多輸入多輸出收發(fā)器系統(tǒng)的無(wú)線通信設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)多年作為理論方法和學(xué)術(shù)主題，多輸入多輸出(MIMO)收發(fā)器系統(tǒng)正在獲得重要的設(shè)計(jì)注意力和支持組件。該技術(shù)已被用于一些最新的4G代和下一代LTE(長(zhǎng)期演進(jìn))蜂窩標(biāo)準(zhǔn)，以提供所需的吞吐量和性能，以及Wi-Fi IEEE 802.11n標(biāo)準(zhǔn)。

MIMO方法背后的原理是在基站甚至用戶(hù)手機(jī)上使用多個(gè)半獨(dú)立天線和發(fā)送/接收信道，以克服不可避免的信號(hào)路徑問(wèn)題，如噪聲，衰落和多徑。實(shí)際上，MIMO在這些問(wèn)題上實(shí)現(xiàn)了“柔術(shù)”。它采用先進(jìn)的硬件和軟件將它們從之前被認(rèn)為是無(wú)線弱點(diǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)轱@著的優(yōu)勢(shì)和優(yōu)勢(shì)。

MIMO與分集系統(tǒng)

MIMO比分集天線系統(tǒng)復(fù)雜得多，復(fù)雜得多。使用多個(gè)天線以獲得更好的信號(hào)覆蓋是一項(xiàng)成熟的技術(shù);通常這是在接收器上完成的，但也可以在發(fā)射器上完成，發(fā)射器可能不在同一位置。 (請(qǐng)注意，為了避免混淆，業(yè)界現(xiàn)在將基本單天線系統(tǒng)稱(chēng)為單輸入，單輸出或SISO。)

在基本天線分集接收機(jī)設(shè)計(jì)中，使用兩個(gè)或更多天線，間隔為至少四分之一波長(zhǎng)。每個(gè)天線的信號(hào)都送到RF低噪聲放大器(LNA)，然后組合信號(hào)。這種組合可以通過(guò)不同的方式完成，其復(fù)雜性，成本和收益的規(guī)模越來(lái)越大。

在最簡(jiǎn)單的方法中(圖1a)，添加或組合兩個(gè)(或更多)放大的天線信號(hào)。這個(gè)想法是一個(gè)天線可能處于局部“死區(qū)”，而另一個(gè)天線將提供足夠的信號(hào)?；蛘?，如果問(wèn)題是低SNR而不是低接收功率，接收能量的信號(hào)部分將線性增加，但來(lái)自多個(gè)天線的隨機(jī)噪聲將僅增加其均方根(RMS)值，因此將會(huì)有SNR凈增加。

在天線分集的選擇版本中(圖1b)，連續(xù)測(cè)量每個(gè)天線的SNR，系統(tǒng)選擇具有最佳SNR的天線輸出，同時(shí)阻止其他天線到達(dá)接收器。最后，在交換分集方法(圖1c)中，使用一個(gè)天線直到其SNR低于某個(gè)預(yù)設(shè)閾值，然后系統(tǒng)切換到備用天線。

雖然多樣性是一種有效且相對(duì)低成本的提高系統(tǒng)性能的方法，但它在可實(shí)現(xiàn)的方面存在局限性。相比之下，MIMO需要更多的電路和嵌入式軟件(以及信號(hào)分析和處理算法)，但可以產(chǎn)生更好的性能和一致性。

MIMO架構(gòu)和復(fù)雜性

MIMO系統(tǒng)使用多個(gè)天線，接收器前端和發(fā)送路徑，而不僅僅依賴(lài)于多樣性設(shè)計(jì)中的多天線。這在天線和系統(tǒng)處理器之間創(chuàng)建了多個(gè)完整的接收/發(fā)送路徑。然后，處理器的任務(wù)是管理這些多路徑以獲得最佳系統(tǒng)性能。具有兩個(gè)通道(用于發(fā)送和接收路徑)的基本MIMO系統(tǒng)稱(chēng)為2×2設(shè)計(jì)(圖2);一些高級(jí)基站每個(gè)使用多達(dá)8個(gè)通道，給定8×8指定。注意，MIMO不必是對(duì)稱(chēng)的。例如，可以具有帶有兩個(gè)發(fā)送通道和一個(gè)接收通道(2×1指定)的系統(tǒng)。

圖2：2 x 2 MIMO系統(tǒng)完全復(fù)制了從處理器到天線的接收和發(fā)送通道電路。[!--empirenews.page--]

當(dāng)然，以上是對(duì)實(shí)現(xiàn)完整MIMO架構(gòu)的現(xiàn)實(shí)的簡(jiǎn)化。完整的MIMO設(shè)計(jì)有三個(gè)主要模塊：預(yù)編碼，空間復(fù)用和分集編碼：

在基本的“單層”預(yù)編碼中，每個(gè)發(fā)射天線廣播相同的信號(hào)，但具有相位和增益預(yù)調(diào)整以補(bǔ)償路徑延遲，多徑和其他偽像，目的是最大化接收器處的有用信號(hào)功率。由于MIMO系統(tǒng)具有多個(gè)接收天線，因此預(yù)編碼數(shù)據(jù)被分成用于不同天線的若干流。

空間復(fù)用使用的信息是多個(gè)發(fā)射天線。高速信號(hào)被分成多個(gè)較低速率的信號(hào)流，并且每個(gè)信號(hào)流由不同的天線發(fā)送，但是在相同的頻率信道中。多個(gè)接收器天線中的每一個(gè)看到不同的空間特征;因此，接收器可以將這些流分成并行通道。

分集編碼利用了以下事實(shí)：多個(gè)天線路徑的衰落特性通常是獨(dú)立的，至少在某種程度上是獨(dú)立的。它與單個(gè)流而不是多個(gè)流一起使用，并且使用諸如OFDMA(正交頻分多址)的全或近正交編碼技術(shù)利用空時(shí)編碼對(duì)信號(hào)進(jìn)行編碼，支持空間復(fù)用和分集編碼。

由于每個(gè)天線對(duì)于信號(hào)相位是獨(dú)立且可單獨(dú)控制的，因此MIMO系統(tǒng)可用于波束成形，其中聚合天線方向圖被動(dòng)態(tài)移位以在一個(gè)或多個(gè)接收機(jī)天線處產(chǎn)生最大性能(例如，選擇一條不褪色的道路)。類(lèi)似地，接收器天線陣列可以是波束形成的，以聚焦來(lái)自具有更好SNR和更低失真或衰落的方向的信號(hào)。

MIMO需要大量硬件

與SISO或分集天線系統(tǒng)相比，MIMO是硬件和軟件密集型的。當(dāng)然，它需要復(fù)雜，復(fù)雜的算法來(lái)管理和動(dòng)態(tài)調(diào)整數(shù)據(jù)流，并對(duì)多個(gè)并行通道進(jìn)行編碼和解碼。這需要功能相對(duì)較強(qiáng)的處理器，通常作為FPGA實(shí)現(xiàn)。

MIMO還對(duì)模擬和混合信號(hào)硬件提出了很高的要求。它需要完全獨(dú)立的多通道，用于從天線到A/D轉(zhuǎn)換器的接收鏈，以及從D/A轉(zhuǎn)換器到天線的發(fā)送路徑。

ADI公司的AD9361(圖3)是一款寬帶2×2收發(fā)器，具有關(guān)鍵參數(shù)的“即時(shí)”用戶(hù)可編程性。它將RF前端與靈活的混合信號(hào)基帶部分(具有12位ADC和DAC)和集成頻率合成器相結(jié)合，通過(guò)為處理器提供可配置的數(shù)字接口簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。它的工作頻率范圍為70 MHz至6.0 GHz，可調(diào)帶寬為200 kHz至56 MHz。

圖3：ADI公司的AD9361是一款雙通道收發(fā)器，用于MIMO設(shè)計(jì)，具有帶寬，可調(diào)性和性能參數(shù)，包括用戶(hù)可設(shè)置性，針對(duì)軟件定義進(jìn)行了優(yōu)化無(wú)線電(SDR)應(yīng)用。

另一款專(zhuān)注于MIMO的IC是Maxim Integrated Products的MAX2839(圖4)，這是一款直接轉(zhuǎn)換，零中頻，基帶到RF收發(fā)器，適用于2.3至2.7 GHz頻段的802.16e MIMO移動(dòng)WiMAX應(yīng)用。它的雙接收器具有優(yōu)于40 dB的信道間隔離，并且還包括單個(gè)發(fā)送器通道。其他功能模塊包括VCO，頻率合成器，晶體振蕩器和基帶/控制接口。它需要用戶(hù)提供的RF帶通濾波器，晶體，RF開(kāi)關(guān)，PA，天線和一些無(wú)源元件。

圖4：Maxim的MAX2839針對(duì)2.3至2.7 GHz 802.16e MIMO移動(dòng)WiMAX應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，具有兩個(gè)接收器通道，具有 40 dB的通道間隔離。

除了這些IC之外，MIMO設(shè)計(jì)的RF信道還需要多個(gè)接收器LNA，發(fā)射器功率放大器(PA)及其相關(guān)控制電路以及多個(gè)天線。目前，這些不適用于多通道單元，但僅適用于單通道/每包裝格式(某些小眾應(yīng)用除外)。然而，這些相對(duì)簡(jiǎn)單的器件的封裝很小甚至是芯片尺寸，因此房地產(chǎn)占用空間非常小，而敏感，低功率和高功率的RF信號(hào)路由也得到了緩解，因?yàn)樗鼈兛梢钥拷胖盟麄兏髯缘奶炀€。