基于無線局域網(wǎng)絡(luò)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(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、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)測試等各個(gè)方面。仔細(xì)觀察一下這些高速數(shù)據(jù)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(hào)同時(shí)輸入，同時(shí)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(yīng)用，可惜能在報(bào)章雜志上見到的應(yīng)用實(shí)例并不多, 也因此無法一窺其中的癥結(jié)與奧秘?；诖嗽?，本文擬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)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)測試系統(tǒng)，以期能提供給芯片設(shè)計(jì)與系統(tǒng)生產(chǎn)廠商另一個(gè)思考方向。

　　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、軟件接口和EVM計(jì)算分析軟件模塊。

　　1. WLAN發(fā)射模塊：

　　1) 市售無線網(wǎng)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(hào)轉(zhuǎn)為單端輸出電路之I，Q信號(hào)。

　　2. 高速數(shù)據(jù)采集卡及控制器模塊：

　　1) ADLINK PXI-3800： Pentium-M 1.6GHz PXI 控制器，實(shí)時(shí)信號(hào)處理。

　　2) ADLINK PXIS-2506： 3U 6-slot PXI 便攜式機(jī)箱。

　　3) 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：

　　1) ADLINK in-house 無線網(wǎng)卡信號(hào)控制程序：控制WLAN卡重復(fù)的產(chǎn)生傳送封包(frame)并傳送封包。

　　2) 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。

　　PXI-3800控制器執(zhí)行無線網(wǎng)卡信號(hào)控制程序，通過 card bus 使無線網(wǎng)卡不斷的輸出待量測的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) (differential ended)，但是我們用的信號(hào)采集卡為2個(gè)通道(channel)的單端輸入(single ended)，所以需要用一個(gè)轉(zhuǎn)換電路來完成差分信號(hào)轉(zhuǎn)換單端輸出，這部份我們用Analog Device Instrument (ADI) 的Evaluation board來加以實(shí)現(xiàn)。最后將這個(gè)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。圖2則為實(shí)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(wǎng)絡(luò)傳送/接收的工作原理，物理層(physical layer，PHY)采用正交頻分復(fù)用 (OFDM　Orthogonal Frequency Division Multiplexing)的技術(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)封包(frame)傳送之前先利用反快速傅利葉轉(zhuǎn)換(IFFT)來調(diào)變傳送的信號(hào);接著再利用相位-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 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(hào)降頻到基頻，再分別解調(diào)變出 IQ 信號(hào)后，利用快速傅利葉轉(zhuǎn)換(FFT)還原每一個(gè)傳送的信號(hào)封包。

　　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，我們在WLAN電路與信號(hào)處理上做了幾個(gè)簡化：

　　(1) 跳過RF射頻電路，直接采集Base band基頻的信號(hào)來分析。

　　(2) IQ 解調(diào)變電路是以兩片ADI 的Evaluation board來實(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。我們在單端的 IQ信號(hào)之后定義了一個(gè)簡單的閾值(threshold value) ，讓接收端可以在解調(diào)子載波前找到符號(hào)邊界(symbol boundary)。

　　(4) 并未實(shí)現(xiàn)細(xì)部的信號(hào)處理技巧(譬如data descrambler/convolutional encoder/data interleaving/normalize average power/windowing function…)

　　通過我們實(shí)際完成的系統(tǒng)效果來看，上述的簡化對(duì)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(gè)重復(fù)的短訓(xùn)練序列(short training sequence，共8μ second)，后面跟著2個(gè)重復(fù)的長訓(xùn)練序列(long training sequence，總共也是8μ second)，兩者都是以 BPSK 方式調(diào)變。后續(xù)的SIGNAL 與 Data 部分(皆為 4μ second)則是以 OFDM/64-QAM 方式調(diào)變。Data 的數(shù)目為任意，可以由程控。

　　測試方法