無線局域網絡基頻發(fā)射模塊測試系統(tǒng)

近年來已有不少公司推出高速數(shù)據采集卡 (High Speed Data Acquisition Card), 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-time Error Vector Magnitude, EVM)測試系統(tǒng)，以期能提供給芯片設計與系統(tǒng)生產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–差分信號轉為單端輸出電路之I，Q信號。

　　2. 高速數(shù)據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 無線網卡信號控制程序：控制WLAN卡重復的產生傳送封包(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換，64-QAM，計算EVM等。

　　PXI-3800控制器執(zhí)行無線網卡信號控制程序，通過 card bus 使無線網卡不斷的輸出待量測的Tx 信號。因為網卡上的輸出信號為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)，所以需要用一個轉換電路來完成差分信號轉換單端輸出，這部份我們用Analog Device Instrument (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)。

　　原理

　　在 IEEE 802.11a 的規(guī)格中定義了如圖3的無線局域網絡傳送/接收的工作原理，物理層(physical layer，PHY)采用正交頻分復用 (OFDM　Orthogonal Frequency Division Multiplexing)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)來調變傳送的信號;接著再利用相位-振幅調變 (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Base band基頻的信號來分析。

　　(2) IQ 解調變電路是以兩片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(threshold value) ，讓接收端可以在解調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…)

　　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) ，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(short training sequence，共8μ second)，后面跟著2個重復的長訓練序列(long training sequence，總共也是8μ second)，兩者都是以 BPSK 方式調變。后續(xù)的SIGNAL 與 Data 部分(皆為 4μ second)則是以 OFDM/64-QAM 方式調變。Data 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)的任務是對WLAN電路板的特定位置進行基頻的信號測量(圖(一)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 (differential signal)，通過一組ADI的差分信號轉單端(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 的采樣速率設定為 60MS/s，分辨率為14-bit，觸發(fā)模式設定為 middle trigger。

　　測試信號產生

　　發(fā)射端的基頻信號封包frame是由ADLINK 自行開發(fā)的無線網卡信號控制程序產生。程序會不斷重復的產生傳送frame，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)范的訓練符號 (training symbol)依序產生。Data的長度與內容為任意，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)據采樣，然后將整個 frame 的數(shù)據傳送至 PXI-3800 控制器的內存中。通過 PXI-3800 強大的運算能力，所有數(shù)據會進行實時的演算，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，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個短訓練序列與2個長訓練序列的FFT計算，接著以BPSK解調變 (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

　　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 經過BPSK 編碼之后的結果。 右下方標示“I/Q Vector for Data (64-QAM)” 為Data 經過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。但是我們的經驗發(fā)現(xiàn)，有這種需求的產業(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, Vector Signal Generator) ，那就可以用來評估發(fā)射-接收端(Tx-Rx)的硬件設計性能，也可以提供給生產線用做產品基頻性能的驗證。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 相關產品的測試機臺了。

　　WLAN廠商(包括芯片設計，系統(tǒng)生產)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)設計驗證和生產測試的設備成本壓力。 而放眼未來新一代的產品，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，但是原有的測試設備卻不見得可以使用在新產品上。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)據采集卡設計一套WLAN產品檢測系統(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)人員及產品線使用和易于升級至下一代產品等優(yōu)點。其實相同的概念也可以運用在 TFT-TV,、機頂盒、通訊產業(yè)等。關鍵在于：只要找到規(guī)格適當?shù)臄?shù)據采集卡，人人都可以制作出成本令人滿意的檢測系統(tǒng)。