無線局域網絡基頻發射拈測試系統

近年來已有不少公司推出高速數據采集卡 (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、數字廣播信號分析，或是噴墨式墨盒系統測試等各個方面。仔細觀察一下這些高速數據采集卡的規格: 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發射模塊實時誤差向量幅度(real-time Error Vector Magnitude, EVM)測試系統，以期能提供給芯片設計與系統生產廠商另一個思考方向。

系統構成

該系統共分成三大部份：WLAN發射模塊、高速數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發射模塊：

1) 市售無線網卡(802.11.a) + card bus： WLAN發射模塊主體。

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。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則為實際的基頻發射模塊測試系統。

原理

在 IEEE 802.11a 的規格中定義了如圖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。

(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效果來看，上述的簡化對本文的目的尚可接受。