面向設(shè)計(jì)與制造的MIMO測(cè)試方法選擇

在電視問(wèn)世的早期，同樣攜帶了無(wú)線(xiàn)電信息的廣播信號(hào)也通過(guò)多條不同波長(zhǎng)的通路被電視機(jī)的天線(xiàn)所接收，給人們帶來(lái)了很多麻煩。當(dāng)信號(hào)沿著這些通路進(jìn)行傳輸時(shí)，電視天線(xiàn)接收到的信號(hào)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(huà)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(lái)了更大的系統(tǒng)復(fù)雜性。通過(guò)靈活而巧妙地選擇測(cè)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IQn×n測(cè)試系統(tǒng)具有軟硬件相結(jié)合的矢量信號(hào)生成與分析功能，大大簡(jiǎn)化了基于MIMO設(shè)備的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)測(cè)試。

MIMO技術(shù)

目前，在數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域，設(shè)計(jì)人員通常將寬帶數(shù)據(jù)分離開(kāi)，通過(guò)多對(duì)“發(fā)射器-天線(xiàn)”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(wú)線(xiàn)系統(tǒng)中面臨著諸多挑戰(zhàn)。目前MIMO規(guī)范支持“m×n”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(guò)4。

以黑盒的方式來(lái)看，WiMAX設(shè)備必須對(duì)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(hào)都滿(mǎn)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(hào)，并對(duì)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(lèi)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(chǎng)（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(hù)通常對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量非常敏感，而對(duì)設(shè)備價(jià)格不是很關(guān)心，因此制造測(cè)試必須在大量市場(chǎng)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(lái)。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2×2、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(hào)通過(guò)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(hào)（如圖1所示）。

圖1 對(duì)于2×2的系統(tǒng)，MIMO將一個(gè)寬帶信號(hào)分離成兩個(gè)獨(dú)立的信號(hào)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(guò)使用多路傳輸方式，在每個(gè)接收天線(xiàn)上采用空間微分技術(shù)，使得DSP能夠進(jìn)行信號(hào)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(xiàn)上發(fā)送出獨(dú)立的數(shù)據(jù)，然后，接收天線(xiàn)匯集所有發(fā)射器的復(fù)合信號(hào)。通過(guò)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(xiàn)數(shù)量之間具有幾乎線(xiàn)性的關(guān)系，速率的提高并不需要增大信道帶寬。

研發(fā)測(cè)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(chēng)為正交頻分多路復(fù)用（OFDM）的復(fù)合調(diào)制技術(shù)，開(kāi)發(fā)出一種能夠產(chǎn)生高質(zhì)量信號(hào)的系統(tǒng)。

MIMO無(wú)線(xiàn)架構(gòu)通常使用零中頻（ZIF），通過(guò)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(hào)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(xiàn)，而在接收器一側(cè)，系統(tǒng)對(duì)射頻信號(hào)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(méi)有錯(cuò)誤的，但是實(shí)際上多種因素都將帶來(lái)麻煩。I和Q信號(hào)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(cè)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(lái)：基帶和射頻芯片性能上的差異、元件容差范圍過(guò)大、傳輸線(xiàn)阻抗失配、與PCB布線(xiàn)相關(guān)的寄生電容和電感的差異、放大器非線(xiàn)性等。盡管設(shè)計(jì)者可以通過(guò)對(duì)信號(hào)各個(gè)方面的測(cè)試進(jìn)一步處理這些不利因素的來(lái)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(wèn)題。

對(duì)于這種情況，更有效地解決之道是采用系統(tǒng)級(jí)的測(cè)試方法。在這種方法中，我們可以通過(guò)在一次采樣內(nèi)傳達(dá)多種信息的方式，對(duì)設(shè)計(jì)的基帶信號(hào)、射頻發(fā)射信號(hào)或復(fù)合接收信號(hào)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(guò)這種系統(tǒng)級(jí)測(cè)試的方法，我們可以更方便地快速分析所捕獲的信號(hào)，并找出是哪些不利因素降低了信號(hào)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(hào)進(jìn)行智能分析的測(cè)量手段。EVM能夠直接測(cè)量出調(diào)制的精度和信號(hào)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(hào)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(méi)有誤差的）信號(hào)群判定點(diǎn)與實(shí)際的測(cè)量信號(hào)之間的矢量差。如果副載波出現(xiàn)了偏移或者失真過(guò)大以至于影響了調(diào)制/解調(diào)精度，那么通過(guò)信號(hào)群的視圖（如圖2所示）就可以立刻反映出來(lái)。通過(guò)平均EVM信號(hào)的dB值與副載波調(diào)號(hào)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(wèn)題。

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

如果將矢量信號(hào)發(fā)生器（VSG）和矢量信號(hào)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(cè)試所需的典型復(fù)合信號(hào)，以及發(fā)射測(cè)試所需的獨(dú)立信號(hào)流。這種系統(tǒng)還能夠提供信號(hào)的群視圖和其他一些結(jié)果，通過(guò)較少的測(cè)試儀器配置工作就能夠迅速防止某些設(shè)計(jì)問(wèn)題。

制造測(cè)試

假設(shè)試生產(chǎn)的設(shè)計(jì)徹底地通過(guò)了測(cè)試與驗(yàn)證，然后接下來(lái)的制造測(cè)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(wèn)題——假設(shè)設(shè)計(jì)是好的，所有的問(wèn)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(cè)試方案，能夠識(shí)別出不滿(mǎn)足某些裝配質(zhì)量規(guī)范的部件。

制造測(cè)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(cè)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(cè)試系統(tǒng)不必像研發(fā)測(cè)試中所用的測(cè)試系統(tǒng)那樣具有全部的功能。不僅測(cè)試目標(biāo)有所不同，而且測(cè)試時(shí)間也必須縮短。

在制造過(guò)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(cè)試過(guò)程中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)的所有群延遲問(wèn)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(cè)試需求，那么采用一套這樣的硬件測(cè)試方案就可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)研發(fā)測(cè)試與制造測(cè)試。利用軟件實(shí)現(xiàn)必要的靈活性對(duì)于當(dāng)前的無(wú)線(xiàn)市場(chǎng)具有特別的意義。

當(dāng)前的無(wú)線(xiàn)通信標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展十分迅速，這要求測(cè)試系統(tǒng)非常靈活：硬件系統(tǒng)的功能特征可以通過(guò)軟件來(lái)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(tái)上實(shí)現(xiàn)了“n×n”的MIMO測(cè)試系統(tǒng)，稱(chēng)為IQn×n MIMO。該系統(tǒng)利用DSP和同步硬件，再配以IQsignal測(cè)試軟件，同時(shí)滿(mǎn)足了研發(fā)測(cè)試和制造測(cè)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)。