MIMO技術的無線區(qū)域網(wǎng)路生產(chǎn)測試新挑戰(zhàn)

輸入與多重輸出（MIMO）技術可說是自數(shù)字通信問世以來，無線通訊技術最重要的下一個發(fā)展。許多新的無線通信標準都包含MIMO選項，但目前為止，最引人矚目的標準就屬美國電子電機工程師協(xié)會（IEEE）的802.11n無線區(qū)域網(wǎng)路（WLAN）標準了。雖然這項標準目前仍處于草案階段，但市面上已經(jīng)可以買到具有MIMO優(yōu)點的Pre-802.11nWLAN設備。各方評論這項設備的結果顯示，MIMO技術確實可行，運用這項技術，不需增加頻寬或輸出功率，即可大幅提高WLAN設備的資料速率和范圍。

MO的好處也不是平白享有，不用付出代價的。若要具備MIMO的能力，就必須在通訊連結的兩端使用多組發(fā)射器和接收器，除了會為產(chǎn)品增加成本和帶來額外的復雜度以外，也可能對生產(chǎn)和終程測試的成本造成極大的影響。另外，為了得到MIMO系統(tǒng)可以提高效能的好處，發(fā)射器和接收器本身的效能也必須大幅優(yōu)于我們對現(xiàn)有正交分頻多工（OFDM）WLAN標準（如802.11g）的期待。伴隨新的效能要求而來的是，所使用的生產(chǎn)測試系統(tǒng)必須克服新的挑戰(zhàn)，才能確保產(chǎn)品符合品質及效能要求的目標。而最值得關注的一點，則是有無可能在發(fā)射器和接收器的數(shù)目變成兩倍、三倍、甚至四倍，而且規(guī)格要求更嚴格的情形下，依然把測試成本控制在802.11a/g系統(tǒng)的水準？

生產(chǎn)測試方法的比較

AN制造商可以選擇MIMO測試要使用的測試設備類型和供應商，為了避免增加測試時間，有必要謹慎地選擇可以維持品質又能限制測試成本的方法。過去據(jù)以選擇傳統(tǒng)測試用的設備所依循的論點依舊適用于MIMO（參考資料2、3），然而，除了要維持可接受的測試時間以外，也有必要測試待測裝置（DUT）是否具有夠高的MIMO效能。測試方法通常有四種選擇：

傳統(tǒng)方法－黃金樣品（GoldenRadio，GR）、頻譜分析儀加功率錶
GR加支援單一頻道的單機式測試儀（OneBoxTester，OBT）
支援單一頻道的OBT
支援多頻道的OBT或多部OBT

多年來，WLAN生產(chǎn)都嘗試使用傳統(tǒng)的測試方法，早年之所以會採行這種方法純粹是因為沒有專用的WLAN測試儀器。這種方法有一些缺點，包括發(fā)射器（TX）的測試涵蓋范圍差，以及GR的支援性有限等。既沒有簡單的方法可以驗證TX的品質，而且因為使用的是特殊的測試模式，所以GR的方法也只適用于裝置類型相符的測試。

類型的裝置或新的標準出現(xiàn)時，通常會採用GR的方法，部分原因是未必會有適用的測試設備可以解調出新的信號。在生產(chǎn)初期使用GR還能驗證通信協(xié)定和媒體存取控制器（MAC），而經(jīng)過一段時間后，隨著產(chǎn)量的提高，通?？梢赞D向使用OBT，而逐步停用GR。

于傳統(tǒng)的測試方法，使用GR加單一部OBT確實有一些優(yōu)點。OBT應該可以提供高效能的解調能力，以便測試所有重要的TX參數(shù)，除了功率和頻譜量測以外，還包括誤差向量的值（EVM）、載波洩漏、以及頻譜平坦度等。運用OBT可以準確地校準GR的輸出，且可以使用GR，在模擬的MIMO條件下量測接收器的靈敏度。這樣做需要使用一個簡單的頻道模擬網(wǎng)路，或只要直接將DUT的接收器（RX）連接到GR的TX，加上適當?shù)乃p就行了。至于如何使用支援單一頻道的OBT來量測多個MIMO頻道的問題仍需要加以解決，足夠的測試涵蓋范圍和可接受的測試時間是很重要的，本文稍后會加以探討。

從生產(chǎn)測試的角度來看，採用單一部OBT是最簡單的方法，完全沒有使用GR的缺點，而且可以提供傳統(tǒng)方法具備的所有其它重要的量測能力。然而，必須要去瞭解的是：要用什么方法才能維持測試時間在可接受的范圍，且能涵蓋所有的MIMO測試項目。

理論上，支援多頻道的OBT或多部OBT應該能解決上述所有的問題，但代價是成本較高。如果可以觸發(fā)OBT來同時量測或產(chǎn)生多個信號，那么測試時間就可以與非MIMO的裝置近似。由于多頻道的產(chǎn)生器或分析儀可以測試出DUT真實的MIMO效能，因此可以涵蓋完整的MIMO測試項目。這種方法的最大問題在于測試的成本，舉例來說，具有三組頻道的DUT會需要使用一部含三個頻道的產(chǎn)生器和分析儀，或三部連接在一起的OBT，以進行適當?shù)挠|發(fā)測試。對某些WLAN制造商來說，可能無法接受這么高的測試設備成本，尤其是如果這種方法的優(yōu)點又無法證明成本增加是值得的話。

表1列出了上述每一種方法的優(yōu)缺點，表格最左邊這一欄是制造商在架設生產(chǎn)線時，通常會考慮的幾個主要因素，其重要性依序遞減。

表1：生產(chǎn)測試方法的比較

最佳的WLANOBT設計

由表1可以看出，如果可以解決速度上的限制，則使用單一部OBT進行MIMO測試是最好的方法。為了說明其可能性，有必要先來看看OBT的內(nèi)部架構。

WLANOBT的量測時間大部分都花在擷取資料的傳送上面，而非信號處理上面，因此，有必要設計一個可以限制傳送到信號處理器的資料量和傳送頻率的內(nèi)部架構。我們可以定義一些有助于設計出最佳OBT的原則：

些標準都達到后，就有可能以非常有效率的方式，在最理想的測試時間內(nèi)，量測WLANDUT。除此之外，只要運用適當?shù)念l道連結硬體，就可以測試MIMODUT，且測試時間只會略微增加一點點。

快速的MIMO量測

所述，因MIMODUT內(nèi)有額外的發(fā)射器和接收器，且MIMO有特定的測試要進行，因此需要執(zhí)行一些額外的量測。所需的測試方法不僅要能執(zhí)行額外的測試，還要能維持量測的正確性。使用多部OBT可以達到這樣的目的，然而，這種方法的成本對許多制造商來說可能太高了。另一種方法是使用單一部OBT，并設計一種方法來連接DUT和OBT，目標是要將量測速度最佳化并兼顧量測的正確性。有兩種做法可供參考：

●功率分配器/結合器（PowerSplitter/Combiner）

使用功率分配器/結合器，將每一個MIMO頻道與OBT相連接（圖1中的上圖）。這種結合的方法對某些制造商而言，或許會有吸引力，因為只要在每個頻道上使用特定且已知的payload資料，可能就可以提供虛擬的EVM量測，能大致看出每個TX的效能。然而，也可能無法判定因頻道隔離度不佳或暫態(tài)變化造成MIMO效能變差的狀況，另外，也無法檢查RX路徑的MIMO效能。

●切換矩陣（SwitchMatrix）

使用切換矩陣的方法（圖1中的下圖）可避免這些缺點，但是否也能避免測試時間大幅增加的問題？使用這種方法也還不清楚可以量測出多真實的MIMO效能，至于測試時間的問題則可以回過頭參考OBT的架構。記住：測試時間與擷取資料的處理方式比較有關，而非處理資料的時間，瞭解這一點以后，合理的下一步就是要確保取樣到的所有MIMOTX信號都要出現(xiàn)在DSP的存儲器中。這樣一來，所需的額外測試時間就只會受限于DSP的能力了。這種方法可能可以測出真實的MIMO效能，如頻道的隔離度和EVM，另外，也可能可以測試RX頻道的隔離度。其做法有兩種：一是將由DUT擷取到的原始MIMO資料傳到外部進行處理，以計算出頻道的隔離度；二是觀察一個沒有輸入信號之頻道的接收信號強度指示器（RSSI）或封包錯誤率（PER），而另一個頻道則連接到產(chǎn)生器，藉此測定隔離度。

圖1：使用單一部OBT進行MIMO測試的另一種選擇

MIMO特有的測試

●校準與調校

如同802.11a/b/gWLAN裝置一樣，MIMO裝置也需要校準或調校。其做法是先在預先定義好的特定條件下量測DUT的原始效能、將測試資料儲存在測試機臺或伺服器中、然后將這份資料處理過的版本下載到DUT中。每一家晶片商都有自己偏好的校準方法。目前觀察到的一般趨勢是，隨著新裝置的出現(xiàn)，所執(zhí)行的校準次數(shù)已變得愈來愈少，預計這樣的趨勢還會持續(xù)，最終有可能會免除所有的校準，以便徹底改善每個裝置的總體測試時間。

●參數(shù)測試

一旦MIMODUT成功完成校準程序后，就應該進行完整的測試，且通過測試的機率應該要相當高。這個階段所要執(zhí)行的測試需經(jīng)過審慎的挑選，以便能檢測出最多已知的生產(chǎn)問題。許多測試項目與802.11a/b/gWLANDUT是一樣的，另外再加入一些適當?shù)臏y試，以確保產(chǎn)品具有夠高的MIMO效能：

表2：MIMO的測試項目

●測試時間的考量

圖2所示為利用一部OBT來測試802.11a/g裝置時，每個項目所花的典型量測時間。

圖2：測試典型的802.11a/g裝置時每個項目所花費的時間比例

2.11a/gDUT的總測試時間通常介于50和80秒之間，取決于所採用的測試計畫和設備。您可能會猜想說：除非每個MIMO頻道都個別使用一套測試設備，否則測試時間會與頻道數(shù)成正比增加，另外還要再加上一些執(zhí)行MIMO特有測試的時間。不過，實際的情形是，測試時間完全取決于測試儀器的架構，以及在儀器中所設定的測試方式。由圖2可以看出，功率和頻譜量測是佔據(jù)總測試時間最大宗的兩項，RX校準和靈敏度測試居次，剩余的其它測試僅佔了總測試時間的一小部份而已。

一步的瓶頸分析可以得知，只要將OBT的架構設計最佳化，盡可能減少在OBT內(nèi)傳送大塊的資料，或是在某些情況下，透過LAN或USB將大塊的資料從OBT送到PC中執(zhí)行進一步處理的必要，就可以大幅改善測試時間的問題。顯然，測試時間并非全然取決于要執(zhí)行的測試有多少，而是OBT如何擷取資料以及如何將它傳送到數(shù)字信號處理器（DSP）中。

結語

落實MIMOWLAN產(chǎn)品的優(yōu)點，就必須在生產(chǎn)制造的過程中，量測會影響MIMO效能的每一項因素。這不僅需要進行所有傳統(tǒng)的WLAN量測，以確保每一個MIMO頻道都能正確地運作，還必須檢查頻道間的串訊（或隔離度）。不難瞭解如果測試計畫無法驗證特定的MIMO效能，那么一些可能嚴重影響MIMO能力的生產(chǎn)問題或許就無法被檢測出來了。需要有健全完整的測試方法和技術，才能確保新的MIMOWLAN產(chǎn)品的品質、可靠度及效能。

最佳的OBT架構，才有可能提供802.11a/b/g和MIMO裝置所需的測試計畫，既能避免測試時間大幅增加，又能確保足以涵蓋MIMO特有的各項測試。

倫科技專為WLAN和Bluetooth生產(chǎn)測試而設計的＂MIMOready＂無線網(wǎng)路測試儀：N4010A，即可達到本文中所描述的，透過過最佳化調整，針對OFDM信號提供快速量測。