近年來已有不少公司推出高速數據采集卡 (High Speed Data Acquisition Card), 并且聲稱可以應用在軍用雷達信號分析、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。仔細觀察一下這些高速數據采集卡的規格: 20～100 MS/s 的采樣頻率，30～60MHz 的帶寬，可以供多組模擬信號同時輸入，同時模擬輸入的范圍可通過軟件選擇… 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到的應用實例并不多, 也因此無法一窺其中的癥結與奧秘。基于此原因，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發射模塊實時誤差向量幅度(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廠商另一個思考方向。

　　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、軟件接口和EVM計算分析軟件模塊。

　　1. WLAN發射模塊：

　　1) 市售無線網卡(802.11.a) + card bus： WLAN發射模塊主體。

　　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，實時信號處理。

　　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 無線網卡信號控制程序：控制WLAN卡重復的產生傳送封包(frame)并傳送封包。

　　2) 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。

　　PXI-3800控制器執行無線網卡信號控制程序，通過 card bus 使無線網卡不斷的輸出待量測的Tx 信號。因為網卡上的輸出信號為I+，I–，Q+，Q–的差分信號 (differential ended)，但是我們用的信號采集卡為2個通道(channel)的單端輸入(single ended)，所以需要用一個轉換電路來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來加以實現。最后將這個待分析的基頻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。圖2則為實際的基頻發射模塊測試系統。

　　原理

　　在 IEEE 802.11a 的規格中定義了如圖3的無線局域網絡傳送/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，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)，每個信號封包(frame)傳送之前先利用反快速傅利葉轉換(IFFT)來調變傳送的信號;接著再利用相位-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例，我們在WLAN電路與信號處理上做了幾個簡化：

　　(1) 跳過RF射頻電路，直接采集Base band基頻的信號來分析。

　　(2) IQ 解調變電路是以兩片ADI 的Evaluation board來實現。

　　(3) 時序同步與采樣時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簡單的閾值(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…)

　　通過我們實際完成的系統效果來看，上述的簡化對本文的目的尚可接受。

　　此外，每一次傳送的封包 (frame) ，其中 802.11a/g 規范了同步碼 (preamble) 部分，首先需要先發射10個重復的短訓練序列(short training sequence，共8μ second)，后面跟著2個重復的長訓練序列(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。

　　測試方法

     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(一)中的Testing Point)，電路在 Guard Interval (GI) Addition 后分別接出兩組測點I+, I-, Q+, Q-。這兩組信號為 I 與 Q的差分信號 (differential signal)，通過一組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。

　　測試信號產生

　　發射端的基頻信號封包frame是由ADLINK 自行開發的無線網卡信號控制程序產生。程序會不斷重復的產生傳送frame，每一個封包的 preamble符號串(symbol sequences，包括兩個short 和兩個 long symbols) 都是依照 802.11a 規范的訓練符號 (training symbol)依序產生。Data的長度與內容為任意，封包與封包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。

　　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 frame 的起點開始數據采樣，然后將整個 frame 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的演算，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(symbol)，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 的部分進行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 的定義為：

　　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

　　測試結果

　　最上方綠色的信號為I part，下方的紅色的信號為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” 為這個frame 的 EVM 值。處理完這個封包之后，系統可以立即采集下一個封包信號進行處理。

　　結語

　　由本系統的開發過程和實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，再加上一些研發人員開發的相關軟硬件接口，其實就可以很快速的設計出一套價格低廉、功能實用、又可以輕易大量復制的WLAN模塊檢測設備。也許有些讀者會覺得，要發展這些搭配的軟硬件接口會有一些難度，并且會花費許多時間。但是我們的經驗發現，有這種需求的產業，通常會有了解規格的研發人員，只要挑選到規格合適的數據采集卡，最關鍵的會是在撰寫相關的信號處理程序上，這正是了解規格的研發人員的專長，所以通常是時間的問題，不是難度的問題。到底值不值得這樣做呢? 以本文為例，前端的轉換電路，對稍具經驗的硬件工程師來說應該不難。后端的實時 I-Q 信號分析程序，對網通業者來說應該是更簡單。花不長的時間，卻換來可能讓生產成本大幅降低的機會。

　　這樣的系統只要再加強物理層(PHY)無線數字信號處理算法的功能，就可以用來驗證發射端物理層(Tx PHY)的系統設計性能，或是接收端相關信號處理算法的品質。如果再搭配矢量信號發生器(VSG, Vector Signal Generator) ，那就可以用來評估發射-接收端(Tx-Rx)的硬件設計性能，也可以提供給生產線用做產品基頻性能的驗證。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 相關產品的測試機臺了。

　　WLAN廠商(包括芯片設計，系統生產)目前面臨著非常巨大的商機，但同時也必須背負著龐大的研發設計驗證和生產測試的設備成本壓力。 而放眼未來新一代的產品，譬如MIMO (Multiple Input, Multiple Output) for WLAN，Ultra Wide Band (UWB)等,雖然規格是WLAN的進階或是原理類似，但是原有的測試設備卻不見得可以使用在新產品上。到時是否又必須舍棄掉原有昂貴且數目眾多的驗證和生產測試設備，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產品檢測系統，除了可明顯縮短開發周期外，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人員及產品線使用和易于升級至下一代產品等優點。其實相同的概念也可以運用在 TFT-TV,、機頂盒、通訊產業等。關鍵在于：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意的檢測系統。