應(yīng)用高速數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)WLAN絡(luò)基頻發(fā)射模塊測(cè)試系統(tǒng)
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隨著各種無(wú)線通訊標(biāo)準(zhǔn)的制訂,無(wú)線通訊裝置的測(cè)試一直是芯片或設(shè)備廠商面臨的巨大挑戰(zhàn)之一。由于無(wú)線通訊信號(hào)較為特殊,在測(cè)試時(shí)需要高速(采樣高頻信號(hào))與高精度(提供足夠的動(dòng)態(tài)范圍)的數(shù)據(jù)采集裝置,搭配適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)分析軟件方能完成。在本文中,我們以凌華科技的高速資料采集卡-PXI-9820為核心,配合基于 MATLAB 所開(kāi)發(fā)的測(cè)試程序,進(jìn)行 Wireless LAN 基頻發(fā)射模塊的效能測(cè)試。我們將采集基頻信號(hào)經(jīng)正交分頻多任務(wù)(OFDM)調(diào)變后的I/Q(in-phase/quadrature)信號(hào),并進(jìn)行解調(diào)與演算,最后得出EVM(Error Vector Magnitude)值,作為判斷基頻發(fā)射模塊是否良好的重要指標(biāo)。
圖1 測(cè)試系統(tǒng)方塊圖
圖2 基頻發(fā)射模塊測(cè)試系統(tǒng)
近年來(lái)已有不少公司推出高速數(shù)據(jù)采集卡 (High Speed Data Acquisition Card), 并且聲稱(chēng)可以應(yīng)用在軍用雷達(dá)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(cè)試等各個(gè)方面。仔細(xì)觀察一下這些高速數(shù)據(jù)采集卡的規(guī)格: 20~100 MS/s 的采樣頻率,30~60MHz 的帶寬,可以供多組模擬信號(hào)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(yīng)用,可惜能在報(bào)章雜志上見(jiàn)到的應(yīng)用實(shí)例并不多, 也因此無(wú)法一窺其中的癥結(jié)與奧秘?;诖嗽颍疚臄M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)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(cè)試系統(tǒng),以期能提供給芯片設(shè)計(jì)與系統(tǒng)生產(chǎn)廠商另一個(gè)思考方向。
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、軟件接口和EVM計(jì)算分析軟件模塊。
1. WLAN發(fā)射模塊:
1) 市售無(wú)線網(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(hào)轉(zhuǎn)為單端輸出電路之I,Q信號(hào)。
2. 高速數(shù)據(jù)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(hào)處理。
2) ADLINK PXIS-2506: 3U 6-slot PXI 便攜式機(jī)箱。
3) 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:
1) ADLINK in-house 無(wú)線網(wǎng)卡信號(hào)控制程序:控制WLAN卡重復(fù)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(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(cè)試系統(tǒng)的示意方塊圖。PXI-3800控制器執(zhí)行無(wú)線網(wǎng)卡信號(hào)控制程序,通過(guò) card bus 使無(wú)線網(wǎng)卡不斷的輸出待量測(cè)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) (differential ended),但是我們用的信號(hào)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(zhuǎn)換電路來(lái)完成差分信號(hào)轉(zhuǎn)換單端輸出,這部份我們用ADI的Evaluation board來(lái)加以實(shí)現(xiàn)。最后將這個(gè)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。圖2則為實(shí)際的基頻發(fā)射模塊測(cè)試系統(tǒng)。
圖3 無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)傳送/接收的運(yùn)作原理
圖4 傳送封包 (frame) 架構(gòu)
原理
在 IEEE 802.11a 的規(guī)格中定義了如圖3的無(wú)線局域網(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(fù)用 (OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing)的技術(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)封包(frame)傳送之前先利用反快速傅利葉轉(zhuǎn)換(IFFT)來(lái)調(diào)變傳送的信號(hào);接著再利用相位-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 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(hào)降頻到基頻,再分別解調(diào)變出 IQ 信號(hào)后,利用快速傅利葉轉(zhuǎn)換(FFT)還原每一個(gè)傳送的信號(hào)封包。
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,我們?cè)赪LAN電路與信號(hào)處理上做了幾個(gè)簡(jiǎn)化:
(1) 跳過(guò)RF射頻電路,直接采集基頻的信號(hào)來(lái)分析。
(2) IQ 解調(diào)變電路是以?xún)善珹DI 的Evaluation board來(lái)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。我們?cè)趩味说?IQ信號(hào)之后定義了一個(gè)簡(jiǎn)單的閾值,讓接收端可以在解調(diào)子載波前找到符號(hào)邊界(symbol boundary)。
(4) 并未實(shí)現(xiàn)細(xì)部的信號(hào)處理技巧(譬如data descrambler/convolutional encoder/data interleaving/normalize average power/windowing function...)
圖5 系統(tǒng)量測(cè)結(jié)果,包括IQ 信號(hào),BPSK,64-QAM,與EVM
通過(guò)我們實(shí)際完成的系統(tǒng)效果來(lái)看,上述的簡(jiǎn)化對(duì)本文的目的尚可接受。
此外,每一次傳送的封包 (frame) 架構(gòu)如圖4,其中 802.11a/g 規(guī)范了同步碼 (preamble) 部分,首先需要先發(fā)射10個(gè)重復(fù)的短訓(xùn)練序列(short training sequence,共8ms),后面跟著2個(gè)重復(fù)的長(zhǎng)訓(xùn)練序列(long training sequence,總共也是8ms),兩者都是以 BPSK 方式調(diào)變。后續(xù)的信號(hào)與數(shù)據(jù)部分(皆為4ms)則是以 OFDM/64-QAM 方式調(diào)變。數(shù)據(jù)的數(shù)目為任意,可以由程控。
測(cè)試方法
測(cè)試信號(hào)量測(cè)
測(cè)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(cè)量(圖1中的Testing Point),電路在 Guard Interval (GI) Addition 后分別接出兩組測(cè)點(diǎn)I+, I-, Q+, Q-。這兩組信號(hào)為 I 與 Q的差分信號(hào),通過(guò)一組ADI的差分信號(hào)轉(zhuǎn)單端(single end) 輸出的電路,我們將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。
測(cè)試信號(hào)產(chǎn)生
發(fā)射端的基頻信號(hào)封包是由ADLINK 自行開(kāi)發(fā)的無(wú)線網(wǎng)卡信號(hào)控制程序產(chǎn)生。程序會(huì)不斷重復(fù)的產(chǎn)生傳送封包,每一個(gè)封包的 preamble符號(hào)串(symbol sequences,包括兩個(gè)short 和兩個(gè) long symbols) 都是依照 802.11a 規(guī)范的訓(xùn)練符號(hào) (training symbol)依序產(chǎn)生。數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度與內(nèi)容為任意,封包與封包的時(shí)間間隔也是任意設(shè)定的。在本測(cè)試中,數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度設(shè)定在4096n 個(gè)period,時(shí)間間隔是任意設(shè)定。
基頻信號(hào)分析
通過(guò)正確的觸發(fā)模式設(shè)定,PXI-9820 可以精確地從每一個(gè)封包的起點(diǎn)開(kāi)始數(shù)據(jù)采樣,然后將整個(gè)封包的數(shù)據(jù)傳送至 PXI-3800 控制器的內(nèi)存中。通過(guò) 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)的演算,并將整個(gè) preamble 與 DATA 的部分進(jìn)行下列計(jì)算:(1)將個(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) (2)針對(duì)每個(gè)符號(hào)(symbol),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(zhǎng)訓(xùn)練序列的FFT計(jì)算,接著以BPSK解調(diào)變 (3)與步驟2相同,對(duì)后續(xù)的DATA 的部分進(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 的定義為:
z為測(cè)試信號(hào),R為理想信號(hào),M為量測(cè)符號(hào)數(shù),k為樣本序號(hào)
測(cè)試結(jié)果
圖5為ADLINK 自行開(kāi)發(fā)的實(shí)時(shí) I-Q 信號(hào)分析程序軟件界面。最上方綠色的信號(hào)為I part,下方的紅色的信號(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(guò)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(guò)64-QAM 編碼之后的星座圖。中間標(biāo)示 "24.237" 為這個(gè)frame 的 EVM 值。處理完這個(gè)封包之后,系統(tǒng)可以立即采集下一個(gè)封包信號(hào)進(jìn)行處理。
結(jié)語(yǔ)
由本系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)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(kāi)發(fā)的相關(guān)軟硬件接口,其實(shí)就可以很快速的設(shè)計(jì)出一套價(jià)格低廉、功能實(shí)用、又可以輕易大量復(fù)制的WLAN模塊檢測(cè)設(shè)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(fèi)許多時(shí)間。但是我們的經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),有這種需求的產(chǎn)業(yè),通常會(huì)有了解規(guī)格的研發(fā)人員,只要挑選到規(guī)格合適的數(shù)據(jù)采集卡,最關(guān)鍵的會(huì)是在撰寫(xiě)相關(guān)的信號(hào)處理程序上,這正是了解規(guī)格的研發(fā)人員的專(zhuān)長(zhǎng),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(zhuǎn)換電路,對(duì)稍具經(jīng)驗(yàn)的硬件工程師來(lái)說(shuō)應(yīng)該不難。后端的實(shí)時(shí) I-Q 信號(hào)分析程序,對(duì)網(wǎng)通業(yè)者來(lái)說(shuō)應(yīng)該是更簡(jiǎn)單?;ú婚L(zhǎng)的時(shí)間,卻換來(lái)可能讓生產(chǎn)成本大幅降低的機(jī)會(huì)。
這樣的系統(tǒng)只要再加強(qiáng)物理層(PHY)無(wú)線數(shù)字信號(hào)處理算法的功能,就可以用來(lái)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) ,那就可以用來(lái)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)線用做產(chǎn)品基頻性能的驗(yàn)證。當(dāng)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(dāng)作一部真正WLAN 相關(guān)產(chǎn)品的測(cè)試機(jī)了。
WLAN廠商(包括芯片設(shè)計(jì),系統(tǒng)生產(chǎn))目前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(cè)試的設(shè)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(guī)格是WLAN的進(jìn)階或是原理類(lèi)似,但是原有的測(cè)試設(shè)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(shù)目眾多的驗(yàn)證和生產(chǎn)測(cè)試設(shè)備,另外再花費(fèi)巨資購(gòu)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(cè)系統(tǒng),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(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、通訊產(chǎn)業(yè)等。關(guān)鍵在于:只要找到規(guī)格適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)采集卡,人人都可以制作出成本令人滿(mǎn)意的檢測(cè)系統(tǒng)。