近年來(lái)已有不少公司推出高速數據采集卡 (High Speed Data Acquisition Card), 并且聲稱(chēng)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(gè)方面。仔細觀(guān)察一下這些高速數據采集卡的規格: 20～100 MS/s 的采樣頻率(sampling rate)，30～60MHz 的帶寬，可以供多組模擬信號同時(shí)輸入，同時(shí)模擬輸入的范圍可通過(guò)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(jiàn)到的應用實(shí)例并不多, 也因此無(wú)法一窺其中的癥結與奧秘?；诖嗽?，本文將以規格適當的高速數據采集卡為例，制作一套無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò )(WLAN)基頻發(fā)射模塊測試系統,闡述其在無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò )(WLAN) 研發(fā)及批量生產(chǎn)測試設備方面的可能應用，希望能提供讀者更多的想法。

    為何選擇 WLAN 為應用對象呢？我們以臺灣網(wǎng)通正文公司(Gemtek)為例，他們表示，2005 年NB(筆記型計算機)內建WLAN模塊的比例將接近90%，同時(shí)預估從第2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2000-2500萬(wàn)套之間。 另外一家公司建漢(CyberTAN Tech.) 也預期其整體WLAN產(chǎn)品的出貨量將挑戰2500萬(wàn)套。 陽(yáng)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(wàn)套。以上數據都顯示W(wǎng)LAN及其相關(guān)產(chǎn)品未來(lái)成長(cháng)的空間還很大，誰(shuí)能夠勝出就取決于誰(shuí)能快速設計出符合規格又可以快速大量生產(chǎn)的產(chǎn)品。這一方面有賴(lài)于研發(fā)人員在研發(fā)階段能有效解決可能發(fā)生的問(wèn)題，并經(jīng)完整驗證；另一方面有賴(lài)于生產(chǎn)線(xiàn)是否有足夠的測試機臺以確保產(chǎn)品的品質(zhì)和性能。但是以現有的測試平臺價(jià)位與效率來(lái)看，動(dòng)輒每臺數十萬(wàn)人民幣及每分鐘一片的測試效率，各廠(chǎng)商(包括芯片設計, 系統生產(chǎn))是否有意愿和能力購置數量如此龐大的設備以供研發(fā)單位及生產(chǎn)線(xiàn)使用, 恐怕是未來(lái)各廠(chǎng)商都要傷透腦筋考慮的問(wèn)題。

    基于未來(lái)芯片和設備生產(chǎn)廠(chǎng)商勢必都會(huì )加強測試實(shí)驗室的建設，同時(shí)利用更多更新的測試設備來(lái)仿真實(shí)際射頻網(wǎng)絡(luò )環(huán)境，并測試產(chǎn)品和網(wǎng)絡(luò )解決方案的高穩定性和可擴展性的考慮，價(jià)格低廉并且功能可以彈性擴展的研發(fā)驗證工具必然有其市場(chǎng)。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(fā)射模塊實(shí)時(shí)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(chǎn)廠(chǎng)商另一個(gè)思考方向。
 
系統構成：
    該系統共分成三大部份：WLAN發(fā)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(fā)射模塊：
1) 市售無(wú)線(xiàn)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(shí)時(shí)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(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡信號控制程序：控制WLAN卡重復的產(chǎn)生傳送封包(frame)并傳送封包。
2) ADLINK in-house 實(shí)時(shí) I-Q 信號分析程序：進(jìn)行離散快速傅利葉轉換，64-QAM，計算EVM等。

    圖(一)為測試系統的示意方塊圖。PXI-3800控制器執行無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡信號控制程序，通過(guò) card bus 使無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡不斷的輸出待量測的Tx 信號。因為網(wǎng)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(gè)通道(channel)的單端輸入(single ended)，所以需要用一個(gè)轉換電路來(lái)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(lái)加以實(shí)現。最后將這個(gè)待分析的基頻IQ信號輸入PXI-9820，并以in house 的實(shí)時(shí) I-Q 信號分析程序在PXI-3800上進(jìn)行FFT、 EVM等分析。圖(二)則為實(shí)際的基頻發(fā)射模塊測試系統。

圖(一) 測試系統方塊圖

圖(二) 基頻發(fā)射模塊測試系統

原理：
    在 IEEE 802.11a 的規格中定義了如圖(六)的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò )傳送/接收的工作原理，物理層(physical layer，PHY)采用正交頻分復用 (OFDM　Orthogonal Frequency Division Multiplexing)的技術(shù)，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(fā)射端 (Tx, Transmitter)，每個(gè)信號封包(frame)傳送之前先利用反快速傅利葉轉換(IFFT)來(lái)調變傳送的信號；接著(zhù)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(gè)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(shí)例，我們在WLAN電路與信號處理上做了幾個(gè)簡(jiǎn)化：
(1) 跳過(guò)RF射頻電路，直接采集Base band基頻的信號來(lái)分析。
(2) IQ 解調變電路是以?xún)善珹DI 的Evaluation board來(lái)實(shí)現。
(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信號之后定義了一個(gè)簡(jiǎn)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(shí)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(guò)我們實(shí)際完成的系統效果來(lái)看，上述的簡(jiǎn)化對本文的目的尚可接受。

圖(三) 無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò )傳送/接收的運作原理

    此外，每一次傳送的封包 (frame) 架構如圖(四)，其中 802.11a/g 規范了同步碼 (preamble) 部分，首先需要先發(fā)射10個(gè)重復的短訓練序列(short training sequence，共8μ second)，后面跟著(zhù)2個(gè)重復的長(cháng)訓練序列(long training sequence，總共也是8μ second)，兩者都是以 BPSK 方式調變。后續的SIGNAL 與 Data 部分(皆為 4μ second)則是以 OFDM/64-QAM 方式調變。Data 的數目為任意，可以由程控。

圖(四) 傳送封包 (frame) 架構

測試方法：
    測試信號量測：測試系統的任務(wù)是對WLAN電路板的特定位置進(jìn)行基頻的信號測量(圖（一）的Testing Point)，電路在 Guard Interval (GI) Addition 后分別接出兩組測點(diǎn)I+, I-, Q+, Q-。這兩組信號為 I 與 Q的差分信號 (differential signal)，通過(guò)一組ADI的差分信號轉單端(single end) 輸出的電路，我們將I與Q的信號以單端、兩個(gè)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(fā)模式設定為 middle trigger。

    測試信號產(chǎn)生：發(fā)射端的基頻信號封包frame是由ADLINK 自行開(kāi)發(fā)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡信號控制程序產(chǎn)生。程序會(huì )不斷重復的產(chǎn)生傳送frame，每一個(gè)封包的 preamble符號串(symbol sequences，包括兩個(gè)short 和兩個(gè) long symbols) 都是依照 802.11a 規范的訓練符號 (training symbol)依序產(chǎn)生。Data的長(cháng)度與內容為任意，封包與封包的時(shí)間間隔也是任意設定的。在本測試中，Data的長(cháng)度設定在4096±n 個(gè)period，時(shí)間間隔是任意設定。

    基頻信號分析：通過(guò)正確的觸發(fā)模式設定，PXI-9820 可以精確地從每一個(gè) frame 的起點(diǎn)開(kāi)始數據采樣，然后將整個(gè) frame 的數據傳送至 PXI-3800 控制器的內存中。通過(guò) PXI-3800 強大的運算能力，所有數據會(huì )進(jìn)行實(shí)時(shí)的演算，并將整個(gè) preamble 與 DATA 的部分進(jìn)行下列計算：(1)將個(gè)別的單端I，Q信號轉變成一個(gè)復數信號(I+Qi，complex signal) (2)針對每個(gè)符號(symbol)，舍棄前16點(diǎn)循環(huán)擴展(Cyclic Extension)的部份，進(jìn)行后64點(diǎn)的FFT計算，總計有2個(gè)短訓練序列與2個(gè)長(cháng)訓練序列的FFT計算，接著(zhù)以BPSK解調變  (3)與步驟2相同，對后續的DATA 的部分進(jìn)行FFT計算，接著(zhù)進(jìn)行64-QAM及星座圖(constellation)計算 (4)計算信號的EVM，作為傳輸品質(zhì)及系統設計的量化參考值。其中EVM 的定義為：

圖(五)系統量測結果，包括IQ 信號，BPSK，64-QAM，與EVM

結論：
    由本系統的開(kāi)發(fā)過(guò)程和實(shí)際應用情況可以看出，只要選擇規格適當的高速數據采集卡，搭配功能齊全的計算機，再加上一些研發(fā)人員開(kāi)發(fā)的相關(guān)軟硬件接口，其實(shí)就可以很快速的設計出一套價(jià)格低廉、功能實(shí)用、又可以輕易大量復制的WLAN模塊檢測設備。也許有些讀者會(huì )覺(jué)得，要發(fā)展這些搭配的軟硬件接口會(huì )有一些難度，并且會(huì )花費許多時(shí)間。但是我們的經(jīng)驗發(fā)現，有這種需求的產(chǎn)業(yè)，通常會(huì )有了解規格的研發(fā)人員，只要挑選到規格合適的數據采集卡，最關(guān)鍵的會(huì )是在撰寫(xiě)相關(guān)的信號處理程序上，這正是了解規格的研發(fā)人員的專(zhuān)長(cháng)，所以通常是時(shí)間的問(wèn)題，不是難度的問(wèn)題。到底值不值得這樣做呢? 以本文為例，前端的轉換電路，對稍具經(jīng)驗的硬件工程師來(lái)說(shuō)應該不難。后端的實(shí)時(shí) I-Q 信號分析程序，對網(wǎng)通業(yè)者來(lái)說(shuō)應該是更簡(jiǎn)單?；ú婚L(cháng)的時(shí)間，卻換來(lái)可能讓生產(chǎn)成本大幅降低的機會(huì )。

    這樣的系統只要再加強物理層(PHY)無(wú)線(xiàn)數字信號處理算法的功能，就可以用來(lái)驗證發(fā)射端物理層(Tx PHY)的系統設計性能，或是接收端相關(guān)信號處理算法的品質(zhì)。如果再搭配矢量信號發(fā)生器(VSG, Vector Signal Generator) ，那就可以用來(lái)評估發(fā)射-接收端(Tx-Rx)的硬件設計性能，也可以提供給生產(chǎn)線(xiàn)用做產(chǎn)品基頻性能的驗證。當然若再加上上變頻器(UP Converter) 與下變頻器(DOWN Converter)的電路，那就幾乎可以當作一部真正WLAN 相關(guān)產(chǎn)品的測試機臺了。

    正如我們前面所述，WLAN廠(chǎng)商(包括芯片設計，系統生產(chǎn))面臨著(zhù)非常巨大的商機，但同時(shí)也必須背負著(zhù)龐大的研發(fā)設計驗證和生產(chǎn)測試的設備成本壓力。 而放眼未來(lái)新一代的產(chǎn)品，譬如MIMO (Multiple Input, Multiple Output) for WLAN，Ultra Wide Band (UWB)等,雖然規格是WLAN的進(jìn)階或是原理類(lèi)似，但是原有的測試設備卻不見(jiàn)得可以使用在新產(chǎn)品上。到時(shí)是否又必須舍棄掉原有昂貴且數目眾多的驗證和生產(chǎn)測試設備，另外再花費巨資購置新一代的設備? 本文利用高速數據采集卡設計一套WLAN產(chǎn)品檢測系統，除了可明顯縮短開(kāi)發(fā)周期外，并且具有成本低廉、功能可以彈性擴展、容易大量復制給研發(fā)人員及產(chǎn)品線(xiàn)使用和易于升級至下一代產(chǎn)品等優(yōu)點(diǎn)。其實(shí)相同的概念也可以運用在 TFT-TV,、機頂盒、通訊產(chǎn)業(yè)等。關(guān)鍵在于：只要找到規格適當的數據采集卡，人人都可以制作出成本令人滿(mǎn)意的檢測系統。