近年来已有不少公司推出高速数据采集卡" title="高速数据采集卡">高速数据采集卡(High Speed Data Acquisition Card)，并且声称可以应用在军用雷达信号分析" title="信号分析">信号分析、超声信号分析、数字广播信号分析，或是喷墨式墨盒系统测试等各个方面。这些高速数据采集卡的规格多为：20MS/s～100MS/s的采样频率，30MHz～60MHz的带宽，可以供多组模拟信号同时输入，范围可通过软件选择等。从理论上讲，这些条件可以胜任上述应用，但实际的应用实例并不多。基于此原因，本文以规格适当的高速数据采集卡为例，设计一套无线局域网络(WLAN)基频发射模块测试系统，阐述其在无线局域网络(WLAN)研发及批量生产测试设备方面的可能应用，希望能给读者提供更多的思路。
　　为何选择WLAN为应用对象呢？以台湾网通正文公司(Gemtek)为例，2005年NB(笔记型计算机)内建WLAN模块的比例将接近90%，同时预估从第二季起内建模块的标准化将从802.11g提升为802.11a+g，全年的出货量将达到2000万～2500万套之间。另外一家公司建汉(CyberTAN Tech.) 也预期其整体WLAN产品的出货量将挑战2500万套。阳庆(GlobalSun Tech.)正式并入友劲后，也预期2005年WLAN的出货量将挑战800万套。以上数据都显示WLAN及其相关产品未来成长的空间还很大，谁能够胜出取决于谁能快速设计出符合规格又可以快速大量生产的产品。这一方面有赖于研发人员对研发阶段可能发生的问题的有效解决及完整的验证；另一方面有赖于生产线是否有足够的测试机台以确保产品的品质和性能。但是从现有测试平台的价位与效率来看，动辄每台数十万人民币及每分钟一片的测试效率，各厂商(包括芯片设计、系统生产)是否有意愿和能力购置数量如此庞大的设备以供研发单位及生产线使用，恐怕是未来各厂商都要伤透脑筋考虑的问题。
　　由于今后芯片和设备生产厂商都会加强测试实验室的建设，同时利用更多更新的测试设备仿真实际射频网络环境并测试产品和网络解决方案的高稳定性和可扩展性，所以价格低廉且功能可以弹性扩展的研发验证工具必然有其市场。本文以凌华科技最近推出的PXI-9820高速数据采集卡为核心，设计了一套成本低廉、 功能弹性且适于大量复制的WLAN发射模块实时误差向量幅度(real-time Error Vector Magnitude，EVM)测试系统。
1 系统构成
　　该系统共分成三大部份：WLAN发射模块、高速数据采集卡及控制器模块以及软件接口和EVM计算分析软件模块。
　　(1)WLAN发射模块
　　·市售无线网卡(802.11.a)+card bus：WLAN发射模块主体；
　　·Analog Device Instrument(ADI)的Evaluation board：将I+、I-、Q+、Q-差分信号转为单端" title="单端">单端输出电路的I、Q信号。
　　(2)高速数据采集卡及控制器模块
　　·ADLINK PXI-3800：Pentium-M 1.6GHz PXI控制器，实时信号处理；
　　·ADLINK PXIS-2506：3U 6-slot PXI便携式机箱；
　　·ADLINK PXI-9820：3U PXI 65MS/s，14-bit digitizer with on-board 128MB SDRAM，采集IQ信号。
　　(3)软件接口和EVM计算分析软件模块
　　·ADLINK in-house无线网卡信号控制程序：控制WLAN卡重复产生信号帧(frame)并传送信号帧；
　　·ADLINK in-house实时I-Q信号分析程序：进行离散快速傅利叶转换，64-QAM，计算EVM等。
　　图1为测试系统的示意方块图。PXI-3800控制器执行无线网卡信号控制程序，通过card bus使无线网卡不断输出待量测的Tx信号。因为网卡上的输出信号为I+、I-、Q+、Q-的差分信号，而笔者使用的信号采集卡为2个通道的单端输入，所以需要用转换电路将差分信号转换为单端输出，这部份用Analog Device Instrument(ADI)的Evaluation board实现。最后将待分析的基频IQ信号输入PXI-9820，并以in house的实时I-Q信号分析程序在PXI-3800上进行FFT、EVM等分析。

2 实现原理
　　在IEEE 802.11a的规格中定义了如图2的无线局域网络传送/接收的工作原理。物理层PHY(physical layer)采用正交频分复用OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技术，将不同频率载波中的大量信号合并成单一的信号，完成信号传送。在发射端(Tx，Transmitter)，每个信号帧传送之前先利用反快速傅利叶转换(IFFT)调变待传送的信号；然后利用相位-振幅调变(IQ modulation，I：in-phase，Q：quadrature)分别将相位-振幅信号取出；最后用射频(RF，Radio Frequency)电路将信号从基频(base band)上变频到 5GHz的频带再传送出去。接收端(Rx，Receiver)则是先将射频信号降频到基频，再分别解调变出IQ信号，利用快速傅利叶变换(FFT)还原每一个传送的信号帧。
　　为了聚焦本文的主题——高速数据采集卡的应用实例，在WLAN电路与信号处理上做了以下几项简化：
　　(1)跳过射频电路，直接采集Base band基频的信号来分析。
　　(2)IQ解调变电路以两片ADI的Evaluation board实现。
　　(3)时序同步与采样时钟同步等议题并不特别讨论。在单端的IQ信号之后定义了一个简单的阈值(threshold value)，使接收端可以在解调子载波前找到符号边界(symbol boundary)。
　　(4)未实现细部的信号处理技巧(如data descrambler/convolutional encoder/data interleaving/normalize average power/windowing function…)。
　　通过实际完成的系统效果来看，上述简化对本系统具有一定帮助。
　　此外，每一次传送的帧结构如图3所示，其中 802.11a/g规范了同步码(preamble)部分，首先需要先发送10个重复的短训练序列(short training sequence，共8μs)，后面跟着2个重复的长训练序列(long training sequence，也是8μs)，两者都以BPSK方式调变。后续的SIGNAL与Data部分(皆为4μs)则是以OFDM/64-QAM方式调变。Data 的数目为任意，可以程控。

3 测试方法
　　(1)测试信号量测
　　测试系统的任务是对WLAN电路板的特定位置进行基频的信号测量(图2的Testing Point)。电路在 Guard Interval(GI)Addition后分别接出两组测试点I+、I-、Q+、Q-。这两组信号为 I 与 Q的差分信号，通过一组ADI的差分信号转单端输出的电路，将I与Q的信号以单端、两个频道的方式输入PXI-9820 Digitizer。PXI-9820的采样速率设定为60MS/s，分辨率为14-bit，触发模式设定为middle trigger。
　　(2)测试信号产生
　　发射端的基频信号帧由ADLINK自行开发的无线网卡信号控制程序产生。程序会不断地重复产生传送帧，每一帧的preamble符号串(包括两个短符号和两个长符号)都是依照 802.11a规范的训练符号依序产生。Data的长度与内容为任意，帧与帧的时间间隔也是任意设定的。在本测试中，Data的长度设定在4096±n个period，时间间隔是任意设定。
　　(3)基频信号分析
　　通过正确的触发模式设定，PXI-9820可以精确地从每一个帧的起点开始数据采样，然后将整个帧的数据传送至PXI-3800控制器的内存中。通过PXI-3800强大的运算能力，所有数据会进行实时演算，并将整个preamble与DATA的部分进行下列计算：
　　①将个别的单端I、Q信号转变成一个复数信号(I+Qi，complex signal)。
　　②针对每个符号，舍弃前16点循环扩展(Cyclic Extension)的部份，进行后64点的FFT计算，总计有2个短训练序列与2个长训练序列的FFT计算，接着以BPSK解调变。
　　③与步骤②相同，对后续的DATA部分进行FFT计算，接着进行64-QAM及星座图(constellation)计算。
　　④计算信号的EVM，作为传输品质及系统设计的量化参考值。其中EVM定义为：
　　

　　Z为测试信号，R为理想信号，M为量测符号数，k为样本序号
4 测试结果
　　图4为ADLINK自行开发的实时I-Q信号分析程序软件界面。最上方的信号为I part，下方的信号为Q part。仔细观察这些信号，最左方规律的部分为preamble(short与long)符号串，右方不规律部分为Data。左下方标示“I/Q Vector for PLCP preamble(BPSK)”为preamble经过BPSK编码之后的结果。右下方标示“I/Q Vector for Data(64-QAM)”为Data经过64-QAM编码之后的星座图。中间标示“24.237”为此帧的EVM 值。处理完此帧之后，系统可以立即采集下一帧信号进行处理。