面向設計與制造的MIMO測試方法選擇

在電視問(wèn)世的早期，同樣攜帶了無(wú)線(xiàn)電信息的廣播信號也通過(guò)多條不同波長(cháng)的通路被電視機的天線(xiàn)所接收，給人們帶來(lái)了很多麻煩。當信號沿著(zhù)這些通路進(jìn)行傳輸時(shí)，電視天線(xiàn)接收到的信號出現了相位錯位和相互干擾的現象。因此，人們所看到的電視節目經(jīng)常出現“鬼影”――干擾電視主畫(huà)面的一些模糊圖像。

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

LitePoint公司推出的IQnn測試系統具有軟硬件相結合的矢量信號生成與分析功能，大大簡(jiǎn)化了基于MIMO設備的設計與生產(chǎn)測試。

MIMO技術(shù)

目前，在數字信號處理領(lǐng)域，設計人員通常將寬帶數據分離開(kāi)，通過(guò)多對“發(fā)射器-天線(xiàn)”裝置進(jìn)行傳輸，然后捕獲、分辨并重構出原始數據流。這種技術(shù)的目的在于采用相同數量的頻譜實(shí)現更高的數據吞吐率。當前的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是一種比較復雜的技術(shù)，因此將其集成到無(wú)線(xiàn)系統中面臨著(zhù)諸多挑戰。目前MIMO規范支持“mn”種發(fā)射器（m）和接收器（n）的組合，但是在已有的實(shí)際系統中m和n的大小都不超過(guò)4。

以黑盒的方式來(lái)看，WiMAX設備必須對一定量的數據流進(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(mǎn)足MIMO的頻率、頻譜和其他技術(shù)指標。WiMAX設備的接收器必須捕獲復合信號，并對其進(jìn)行解析以產(chǎn)生分離的數據流，然后重構出原始的數據流。

WiMAX在很多方面與Wi-Fi是類(lèi)似的。雖然WiMAX相比Wi-Fi支持更高的數據吞吐率和更遠的傳輸距離，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)通常對產(chǎn)品質(zhì)量非常敏感，而對設備價(jià)格不是很關(guān)心，因此制造測試必須在大量市場(chǎng)成本約束之內保持較高的產(chǎn)品質(zhì)量。

新型的多通道方案

大多數工程師都會(huì )因為802.11n標準而將MIMO與Wi-Fi聯(lián)系起來(lái)。802.11n標準建立在原有的Wi-Fi標準802.11a、b和g之上，確定了一種22、20MHz信道MIMO實(shí)現方案。該實(shí)現方案使用兩個(gè)發(fā)射器發(fā)送由一條大數據流分離而產(chǎn)生的兩條獨立的數據流（空分多路復用）。這些信號通過(guò)多條路徑傳送給兩個(gè)接收器，然后由接收器重構出原始信號（如圖1所示）。

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

實(shí)質(zhì)上，分離的數據流――每個(gè)支持50Mb/s范圍內的Wi-Fi數據速率―產(chǎn)生一個(gè)具有70Mb/s數據速率的重構數據流（理論上講該速率可達100Mb/s）。并且，所有這些數據集成在一個(gè)20MHz的信道內。因此MIMO相比使用同樣帶寬的傳統Wi-Fi將數據速率提高了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)行信號分離并恢復原始的兩路數據流。使用相同射頻信道的獨立發(fā)射器，在它們各自的天線(xiàn)上發(fā)送出獨立的數據，然后，接收天線(xiàn)匯集所有發(fā)射器的復合信號。通過(guò)巧妙設計的MIMO報文和先進(jìn)的DSP，就可以恢復出獨立的數據流。數據速率與發(fā)射器和天線(xiàn)數量之間具有幾乎線(xiàn)性的關(guān)系，速率的提高并不需要增大信道帶寬。

研發(fā)測試

為了實(shí)現高效的Wi-Fi MIMO功能，設計者必須采用一種稱(chēng)為正交頻分多路復用（OFDM）的復合調制技術(shù)，開(kāi)發(fā)出一種能夠產(chǎn)生高質(zhì)量信號的系統。

MIMO無(wú)線(xiàn)架構通常使用零中頻（ZIF），通過(guò)同相（I）和正交（Q）調制實(shí)現低成本、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，系統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，系統對射頻信號進(jìn)行解調，產(chǎn)生基帶I、Q分量。

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

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。盡管設計者可以通過(guò)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(lái)源，但是，這是一件非常費時(shí)費力的事情，而且容易導致錯誤和可重復性問(wèn)題。

對于這種情況，更有效地解決之道是采用系統級的測試方法。在這種方法中，我們可以通過(guò)在一次采樣內傳達多種信息的方式，對設計的基帶信號、射頻發(fā)射信號或復合接收信號的多個(gè)方面進(jìn)行采樣，而不再采用一連串采樣的方式。通過(guò)這種系統級測試的方法，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）就是一種能夠對捕獲的復合信號進(jìn)行智能分析的測量手段。EVM能夠直接測量出調制的精度和信號的總體質(zhì)量，包括幅度和相位誤差，并且能夠即將體現射頻信號失真的所有參數合成在一個(gè)視圖內。

EVM是理想的（即沒(méi)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。如果副載波出現了偏移或者失真過(guò)大以至于影響了調制/解調精度，那么通過(guò)信號群的視圖（如圖2所示）就可以立刻反映出來(lái)。通過(guò)平均EVM信號的dB值與副載波調號之間的關(guān)系圖，我們可以發(fā)現一些諸如由群延遲導致的問(wèn)題。

圖2 Tx1和Tx2的64 QAM數據流信號的群視圖，這是一種理想情況，其中調制信號是沒(méi)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成一套系統，那么采用這種系統就可以產(chǎn)生接收測試所需的典型復合信號，以及發(fā)射測試所需的獨立信號流。這種系統還能夠提供信號的群視圖和其他一些結果，通過(guò)較少的測試儀器配置工作就能夠迅速防止某些設計問(wèn)題。

制造測試

假設試生產(chǎn)的設計徹底地通過(guò)了測試與驗證，然后接下來(lái)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)心如何尋找設計缺陷的問(wèn)題――假設設計是好的，所有的問(wèn)題都是由裝配誤差引起的。因此，我們的目標是建立一種快速而全面的測試方案，能夠識別出不滿(mǎn)足某些裝配質(zhì)量規范的部件。

制造測試的成本在整個(gè)設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是尋找制造缺陷而不是設計缺陷，因此這里所用的測試系統不必像研發(fā)測試中所用的測試系統那樣具有全部的功能。不僅測試目標有所不同，而且測試時(shí)間也必須縮短。

在制造過(guò)程中，由于群延遲而導致的設計缺陷已經(jīng)得到了確認和解決，因此在制造測試過(guò)程中沒(méi)有發(fā)現的所有群延遲問(wèn)題將成為必須查明的制造缺陷。

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

當前的無(wú)線(xiàn)通信標準發(fā)展十分迅速，這要求測試系統非常靈活：硬件系統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)公共的平臺上實(shí)現了“nn”的MIMO測試系統，稱(chēng)為IQnn MIMO。該系統利用DSP和同步硬件，再配以IQsignal測試軟件，同時(shí)滿(mǎn)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。