處理技巧(譬如data& nbsp;descrambler/convolutionalencoder/datainterleaving/normalizeaveragepower/windowingfunction…) 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。 圖3無線局域網(wǎng)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(shorttrainingsequence，共8μsecond)，后面跟著2個重復的長訓練序列(longtrainingsequence，總共也是8μsecond)，兩者都是以BPSK方式調(diào)變。后續(xù)的SIGNAL與Data部分(皆為4μsecond)則是以OFDM/64-QAM方式調(diào)變。Data的數(shù)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(tǒng)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TestingPoint)，電路在GuardInterval(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(differentialsignal)，通過一組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自行開發(fā)的無線網(wǎng)卡信號控制程序產(chǎn)生。程序會不斷重復的產(chǎn)生傳送frame，每一個封包的preamble符號串(symbolsequences，包括兩個short和兩個longsymbols)都是依照802.11a規(guī)范的訓練符號(trainingsymbol)依序產(chǎn)生。Data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定的。在本測試中，Data的長度設定在4096±n個period，時間間隔是任意設定。 基頻信號分析 通過正確的觸發(fā)模式設定，PXI-9820可以精確地從每一個frame的起點開始數(shù)據(jù)采樣，然后將整個frame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信號轉變成一個復數(shù) 信號(I+Qi，complexsignal)(2)針對每個符號(symbol)，舍棄前16點循環(huán)擴展(CyclicExtension)的部份，進行后64點的FFT計算，總計有2個短訓練序列與2個長訓練序列的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，作為傳輸品質及系統(tǒng)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(shù)，k為樣本序號 測試結果 圖(五)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Ipart，下方的紅色的信號為Qpart。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/QVectorforPLCPpreamble(BPSK)”為preamble經(jīng)過BPSK編碼之后的結果。右下方標示“I/QVectorforData(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。 圖5 系統(tǒng)量測結果，包括IQ信號，BPSK，64-QAM，與EVM 結語 由本系統(tǒng)的開發(fā)過程和實際應用情況可以看出，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)的相關軟硬件接口，其實就可以很快速的設計出一套價格低廉、功能實用、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，最關鍵的會是在撰寫相關的信號處理程序上，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，前端的轉換電路，對稍具經(jīng)驗的硬件工程師來說應該不難。后端的實時I-Q信號分析程序，對網(wǎng)通業(yè)者來說應該是更簡單�；ú婚L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(TxPHY)的系統(tǒng)設計性能，或是接收端相關信號處理算法的品質。如果再搭配矢量信號發(fā)生器(VSG,VectorSignalGenerator)，那就可以用來評估發(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相關產(chǎn)品的測試機臺了。 WLAN廠商(包括芯片設計，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)設計驗證和生產(chǎn)測試的設備成本壓力。而放眼未來新一代的產(chǎn)品，譬如MIMO(MultipleInput,Multip leOutput)forWLAN，UltraWideBand(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)測試設備，另外再花費巨資購置新一代的設備?本文利用高速數(shù)據(jù)采集卡設計一套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)。 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)。 |
