近年來(lái)已有不少公司推出高速數(shù)據(jù)采集卡" title="高速數(shù)據(jù)采集卡">高速數(shù)據(jù)采集卡(High Speed Data Acquisition Card),，并且聲稱可以應(yīng)用在軍用雷達(dá)信號(hào)分析" title="信號(hào)分析">信號(hào)分析、超聲信號(hào)分析,、數(shù)字廣播信號(hào)分析，或是噴墨式墨盒系統(tǒng)測(cè)試等各個(gè)方面,。這些高速數(shù)據(jù)采集卡的規(guī)格多為：20MS/s～100MS/s的采樣頻率,，30MHz～60MHz的帶寬，可以供多組模擬信號(hào)同時(shí)輸入,，范圍可通過(guò)軟件選擇等,。從理論上講，這些條件可以勝任上述應(yīng)用,，但實(shí)際的應(yīng)用實(shí)例并不多,。基于此原因,，本文以規(guī)格適當(dāng)?shù)母咚贁?shù)據(jù)采集卡為例,，設(shè)計(jì)一套無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)(WLAN)基頻發(fā)射模塊測(cè)試系統(tǒng)，闡述其在無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)(WLAN)研發(fā)及批量生產(chǎn)測(cè)試設(shè)備方面的可能應(yīng)用,，希望能給讀者提供更多的思路,。
　　為何選擇WLAN為應(yīng)用對(duì)象呢？以臺(tái)灣網(wǎng)通正文公司(Gemtek)為例,，2005年NB(筆記型計(jì)算機(jī))內(nèi)建WLAN模塊的比例將接近90%,，同時(shí)預(yù)估從第二季起內(nèi)建模塊的標(biāo)準(zhǔn)化將從802.11g提升為802.11a+g，全年的出貨量將達(dá)到2000萬(wàn)～2500萬(wàn)套之間,。另外一家公司建漢(CyberTAN Tech.) 也預(yù)期其整體WLAN產(chǎn)品的出貨量將挑戰(zhàn)2500萬(wàn)套,。陽(yáng)慶(GlobalSun Tech.)正式并入友勁后，也預(yù)期2005年WLAN的出貨量將挑戰(zhàn)800萬(wàn)套,。以上數(shù)據(jù)都顯示W(wǎng)LAN及其相關(guān)產(chǎn)品未來(lái)成長(zhǎng)的空間還很大,，誰(shuí)能夠勝出取決于誰(shuí)能快速設(shè)計(jì)出符合規(guī)格又可以快速大量生產(chǎn)的產(chǎn)品,。這一方面有賴于研發(fā)人員對(duì)研發(fā)階段可能發(fā)生的問(wèn)題的有效解決及完整的驗(yàn)證；另一方面有賴于生產(chǎn)線是否有足夠的測(cè)試機(jī)臺(tái)以確保產(chǎn)品的品質(zhì)和性能,。但是從現(xiàn)有測(cè)試平臺(tái)的價(jià)位與效率來(lái)看,，動(dòng)輒每臺(tái)數(shù)十萬(wàn)人民幣及每分鐘一片的測(cè)試效率，各廠商(包括芯片設(shè)計(jì),、系統(tǒng)生產(chǎn))是否有意愿和能力購(gòu)置數(shù)量如此龐大的設(shè)備以供研發(fā)單位及生產(chǎn)線使用,，恐怕是未來(lái)各廠商都要傷透腦筋考慮的問(wèn)題。
　　由于今后芯片和設(shè)備生產(chǎn)廠商都會(huì)加強(qiáng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)室的建設(shè),，同時(shí)利用更多更新的測(cè)試設(shè)備仿真實(shí)際射頻網(wǎng)絡(luò)環(huán)境并測(cè)試產(chǎn)品和網(wǎng)絡(luò)解決方案的高穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性,，所以價(jià)格低廉且功能可以彈性擴(kuò)展的研發(fā)驗(yàn)證工具必然有其市場(chǎng)。本文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(shè)計(jì)了一套成本低廉,、 功能彈性且適于大量復(fù)制的WLAN發(fā)射模塊實(shí)時(shí)誤差向量幅度(real-time Error Vector Magnitude，EVM)測(cè)試系統(tǒng),。
1 系統(tǒng)構(gòu)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以及軟件接口和EVM計(jì)算分析軟件模塊。
　　(1)WLAN發(fā)射模塊
　　·市售無(wú)線網(wǎng)卡(802.11.a)+card bus：WLAN發(fā)射模塊主體,；
　　·Analog Device Instrument(ADI)的Evaluation board：將I+,、I-、Q+,、Q-差分信號(hào)轉(zhuǎn)為單端" title="單端">單端輸出電路的I,、Q信號(hào)。
　　(2)高速數(shù)據(jù)采集卡及控制器模塊
　　·ADLINK PXI-3800：Pentium-M 1.6GHz PXI控制器,，實(shí)時(shí)信號(hào)處理,；
　　·ADLINK PXIS-2506：3U 6-slot PXI便攜式機(jī)箱；
　　·ADLINK PXI-9820：3U PXI 65MS/s,，14-bit digitizer with on-board 128MB SDRAM,，采集IQ信號(hào)。
　　(3)軟件接口和EVM計(jì)算分析軟件模塊
　　·ADLINK in-house無(wú)線網(wǎng)卡信號(hào)控制程序：控制WLAN卡重復(fù)產(chǎn)生信號(hào)幀(frame)并傳送信號(hào)幀,；
　　·ADLINK in-house實(shí)時(shí)I-Q信號(hào)分析程序：進(jìn)行離散快速傅利葉轉(zhuǎn)換,，64-QAM，計(jì)算EVM等,。
　　圖1為測(cè)試系統(tǒng)的示意方塊圖,。PXI-3800控制器執(zhí)行無(wú)線網(wǎng)卡信號(hào)控制程序，通過(guò)card bus使無(wú)線網(wǎng)卡不斷輸出待量測(cè)的Tx信號(hào),。因?yàn)榫W(wǎng)卡上的輸出信號(hào)為I+,、I-、Q+,、Q-的差分信號(hào),，而筆者使用的信號(hào)采集卡為2個(gè)通道的單端輸入,，所以需要用轉(zhuǎn)換電路將差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端輸出，這部份用Analog Device Instrument(ADI)的Evaluation board實(shí)現(xiàn),。最后將待分析的基頻IQ信號(hào)輸入PXI-9820,，并以in house的實(shí)時(shí)I-Q信號(hào)分析程序在PXI-3800上進(jìn)行FFT、EVM等分析,。

2 實(shí)現(xiàn)原理
　　在IEEE 802.11a的規(guī)格中定義了如圖2的無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)傳送/接收的工作原理,。物理層PHY(physical layer)采用正交頻分復(fù)用OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技術(shù)，將不同頻率載波中的大量信號(hào)合并成單一的信號(hào),，完成信號(hào)傳送,。在發(fā)射端(Tx，Transmitter),，每個(gè)信號(hào)幀傳送之前先利用反快速傅利葉轉(zhuǎn)換(IFFT)調(diào)變待傳送的信號(hào),；然后利用相位-振幅調(diào)變(IQ modulation，I：in-phase,，Q：quadrature)分別將相位-振幅信號(hào)取出,；最后用射頻(RF，Radio Frequency)電路將信號(hào)從基頻(base band)上變頻到 5GHz的頻帶再傳送出去,。接收端(Rx,，Receiver)則是先將射頻信號(hào)降頻到基頻，再分別解調(diào)變出IQ信號(hào),，利用快速傅利葉變換(FFT)還原每一個(gè)傳送的信號(hào)幀。
　　為了聚焦本文的主題——高速數(shù)據(jù)采集卡的應(yīng)用實(shí)例,，在WLAN電路與信號(hào)處理上做了以下幾項(xiàng)簡(jiǎn)化：
　　(1)跳過(guò)射頻電路,，直接采集Base band基頻的信號(hào)來(lái)分析。
　　(2)IQ解調(diào)變電路以兩片ADI的Evaluation board實(shí)現(xiàn),。
　　(3)時(shí)序同步與采樣時(shí)鐘同步等議題并不特別討論,。在單端的IQ信號(hào)之后定義了一個(gè)簡(jiǎn)單的閾值(threshold value)，使接收端可以在解調(diào)子載波前找到符號(hào)邊界(symbol boundary),。
　　(4)未實(shí)現(xiàn)細(xì)部的信號(hào)處理技巧(如data descrambler/convolutional encoder/data interleaving/normalize average power/windowing function…),。
　　通過(guò)實(shí)際完成的系統(tǒng)效果來(lái)看，上述簡(jiǎn)化對(duì)本系統(tǒng)具有一定幫助,。
　　此外,，每一次傳送的幀結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中 802.11a/g規(guī)范了同步碼(preamble)部分,，首先需要先發(fā)送10個(gè)重復(fù)的短訓(xùn)練序列(short training sequence,，共8μs)，后面跟著2個(gè)重復(fù)的長(zhǎng)訓(xùn)練序列(long training sequence,，也是8μs),，兩者都以BPSK方式調(diào)變,。后續(xù)的SIGNAL與Data部分(皆為4μs)則是以O(shè)FDM/64-QAM方式調(diào)變。Data 的數(shù)目為任意,，可以程控,。

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3 測(cè)試方法
　　(1)測(cè)試信號(hào)量測(cè)
　　測(cè)試系統(tǒng)的任務(wù)是對(duì)WLAN電路板的特定位置進(jìn)行基頻的信號(hào)測(cè)量(圖2的Testing Point)。電路在 Guard Interval(GI)Addition后分別接出兩組測(cè)試點(diǎn)I+,、I-,、Q+、Q-,。這兩組信號(hào)為 I 與 Q的差分信號(hào),，通過(guò)一組ADI的差分信號(hào)轉(zhuǎn)單端輸出的電路，將I與Q的信號(hào)以單端,、兩個(gè)頻道的方式輸入PXI-9820 Digitizer,。PXI-9820的采樣速率設(shè)定為60MS/s，分辨率為14-bit,，觸發(fā)模式設(shè)定為middle trigger,。
　　(2)測(cè)試信號(hào)產(chǎn)生
　　發(fā)射端的基頻信號(hào)幀由ADLINK自行開(kāi)發(fā)的無(wú)線網(wǎng)卡信號(hào)控制程序產(chǎn)生。程序會(huì)不斷地重復(fù)產(chǎn)生傳送幀,，每一幀的preamble符號(hào)串(包括兩個(gè)短符號(hào)和兩個(gè)長(zhǎng)符號(hào))都是依照 802.11a規(guī)范的訓(xùn)練符號(hào)依序產(chǎn)生,。Data的長(zhǎng)度與內(nèi)容為任意，幀與幀的時(shí)間間隔也是任意設(shè)定的,。在本測(cè)試中,，Data的長(zhǎng)度設(shè)定在4096±n個(gè)period，時(shí)間間隔是任意設(shè)定,。
　　(3)基頻信號(hào)分析
　　通過(guò)正確的觸發(fā)模式設(shè)定,，PXI-9820可以精確地從每一個(gè)幀的起點(diǎn)開(kāi)始數(shù)據(jù)采樣，然后將整個(gè)幀的數(shù)據(jù)傳送至PXI-3800控制器的內(nèi)存中,。通過(guò)PXI-3800強(qiáng)大的運(yùn)算能力,，所有數(shù)據(jù)會(huì)進(jìn)行實(shí)時(shí)演算，并將整個(gè)preamble與DATA的部分進(jìn)行下列計(jì)算：
　?、賹€(gè)別的單端I,、Q信號(hào)轉(zhuǎn)變成一個(gè)復(fù)數(shù)信號(hào)(I+Qi，complex signal),。
　?、卺槍?duì)每個(gè)符號(hào)，舍棄前16點(diǎn)循環(huán)擴(kuò)展(Cyclic Extension)的部份,，進(jìn)行后64點(diǎn)的FFT計(jì)算,，總計(jì)有2個(gè)短訓(xùn)練序列與2個(gè)長(zhǎng)訓(xùn)練序列的FFT計(jì)算，接著以BPSK解調(diào)變,。
　?、叟c步驟②相同,，對(duì)后續(xù)的DATA部分進(jìn)行FFT計(jì)算，接著進(jìn)行64-QAM及星座圖(constellation)計(jì)算,。
　?、苡?jì)算信號(hào)的EVM，作為傳輸品質(zhì)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)的量化參考值,。其中EVM定義為：
　　

　　Z為測(cè)試信號(hào),，R為理想信號(hào)，M為量測(cè)符號(hào)數(shù),，k為樣本序號(hào)
4 測(cè)試結(jié)果
　　圖4為ADLINK自行開(kāi)發(fā)的實(shí)時(shí)I-Q信號(hào)分析程序軟件界面,。最上方的信號(hào)為I part，下方的信號(hào)為Q part,。仔細(xì)觀察這些信號(hào),，最左方規(guī)律的部分為preamble(short與long)符號(hào)串，右方不規(guī)律部分為Data,。左下方標(biāo)示“I/Q Vector for PLCP preamble(BPSK)”為preamble經(jīng)過(guò)BPSK編碼之后的結(jié)果,。右下方標(biāo)示“I/Q Vector for Data(64-QAM)”為Data經(jīng)過(guò)64-QAM編碼之后的星座圖。中間標(biāo)示“24.237”為此幀的EVM 值,。處理完此幀之后,，系統(tǒng)可以立即采集下一幀信號(hào)進(jìn)行處理。