面向設(shè)計(jì)與制造的MIMO測試方法選擇

在電視問世的早期，同樣攜帶了無線電信息的廣播信號也通過多條不同波長的通路被電視機(jī)的天線所接收，給人們帶來了很多麻煩。當(dāng)信號沿著這些通路進(jìn)行傳輸時(shí)，電視天線接收到的信號出現(xiàn)了相位錯(cuò)位和相互干擾的現(xiàn)象。因此，人們所看到的電視節(jié)目經(jīng)常出現(xiàn)“鬼影”――干擾電視主畫面的一些模糊圖像。

在今天這個(gè)數(shù)字化的時(shí)代，這一現(xiàn)象已經(jīng)變成了一件有利的事情，但是也帶來了更大的系統(tǒng)復(fù)雜性。通過靈活而巧妙地選擇測試工具可以確保這種系統(tǒng)復(fù)雜性不會(huì)影響設(shè)備的功能。

LitePoint公司推出的IQnn測試系統(tǒng)具有軟硬件相結(jié)合的矢量信號生成與分析功能，大大簡化了基于MIMO設(shè)備的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)測試。

MIMO技術(shù)

目前，在數(shù)字信號處理領(lǐng)域，設(shè)計(jì)人員通常將寬帶數(shù)據(jù)分離開，通過多對“發(fā)射器-天線”裝置進(jìn)行傳輸，然后捕獲、分辨并重構(gòu)出原始數(shù)據(jù)流。這種技術(shù)的目的在于采用相同數(shù)量的頻譜實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)吞吐率。當(dāng)前的MIMO（即多輸入多輸出）技術(shù)是與移動(dòng)WiMAX的“第二波”技術(shù)浪潮密切相關(guān)的。

MIMO是一種比較復(fù)雜的技術(shù)，因此將其集成到無線系統(tǒng)中面臨著諸多挑戰(zhàn)。目前MIMO規(guī)范支持“mn”種發(fā)射器（m）和接收器（n）的組合，但是在已有的實(shí)際系統(tǒng)中m和n的大小都不超過4。

以黑盒的方式來看，WiMAX設(shè)備必須對一定量的數(shù)據(jù)流進(jìn)行輸入、分離和發(fā)送操作，使得每一個(gè)發(fā)射信號都滿足MIMO的頻率、頻譜和其他技術(shù)指標(biāo)。WiMAX設(shè)備的接收器必須捕獲復(fù)合信號，并對其進(jìn)行解析以產(chǎn)生分離的數(shù)據(jù)流，然后重構(gòu)出原始的數(shù)據(jù)流。

WiMAX在很多方面與Wi-Fi是類似的。雖然WiMAX相比Wi-Fi支持更高的數(shù)據(jù)吞吐率和更遠(yuǎn)的傳輸距離，但是WiMAX與Wi-Fi一樣，將成為一種具有同等成本與價(jià)格的大量市場（mass-market）技術(shù)。因此，盡管WiMAX技術(shù)比較復(fù)雜，但是我們必須加快研發(fā)速度，并盡量降低成本。而且，由于用戶通常對產(chǎn)品質(zhì)量非常敏感，而對設(shè)備價(jià)格不是很關(guān)心，因此制造測試必須在大量市場成本約束之內(nèi)保持較高的產(chǎn)品質(zhì)量。

新型的多通道方案

大多數(shù)工程師都會(huì)因?yàn)?02.11n標(biāo)準(zhǔn)而將MIMO與Wi-Fi聯(lián)系起來。802.11n標(biāo)準(zhǔn)建立在原有的Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)802.11a、b和g之上，確定了一種22、20MHz信道MIMO實(shí)現(xiàn)方案。該實(shí)現(xiàn)方案使用兩個(gè)發(fā)射器發(fā)送由一條大數(shù)據(jù)流分離而產(chǎn)生的兩條獨(dú)立的數(shù)據(jù)流（空分多路復(fù)用）。這些信號通過多條路徑傳送給兩個(gè)接收器，然后由接收器重構(gòu)出原始信號（如圖1所示）。

圖1 對于22的系統(tǒng)，MIMO將一個(gè)寬帶信號分離成兩個(gè)獨(dú)立的信號分量

實(shí)質(zhì)上，分離的數(shù)據(jù)流――每個(gè)支持50Mb/s范圍內(nèi)的Wi-Fi數(shù)據(jù)速率―產(chǎn)生一個(gè)具有70Mb/s數(shù)據(jù)速率的重構(gòu)數(shù)據(jù)流（理論上講該速率可達(dá)100Mb/s）。并且，所有這些數(shù)據(jù)集成在一個(gè)20MHz的信道內(nèi)。因此MIMO相比使用同樣帶寬的傳統(tǒng)Wi-Fi將數(shù)據(jù)速率提高了50%。

通過使用多路傳輸方式，在每個(gè)接收天線上采用空間微分技術(shù)，使得DSP能夠進(jìn)行信號分離并恢復(fù)原始的兩路數(shù)據(jù)流。使用相同射頻信道的獨(dú)立發(fā)射器，在它們各自的天線上發(fā)送出獨(dú)立的數(shù)據(jù)，然后，接收天線匯集所有發(fā)射器的復(fù)合信號。通過巧妙設(shè)計(jì)的MIMO報(bào)文和先進(jìn)的DSP，就可以恢復(fù)出獨(dú)立的數(shù)據(jù)流。數(shù)據(jù)速率與發(fā)射器和天線數(shù)量之間具有幾乎線性的關(guān)系，速率的提高并不需要增大信道帶寬。

研發(fā)測試

為了實(shí)現(xiàn)高效的Wi-Fi MIMO功能，設(shè)計(jì)者必須采用一種稱為正交頻分多路復(fù)用（OFDM）的復(fù)合調(diào)制技術(shù)，開發(fā)出一種能夠產(chǎn)生高質(zhì)量信號的系統(tǒng)。

MIMO無線架構(gòu)通常使用零中頻（ZIF），通過同相（I）和正交（Q）調(diào)制實(shí)現(xiàn)低成本、高效率的OFDM。其中，基帶信號被分離成I、Q分量。在發(fā)射器一側(cè)，系統(tǒng)將這些分量直接送入功率放大器和天線，而在接收器一側(cè)，系統(tǒng)對射頻信號進(jìn)行解調(diào)，產(chǎn)生基帶I、Q分量。

在理想情況下，這種方案是沒有錯(cuò)誤的，但是實(shí)際上多種因素都將帶來麻煩。I和Q信號之間可能會(huì)出現(xiàn)不均衡的幅值、相位或群延遲，從而影響調(diào)制的精度。載頻不準(zhǔn)確、相位噪聲、本機(jī)振蕩器泄漏、寄生干擾和放大器壓縮等都是可能出現(xiàn)的不利因素，因此設(shè)計(jì)者顯然面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

研發(fā)測試的目的是尋找出這些不均衡的或不利的因素。這些不利因素可能以各種形式表現(xiàn)出來：基帶和射頻芯片性能上的差異、元件容差范圍過大、傳輸線阻抗失配、與PCB布線相關(guān)的寄生電容和電感的差異、放大器非線性等。盡管設(shè)計(jì)者可以通過對信號各個(gè)方面的測試進(jìn)一步處理這些不利因素的來源，但是，這是一件非常費(fèi)時(shí)費(fèi)力的事情，而且容易導(dǎo)致錯(cuò)誤和可重復(fù)性問題。

對于這種情況，更有效地解決之道是采用系統(tǒng)級的測試方法。在這種方法中，我們可以通過在一次采樣內(nèi)傳達(dá)多種信息的方式，對設(shè)計(jì)的基帶信號、射頻發(fā)射信號或復(fù)合接收信號的多個(gè)方面進(jìn)行采樣，而不再采用一連串采樣的方式。通過這種系統(tǒng)級測試的方法，我們可以更方便地快速分析所捕獲的信號，并找出是哪些不利因素降低了信號質(zhì)量。

例如，誤差矢量值（EVM）就是一種能夠?qū)Σ东@的復(fù)合信號進(jìn)行智能分析的測量手段。EVM能夠直接測量出調(diào)制的精度和信號的總體質(zhì)量，包括幅度和相位誤差，并且能夠即將體現(xiàn)射頻信號失真的所有參數(shù)合成在一個(gè)視圖內(nèi)。

EVM是理想的（即沒有誤差的）信號群判定點(diǎn)與實(shí)際的測量信號之間的矢量差。如果副載波出現(xiàn)了偏移或者失真過大以至于影響了調(diào)制/解調(diào)精度，那么通過信號群的視圖（如圖2所示）就可以立刻反映出來。通過平均EVM信號的dB值與副載波調(diào)號之間的關(guān)系圖，我們可以發(fā)現(xiàn)一些諸如由群延遲導(dǎo)致的問題。

圖2 Tx1和Tx2的64 QAM數(shù)據(jù)流信號的群視圖，這是一種理想情況，其中調(diào)制信號是沒有失真的

如果將矢量信號發(fā)生器（VSG）和矢量信號分析儀（VSA）兩種功能組合在一起構(gòu)成一套系統(tǒng)，那么采用這種系統(tǒng)就可以產(chǎn)生接收測試所需的典型復(fù)合信號，以及發(fā)射測試所需的獨(dú)立信號流。這種系統(tǒng)還能夠提供信號的群視圖和其他一些結(jié)果，通過較少的測試儀器配置工作就能夠迅速防止某些設(shè)計(jì)問題。

制造測試

假設(shè)試生產(chǎn)的設(shè)計(jì)徹底地通過了測試與驗(yàn)證，然后接下來的制造測試就是另外一種完全不同的情況了。這時(shí)，我們不再關(guān)心如何尋找設(shè)計(jì)缺陷的問題――假設(shè)設(shè)計(jì)是好的，所有的問題都是由裝配誤差引起的。因此，我們的目標(biāo)是建立一種快速而全面的測試方案，能夠識別出不滿足某些裝配質(zhì)量規(guī)范的部件。

制造測試的成本在整個(gè)設(shè)備成本中只能占一小部分，否則它就會(huì)影響產(chǎn)品的定價(jià)。由于制造測試的目標(biāo)是尋找制造缺陷而不是設(shè)計(jì)缺陷，因此這里所用的測試系統(tǒng)不必像研發(fā)測試中所用的測試系統(tǒng)那樣具有全部的功能。不僅測試目標(biāo)有所不同，而且測試時(shí)間也必須縮短。

在制造過程中，由于群延遲而導(dǎo)致的設(shè)計(jì)缺陷已經(jīng)得到了確認(rèn)和解決，因此在制造測試過程中沒有發(fā)現(xiàn)的所有群延遲問題將成為必須查明的制造缺陷。

如果驅(qū)動(dòng)硬件系統(tǒng)的軟件算法能夠反映不同條件下的獨(dú)特測試需求，那么采用一套這樣的硬件測試方案就可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)研發(fā)測試與制造測試。利用軟件實(shí)現(xiàn)必要的靈活性對于當(dāng)前的無線市場具有特別的意義。

當(dāng)前的無線通信標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展十分迅速，這要求測試系統(tǒng)非常靈活：硬件系統(tǒng)的功能特征可以通過軟件來定義。LitePoint公司的IQ系列產(chǎn)品就是這樣的一個(gè)例子，它在一個(gè)公共的平臺上實(shí)現(xiàn)了“nn”的MIMO測試系統(tǒng)，稱為IQnn MIMO。該系統(tǒng)利用DSP和同步硬件，再配以IQsignal測試軟件，同時(shí)滿足了研發(fā)測試和制造測試所需的靈活性，只需要進(jìn)行少許的軟件切換和I/O改動(dòng)即可。IQmax MIMO版本還可用于Wi-Fi MIMO系統(tǒng)。