应用高速数据采集卡实现WLAN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: 20～100MS/s的采样频率(sampling rate)，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，本文将以规格适当的高速数据采集卡为例，制作一套无线局域网络(WLAN)基频发射模块测试系统,阐述其在无线局域网络(WLAN)研发及批量生产测试设备方面的可能应用，希望能提供读者更多的想法。

为何选择 WLAN 为应用对象呢？我们以台湾网通正文公司(Gemtek)为例，他们表示，2005年NB(笔记型计算机)内建WLAN模块的比例将接近90%，同时预估从第2季起内建模块的标准化将从802.11g提升为802.11a+g，全年的出货量将达到2000-2500万套之间。

图1：测试系统方块图。

另外一家公司建汉(CyberTAN Tech.) 也预期其整体WLAN产品的出货量将挑战2500万套。 阳庆(GlobalSun Tech.)正式并入友劲后，也预期2005年WLAN的出货量将挑战800万套。以上数据都显示WLAN及其相关产品未来成长的空间还很大，谁能够胜出就取决于谁能快速设计出符合规格又可以快速大量生产的产品。这一方面有赖于研发人员在研发阶段能有效解决可能发生的问题，并经完整验证；另一方面有赖于生产线是否有足够的测试机台以确保产品的品质和性能。但是以现有的测试平台价位与效率来看，动辄每台数十万人民币及每分钟一片的测试效率，各厂商(包括芯片设计, 系统生产)是否有意愿和能力购置数量如此庞大的设备以供研发单位及生产线使用, 恐怕是未来各厂商都要伤透脑筋考虑的问题。

图2：基频发射模块测试系统。

基于未来芯片和设备生产厂商势必都会加强测试实验室的建设，同时利用更多更新的测试设备来仿真实际射频网络环境，并测试产品和网络解决方案的高稳定性和可扩展性的考虑，价格低廉并且功能可以弹性扩展的研发验证工具必然有其市场。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。

图3：无线局域网络传送/接收的运作原理。

一、系统构成

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。

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。

图4：传送封包(frame)架构。

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。

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Analog Device Instrument (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。

二、原理

图5：系统量测结果，包括IQ 信号，BPSK，64-QAM，与EVM。

在IEEE 802.11a 的规格中定义了如图6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 (OFDMOrthogonal 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(fra