信号应用高速采集卡实现无线局域网络基频发射模块测试系统

应用高速数据采集卡实现无线局域网络基频发射模块测试系统

•作者胡正涛博士凌华科技量测产品事业部资深研发经理倪浩然凌华科技量测产品事业

部产品经理

*供稿单位 AD LINK—凌华科技中国有限公司

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•发布时间 2005-2-7

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .* 应用领域:.电信/网络/通讯. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

摘要 :

关键词 :编码器电机工控步进电机

近年来已有不少公司推出高速数据采集卡 High Speed Data Acquisition Card〉  并且声称可以应用在军用雷达信号分析、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。仔细观察一下这些高速数据采集卡的规格 :20〜100 MS/s的采样频率sampling rate,30〜60MHz的带宽可以供多组模拟信号同时输入同时模拟输入的范围可通过软件选择 …等等 的确是有条件可以胜任上述应用可惜能在报章杂志上见到的应用实例并不多 也因此无法一窥其中的症结与奥秘。基于此原因本文将以规格适当的高速数据采集卡为例制作一套无线局域网络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希望能提供读者更多的想法。为何选择

WLAN为应用对象呢我们以台湾网通正文公司 Ge mte k为例他们表示 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2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2000-2500万套之间。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Global Sun 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谁能够胜出就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在研发阶段能有效解决可能发生的问题并经完整验证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。但是以现有的测试平台价位与效率来看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。基于未来芯片和设备生产厂商势必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来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的考虑价格低廉并且功能可以弹性扩展的研发验证工具必然有其市场。本文拟以凌华科技最近推出的 PXI-9820高速数据采集卡为核心设计一套成本低廉、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vreal-time Error Vector Mag ni tude,EVM测试系统 以期能提供给芯片设计与系统生产厂商另一个思考方向。 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、软件接口和 EVM计算分析软件模块。

1.WLAN发射模块

1>市售无线网卡802.11.a>+card bus :WLAN发射模块主体。

2>Analog Device Instrument ADI> 的Evaluation board:将I+ I -Q+ Q—差分信号转为单端输出电路之I,Q信号。

2.高速数据采集卡及控制器模块

1>ADLINK PXI-3800:Pe ntium-M 1.6GHz PXI控制器实时信号处理。

2>ADLINK PXIS-2506 : 3U 6-slot PXI便携式机箱。

3>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

1>AD LINK i n-ho us e无线网卡信号控制程序控制WLAN卡重复的产生传送封包frame〉并传送封包。

2>ADLINK i n-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一>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使无线网卡不断的输出待量测的 Tx信号。因为网卡上的输出信号为I+ I- Q+ Q—勺差分信号differential ended>但是我们用的信号采集卡为2个通道channel>的单端输入single ended>所以需要用一个转换电路来完成差分信号转换单端输出这部份我们用 An alog Device

Instrume ntADI>的Evaluatio n board来加以实现。最后将这个待分析的基频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。 图二>则为实际的基频发射模块测试系统。

ADLINK PXIS-2508.6-Glct PX1播箒型機箱

图一测试系

市售撫線網卡

方块图

基频发射模块测试系统原理在IEEE 802.11 a的规格中定义了如图六的无线局域网络传送/接收的工作原理物理层physical layer  PHY采用正交频分复用OFDMOrtho gonal

Freque ncy Divisio n Multiplexi ng 的技术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,Trans mitter每个信号封包frame〉传送之前先利用反快速傅利叶转换IFF T来调变传送的信号接着再利用相位-振幅调变IQmodul ati on I: in-p has e Q:quadrature〉分别将相位-振幅信号取出最后用射频RF Radi o

Frequency电路将信号从基频base band上变频到5G

Hz的频带再传送出去。接收端Rx,Receiver〉则是先将射频RF,Radi o

Frequency信号降频到基频再分别解调变出 IQ信号后利用快速傅利叶转换FFT还原每一个传送的信号封包。为了聚焦本文的主题 --高速数据采集卡的应用实例我们在WLAN电路与信号处理上做了几个简化  1跳过RF射频电路直接采集Baseb and基频的信号来分析。

2IQ解调变电路是以两片ADI的Evaluation board来实现。

3时序同步与采样时钟同步等议题并不特别讨论。我们在单端的 IQ信号之后定义了一个简单的阈值threshold value让接收端可以在解调子载波前找到符号边界symbolboundary。

4并未实现细部的信号处理技巧譬如data descrambler/convolutionalen coder/data in terleav ing/no rmalize average power/w in dow ing function们实际完成的系统效果来看

Testing Point

I Rx

L

上述的简化对本文的目的尚可接受。

图三无线局域网络传送/接收的运作原理

此外每一次传送的封包frame架构如图四其中802.11 a/g规范了同步码preamble》部分首先需要先发射10个重复的短训练序列short training sequenee共8口second后面跟着2个重复的长训练序列long training sequenee总共也是8口second两者都是以BPSK方式调变。后续的SIGNAL与Data部分皆为4口second则是以OFDM/64-QAM方式调变。 D ata的数目为任意可以由程控。测试方法测试信号量测测e m^试aBpior系irnteg统r-lse的任务是对 WLa电路板的特定位置进行基频的信号测量图

Interval GIAdditi o n后分别接出两组测点l+, I-,Q+,Q-。这两组信号为I与Q的差分信号differential signal通过一组ADI的差分信号转单端single end输出的电路我们将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。测试信号产生发射端的基频信号封包 fra me是由AD LINK自行开发的无线网卡信号控制程序产生。程序会不断重复的产生传送 frame每一个封包的preamble符号串symbol sequences包括两个short禾口两个long symbols〉都是依照802.11a规范的训练符号training symbol依序产生。Data的长度与内容为任意圭寸包与圭寸包的时间间隔也是任意设定的。在本测试中 D ata的长度设定在4096±n个period时间间隔是任意设定。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fr ame的起点开始数据采样然后将整个fr ame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的演算并将整个preambl e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l+Qi complex signal 2针对每个符号symbol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的部分进行FFT计算接着进行64-QAM及星座图c onstel l ati on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E VM的定义为z为测试信号R为理想信号M为量测符号数k为样本序号测试结果图五为AD LI NK自行开发的实时I-Q信号分析程序软件界面。最上方绿色的信号为 Ipart下方的红色的信号为Q part。仔细观察这些信号最左方规律的部分为preamble short与l ong〉符号串右方不规律部分为 D ata。左下方标示“I/QVector for PLCP preamble BPSK为preamble经过BPSK编码之后的结果。右下方标示“I/QVector for Data 64-QAM”为Data经过64-QAM编码之后的星座图。 中间标示“24.237'为这个fr ame的E VM值。处理完这个封包之后系统可以

立即采集下一个封包信号进行处理。

B P S K 64-QA M与E VM

结论 由本系统的开发过程和实际应用情况可以看出只要选择规格适当的高速数据采集卡搭配功能齐全的计算机再加上一些研发人员开发的相关软硬件接口 其实就可以很快速的设计出一套价格低廉、功能实用、又可以轻易大量复制的WLAN模块检测设备。也许有些读者会觉得要发展这些搭配的软硬件接口会有一些难

申明

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