近年來已有不少公司推出高速數據采集卡" title="高速數據采集卡">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" title="信號分析">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。這些高速數據采集卡的規格多為：20MS/s～100MS/s的采樣頻率，30MHz～60MHz的帶寬，可以供多組模擬信號同時輸入，范圍可通過軟件選擇等。從理論上講，這些條件可以勝任上述應用，但實際的應用實例并不多。基于此原因，本文以規格適當的高速數據采集卡為例，設計一套無線局域網絡(WLAN)基頻發射模塊測試系統，闡述其在無線局域網絡(WLAN)研發及批量生產測試設備方面的可能應用，希望能給讀者提供更多的思路。
　　為何選擇WLAN為應用對象呢？以臺灣網通正文公司(Gemtek)為例，2005年NB(筆記型計算機)內建WLAN模塊的比例將接近90%，同時預估從第二季起內建模塊的標準化將從802.11g提升為802.11a+g，全年的出貨量將達到2000萬～2500萬套之間。另外一家公司建漢(CyberTAN Tech.) 也預期其整體WLAN產品的出貨量將挑戰2500萬套。陽慶(GlobalSun Tech.)正式并入友勁后，也預期2005年WLAN的出貨量將挑戰800萬套。以上數據都顯示WLAN及其相關產品未來成長的空間還很大，誰能夠勝出取決于誰能快速設計出符合規格又可以快速大量生產的產品。這一方面有賴于研發人員對研發階段可能發生的問題的有效解決及完整的驗證；另一方面有賴于生產線是否有足夠的測試機臺以確保產品的品質和性能。但是從現有測試平臺的價位與效率來看，動輒每臺數十萬人民幣及每分鐘一片的測試效率，各廠商(包括芯片設計、系統生產)是否有意愿和能力購置數量如此龐大的設備以供研發單位及生產線使用，恐怕是未來各廠商都要傷透腦筋考慮的問題。
　　由于今后芯片和設備生產廠商都會加強測試實驗室的建設，同時利用更多更新的測試設備仿真實際射頻網絡環境并測試產品和網絡解決方案的高穩定性和可擴展性，所以價格低廉且功能可以彈性擴展的研發驗證工具必然有其市場。本文以凌華科技最近推出的PXI-9820高速數據采集卡為核心，設計了一套成本低廉、 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。
1 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以及軟件接口和EVM計算分析軟件模塊。
　　(1)WLAN發射模塊
　　·市售無線網卡(802.11.a)+card bus：WLAN發射模塊主體；
　　·Analog Device Instrument(ADI)的Evaluation board：將I+、I-、Q+、Q-差分信號轉為單端" title="單端">單端輸出電路的I、Q信號。
　　(2)高速數據采集卡及控制器模塊
　　·ADLINK PXI-3800：Pentium-M 1.6GHz PXI控制器，實時信號處理；
　　·ADLINK PXIS-2506：3U 6-slot PXI便攜式機箱；
　　·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
　　·ADLINK in-house無線網卡信號控制程序：控制WLAN卡重復產生信號幀(frame)并傳送信號幀；
　　·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。
　　圖1為測試系統的示意方塊圖。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，而筆者使用的信號采集卡為2個通道的單端輸入，所以需要用轉換電路將差分信號轉換為單端輸出，這部份用Analog Device Instrument(ADI)的Evaluation board實現。最后將待分析的基頻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。

2 實現原理
　　在IEEE 802.11a的規格中定義了如圖2的無線局域網絡傳送/接收的工作原理。物理層PHY(physical layer)采用正交頻分復用OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)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)，每個信號幀傳送之前先利用反快速傅利葉轉換(IFFT)調變待傳送的信號；然后利用相位-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 5GHz的頻帶再傳送出去。接收端(Rx，Receiver)則是先將射頻信號降頻到基頻，再分別解調變出IQ信號，利用快速傅利葉變換(FFT)還原每一個傳送的信號幀。
　　為了聚焦本文的主題——高速數據采集卡的應用實例，在WLAN電路與信號處理上做了以下幾項簡化：
　　(1)跳過射頻電路，直接采集Base band基頻的信號來分析。
　　(2)IQ解調變電路以兩片ADI的Evaluation board實現。
　　(3)時序同步與采樣時鐘同步等議題并不特別討論。在單端的IQ信號之后定義了一個簡單的閾值(threshold value)，使接收端可以在解調子載波前找到符號邊界(symbol boundary)。
　　(4)未實現細部的信號處理技巧(如data descrambler/convolutional encoder/data interleaving/normalize average power/windowing function…)。
　　通過實際完成的系統效果來看，上述簡化對本系統具有一定幫助。
　　此外，每一次傳送的幀結構如圖3所示，其中 802.11a/g規范了同步碼(preamble)部分，首先需要先發送10個重復的短訓練序列(short training sequence，共8μs)，后面跟著2個重復的長訓練序列(long training sequence，也是8μs)，兩者都以BPSK方式調變。后續的SIGNAL與Data部分(皆為4μs)則是以OFDM/64-QAM方式調變。Data 的數目為任意，可以程控。

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3 測試方法
　　(1)測試信號量測
　　測試系統的任務是對WLAN電路板的特定位置進行基頻的信號測量(圖2的Testing Point)。電路在 Guard Interval(GI)Addition后分別接出兩組測試點I+、I-、Q+、Q-。這兩組信號為 I 與 Q的差分信號，通過一組ADI的差分信號轉單端輸出的電路，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，觸發模式設定為middle trigger。
　　(2)測試信號產生
　　發射端的基頻信號幀由ADLINK自行開發的無線網卡信號控制程序產生。程序會不斷地重復產生傳送幀，每一幀的preamble符號串(包括兩個短符號和兩個長符號)都是依照 802.11a規范的訓練符號依序產生。Data的長度與內容為任意，幀與幀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。
　　(3)基頻信號分析
　　通過正確的觸發模式設定，PXI-9820可以精確地從每一個幀的起點開始數據采樣，然后將整個幀的數據傳送至PXI-3800控制器的內存中。通過PXI-3800強大的運算能力，所有數據會進行實時演算，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信號(I+Qi，complex signal)。
　　②針對每個符號，舍棄前16點循環擴展(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，對后續的DATA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設計的量化參考值。其中EVM定義為：
　　

　　Z為測試信號，R為理想信號，M為量測符號數，k為樣本序號
4 測試結果
　　圖4為ADLINK自行開發的實時I-Q信號分析程序軟件界面。最上方的信號為I part，下方的信號為Q part。仔細觀察這些信號，最左方規律的部分為preamble(short與long)符號串，右方不規律部分為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”為此幀的EVM 值。處理完此幀之后，系統可以立即采集下一幀信號進行處理。