应用高速数据采集卡实现无线局域网络基频发射模块测试系统

摘要
随着各种无线通讯标准的订定，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。由于无线通讯讯号较为特殊，在测试时需要高速 (采样高频讯号) 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。我们将采集基频讯号经正交分频多任务 (OFDM) 调变后的 I/Q (in-phase/quadrature) 讯号，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。

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。

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。
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。
图1 测试系统方块图
图2 基频发射模块测试系统

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Base band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(threshold value) ，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…)
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。
图3 无线局域网络传送/接收的运作原理

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8μ second)，后面跟着2个重复的长训练序列(long training sequence，总共也是8μ second)，两者都是以 BPSK 方式调变。后续的SIGNAL 与 Data 部分(皆为 4μ second)则是以 OFDM/64-QAM 方式调变。Data 的数目为任意，可以由程控。
图4 传送封包 (frame) 架构

测试方法
测试信号量测
测试系统的任务是对WLAN电路板的特定位置进行基频的信号测量(图（一）中的Testing Point)，电路在 Guard Interval (GI) Addition 后分别接出两组测点I+, I-, Q+, Q-。这两组信号为 I 与 Q的差分信号 (differential signal)，通过一组ADI的差分信号转单端(single end) 输出的电路，我们将I与Q的信号以单端、两个频道的方式输入 PXI-9820 Digitizer。PXI-9820 的采样速率设定为 60MS/s，分辨率为14-bit，触发模式设定为 middle trigger。
测试信号产生
发射端的基频信号封包frame是由ADLINK 自行开发的无线网卡信号控制程序产生。程序会不断重复的产生传送frame，每一个封包的 preamble符号串(symbol sequences，包括两个short 和两个 long symbols) 都是依照 802.11a 规范的训练符号 (training symbol)依序产生。Data的长度与内容为任意，封包与封包的时间间隔也是任意设定的。在本测试中，Data的长度设定在4096