应用高速数据采集卡实现WLAN络基频发射模块测试系统

随着各种无线通讯标准的制订，无线通讯装置的测试一直是芯片或设备厂商面临的巨大挑战之一。由于无线通讯信号较为特殊，在测试时需要高速(采样高频信号)与高精度(提供足够的动态范围)的数据采集装置，搭配适当的数据分析软件方能完成。在本文中，我们以凌华科技的高速资料采集卡-PXI-9820为核心，配合基于 MATLAB 所开发的测试程序，进行 Wireless LAN 基频发射模块的效能测试。我们将采集基频信号经正交分频多任务(OFDM)调变后的I/Q(in-phase/quadrature)信号，并进行解调与演算，最后得出EVM(Error Vector Magnitude)值，作为判断基频发射模块是否良好的重要指标。



图1 测试系统方块图



图2 基频发射模块测试系统

近年来已有不少公司推出高速数据采集卡 (High Speed Data Acquisition Card), 并且声称可以应用在军用雷达信号分析、超声信号分析、数字广播信号分析，或是喷墨式墨盒系统测试等各个方面。仔细观察一下这些高速数据采集卡的规格: 20"100 MS/s 的采样频率，30"60MHz 的带宽，可以供多组模拟信号同时输入，同时模拟输入的范围可通过软件选择... 等等，的确是有条件可以胜任上述应用，可惜能在报章杂志上见到的应用实例并不多, 也因此无法一窥其中的症结与奥秘。基于此原因，本文拟以凌华科技最近推出的PXI-9820 高速数据采集卡为核心，设计一套成本低廉、 功能弹性且适于大量复制的WLAN发射模块实时误差向量幅度(real-time Error Vector Magnitude, EVM)测试系统，以期能提供给芯片设计与系统生产厂商另一个思考方向。

该系统共分成三大部份：WLAN发射模块、高速数据采集卡及控制器模块、软件接口和EVM计算分析软件模块。

1. WLAN发射模块：

1) 市售无线网卡(802.11.a) + card bus： WLAN发射模块主体。

2) Analog Device Instrument (ADI) 的Evaluation board： 将I+，I-，Q+，Q-差分信号转为单端输出电路之I，Q信号。

2. 高速数据采集卡及控制器模块：

1) ADLINK PXI-3800： Pentium-M 1.6GHz PXI 控制器，实时信号处理。

2) ADLINK PXIS-2506： 3U 6-slot PXI 便携式机箱。

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

3. 软件接口和EVM计算分析软件模块：

1) ADLINK in-house 无线网卡信号控制程序：控制WLAN卡重复的产生传送封包(frame)并传送封包。

2) ADLINK in-house 实时 I-Q 信号分析程序：进行离散快速傅利叶转换，64-QAM，计算EVM等。

图1为测试系统的示意方块图。PXI-3800控制器执行无线网卡信号控制程序，通过 card bus 使无线网卡不断的输出待量测的Tx 信号。因为网卡上的输出信号为I+，I-，Q+，Q-的差分信号 (differential ended)，但是我们用的信号采集卡为2个通道(channel)的单端输入(single ended)，所以需要用一个转换电路来完成差分信号转换单端输出，这部份我们用ADI的Evaluation board来加以实现。最后将这个待分析的基频IQ信号输入PXI-9820，并以in house 的实时 I-Q 信号分析程序在PXI-3800上进行FFT、 EVM等分析。图2则为实际的基频发射模块测试系统。



图3 无线局域网络传送/接收的运作原理



图4 传送封包 (frame) 架构

原理

在 IEEE 802.11a 的规格中定义了如图3的无线局域网络传送/接收的工作原理，物理层(physical layer，PHY)采用正交频分复用 (OFDM　Orthogonal Frequency Division Multiplexing)的技术，将不同频率载波中的大量信号合并成单一的信号，完成信号传送。在发射端 (Tx, Transmitter)，每个信号封包(frame)传送之前先利用反快速傅利叶转换(IFFT)来调变传送的信号；接着再利用相位-振幅调变 (IQ modulation，I: in-phase，Q: quadrature) 分别将相位-振幅信号取出；最后用射频 (RF，Radio Frequency) 电路将信号从基频(base band) 上变频到 5G Hz的频带再传送出去。接收端 (Rx，Receiver)则是先将射频(RF，Radio Frequency)信号降频到基频，再分别解调变出 IQ 信号后，利用快速傅利叶转换(FFT)还原每一个传送的信号封包。

为了聚焦本文的主题—高速数据采集卡的应用实例，我们在WLAN电路与信号处理上做了几个简化：

(1) 跳过RF射频电路，直接采集基频的信号来分析。

(2) IQ 解调变电路是以两片ADI 的Evaluation board来实现。

(3) 时序同步与采样时钟同步等议题并不特别讨论。我们在单端的 IQ信号之后定义了一个简单的阈值，让接收端可以在解调子载波前找到符号边界(symbol boundary)。

(4) 并未实现细部的信号处理技巧(譬如data descrambler/convolutional encoder/data interleaving/normalize average power/windowing function...)



图5 系统量测结果，包括IQ 信号，BPSK，64-QAM，与EVM

通过我们实际完成的系统效果来看，上述的简化对本文的目的尚可接受。

此外，每一次传送的封包 (frame) 架构如图4，其中 802.11a/g 规范了同步码 (preamble) 部分，首先需要先发射10个重复的短训练序列(short training sequence，共8ms)，后面跟着2个重复的长训练序列(long training sequence，总共也是8ms)，两者都是以 BPSK 方式调变。后续的信号与数据部分(皆为4ms)则是以 OFDM/64-QAM 方式调变。数据的数目为任意，可以由程控。