摘 要: 以凌華科技的高速資料采集卡PXI-9820為核心,設(shè)計(jì)了一套無線局域網(wǎng)絡(luò)基頻發(fā)射模塊" title="發(fā)射模塊">發(fā)射模塊測試系統(tǒng)" title="測試系統(tǒng)">測試系統(tǒng),對(duì)其系統(tǒng)構(gòu)成及實(shí)現(xiàn)流程進(jìn)行了介紹。
關(guān)鍵詞: 無線局域網(wǎng)絡(luò) 高速數(shù)據(jù)采集 誤差向量幅度 正交分頻多任務(wù) 基頻
近年來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?;诖嗽颍疚囊砸?guī)格適當(dāng)?shù)母咚贁?shù)據(jù)采集卡為例,設(shè)計(jì)一套無線局域網(wǎng)絡(luò)(WLAN)基頻發(fā)射模塊測試系統(tǒng),闡述其在無線局域網(wǎng)絡(luò)(WLAN)研發(fā)及批量生產(chǎn)測試設(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2000萬~2500萬套之間。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)2500萬套。陽慶(GlobalSun Tech.)正式并入友勁后,也預(yù)期2005年WLAN的出貨量將挑戰(zhàn)800萬套。以上數(shù)據(jù)都顯示W(wǎng)LAN及其相關(guān)產(chǎn)品未來成長的空間還很大,誰能夠勝出取決于誰能快速設(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)有測試平臺(tái)的價(jià)位與效率來看,動(dòng)輒每臺(tái)數(shù)十萬人民幣及每分鐘一片的測試效率,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,恐怕是未來各廠商都要傷透腦筋考慮的問題。
由于今后芯片和設(shè)備生產(chǎn)廠商都會(huì)加強(qiáng)測試實(shí)驗(yàn)室的建設(shè),同時(shí)利用更多更新的測試設(shè)備仿真實(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(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。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為測試系統(tǒng)的示意方塊圖。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),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)簡化:
(1)跳過射頻電路,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…)。
通過實(shí)際完成的系統(tǒng)效果來看,上述簡化對(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 測試方法
(1)測試信號(hào)量測
測試系統(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)測量(圖2的Testing Point)。電路在 Guard Interval(GI)Addition后分別接出兩組測試點(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)測試信號(hào)產(chǎn)生
發(fā)射端的基頻信號(hào)幀由ADLINK自行開發(fā)的無線網(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。在本測試中,Data的長度設(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。
④計(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為測試信號(hào),R為理想信號(hào),M為量測符號(hào)數(shù),k為樣本序號(hào)
4 測試結(jié)果
圖4為ADLINK自行開發(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。
由本系統(tǒng)的開發(fā)過程和實(shí)際應(yīng)用情況可以看出,只要選擇規(guī)格適當(dāng)?shù)母咚贁?shù)據(jù)采集卡,搭配功能齊全的計(jì)算機(jī),再加上一些研發(fā)人員開發(fā)的相關(guān)軟硬件接口,就可以快速地設(shè)計(jì)出一套價(jià)格低廉、功能實(shí)用、可以輕易大量復(fù)制的WLAN模塊檢測設(shè)備。也許有些讀者會(huì)覺得,要開發(fā)這些搭配的軟硬件接口會(huì)有一些難度,并且會(huì)花費(fèi)許多時(shí)間。但是筆者的經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),有這種需求的產(chǎn)業(yè),通常會(huì)有相關(guān)的研發(fā)人員。只要挑選到規(guī)格合適的數(shù)據(jù)采集卡,最關(guān)鍵的是編寫相關(guān)的信號(hào)處理程序,而這正是了解規(guī)格的研發(fā)人員的專長。
這樣的系統(tǒng)只要再加強(qiáng)物理層(PHY)無線數(shù)字信號(hào)處理算法的功能,就可以用來驗(yàn)證發(fā)射端物理層(Tx PHY)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)性能,或是接收端相關(guān)信號(hào)處理算法的品質(zhì)。如果再搭配矢量信號(hào)發(fā)生器(VSG,Vector Signal Generator),則可以用來評(píng)估發(fā)射-接收端(Tx-Rx)的硬件設(shè)計(jì)性能,也可以提供給生產(chǎn)線驗(yàn)證產(chǎn)品基頻性能。若再加上上變頻器(UP Converter)和下變頻器(DOWN Converter)的電路,便可以作為一部真正WLAN相關(guān)產(chǎn)品的測試機(jī)臺(tái)了。
正如前面所述,WLAN廠商(包括芯片設(shè)計(jì)、系統(tǒng)生產(chǎn))面臨著非常巨大的商機(jī),但同時(shí)也必須背負(fù)著龐大的研發(fā)設(shè)計(jì)驗(yàn)證和生產(chǎn)測試的設(shè)備成本壓力。而放眼未來新一代的產(chǎn)品,例如MIMO(Multiple Input,Multiple Output)for WLAN、Ultra Wide Band(UWB)等,雖然規(guī)格是WLAN的進(jìn)階或是原理類似,但是原有的測試設(shè)備卻不一定能用在新產(chǎn)品上。那時(shí)可能需要舍棄掉原有昂貴且數(shù)目眾多的驗(yàn)證和生產(chǎn)測試設(shè)備,另外再花費(fèi)巨資購置新一代的設(shè)備。本文利用高速數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì)一套WLAN產(chǎn)品檢測系統(tǒng),除了可明顯縮短開發(fā)周期外,還具有成本低廉、功能可彈性擴(kuò)展、容易大量復(fù)制給研發(fā)人員及產(chǎn)品線使用和易于升級(jí)至下一代產(chǎn)品等優(yōu)點(diǎn)。其實(shí)相同的概念也可以運(yùn)用在 TFT-TV、機(jī)頂盒、通信產(chǎn)業(yè)等。
參考文獻(xiàn)
1 IEEE std 802.11a-1999.IEEE,1999