面向產(chǎn)品制造的MIMO WLAN測試方法

多輸入多輸出（MIMO）無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)正快速發(fā)展，并隨著(zhù)IEEE 802.11n WLAN標準的推進(jìn)而走入人們的現實(shí)生活。雖然802.11n標準草案2.0版剛剛在三月份得以通過(guò)，但市場(chǎng)上已經(jīng)出現了大量相關(guān)產(chǎn)品設備。MIMO技術(shù)能夠在不增大功耗或帶寬需求的情況下大幅度提高系統吞吐量。日益復雜的MIMO WLAN芯片組增加了產(chǎn)品線(xiàn)測試的成本，進(jìn)而增大了最終產(chǎn)品的成本。這將是人們不愿意看到的結果，因為WLAN消費市場(chǎng)無(wú)力承受更高的成本。

市場(chǎng)上有多家測試設備制造商提供了MIMO WLAN的解決方案，關(guān)鍵的是WLAN制造商必須選擇一種不會(huì )增大傳統系統測試時(shí)間的測試方法。

MIMO WLAN芯片組和產(chǎn)品的測試有四種不同的測試方法可供選擇：

1. 多矢量信號發(fā)生器（VSG）和矢量信號分析儀（VSA）測試方案；
2. 一體式VSG和VSA方案外加合成器與高速開(kāi)關(guān)；
3. 一體式VSG和VSA方案外加合成器；
4. 一體式VSG和VSA方案外加高速開(kāi)關(guān)。

多VSG和VSA測試方案

在多VSG和VSA測試方案中，待測設備（DUT）的每對接收器和發(fā)射器直接與其對應的VSG和VSA連接。發(fā)射器和接收器可以逐個(gè)被測量, 同時(shí)被測量, 或者其他組合方式。利用這種配置，可以測出多個(gè)重要的MIMO參數，例如功率、頻譜、發(fā)射器減損，包括瞬態(tài)和發(fā)送鏈路互擾、發(fā)射器質(zhì)量指標EVM、射頻鏈路隔離和接收器靈敏度。

圖1 采用多VSG和VSA的測試系統，其中每條發(fā)射/接收鏈路直接與每隊VSA/VSG相連

圖1以測試2x3 DUT的LitePoint IQnxn 3x3測試配置結構為例，給出了多VSG和VSA測試方案。當測試DUT發(fā)射器時(shí)，測試系統中的VSA是有效的。每個(gè)發(fā)射器與其相應的VSA相連接。對所有的發(fā)送鏈路同時(shí)進(jìn)行數據捕捉，并將捕捉到的數據送給一個(gè)綜合軟件工具包進(jìn)行分析。通過(guò)使用該測試系統和綜合分析軟件，我們可以詳細分析出每個(gè)發(fā)射器的信號質(zhì)量以及它們之間的互擾。VSA分析還包括一個(gè)完整的數據解調器，能夠幫助我們檢驗發(fā)射信號的結構是否正確，這在產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中是非常有用的。對CRC的檢驗能夠檢查出解調后的報文數據是否正確。我們可以將報文數據保存到一個(gè)文件中，以便于與發(fā)射數據進(jìn)行對比。

利用這一測試系統，可以支持發(fā)射器的任意組合。多VSA和綜合分析軟件的動(dòng)態(tài)組合可以在一次數據捕捉操作中測量出下列發(fā)送參數：

● 整個(gè)報文的Tx功率；
● Tx信道響應和每個(gè)發(fā)射器的譜平坦度；
● 發(fā)射器之間的Tx隔離度；
● Tx頻率偏差；
● 每個(gè)發(fā)射器的Tx I/Q不均衡、相位與幅值；
● 每個(gè)發(fā)射器的Tx本機振蕩器（LO）泄漏；
● 每個(gè)發(fā)射器的Tx信號質(zhì)量或EVM值；
● 每個(gè)發(fā)射器以及多個(gè)發(fā)射器組合的Tx相位噪聲；
● 每個(gè)發(fā)射器的Tx功率壓縮，顯示為CCDF；
● 報文傳送期間的Tx功率變化；
● Tx符號時(shí)鐘偏移；
● Tx不同發(fā)射器數據包發(fā)射時(shí)間的一致性；
● Tx有效載荷驗證。

在測量待測設備的接收器時(shí)，多VSG和VGA測試方案中的VSG參與測量工作。每個(gè)接收器與其相應的VSG相連。測試控制軟件將波形加載到VSG中，分別設置每臺VSG的射頻信號電平和所有VSG使用的公共射頻頻率。通過(guò)配置多VSG和VSA測試系統，我們可以無(wú)限循環(huán)地發(fā)送載入的波形，或者按照用戶(hù)指定的發(fā)送次數進(jìn)行發(fā)送。VSG發(fā)送的波形可以來(lái)自于采用一條理想信道的單個(gè)發(fā)射器，或者來(lái)自于采用多徑信道的單個(gè)發(fā)射器，或者來(lái)自于分別具有多徑信道和功率電平的多個(gè)發(fā)射器。因此，可以在實(shí)際的MIMO和傳統多徑信道條件下測量出接收器誤包率。

在產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中，評估接收器在發(fā)射器減損情況下的接收靈敏度是非常重要的。利用多VSG和VSA測試方案，我們可以詳細分析MIMO接收器。諸如LO泄漏、I/Q不均衡、發(fā)射器壓縮、相位噪聲、加性噪聲或載波頻率偏移等發(fā)射器減損都可以囊括在測試系統產(chǎn)生的信號中。大部分減損都可以對每個(gè)發(fā)射器單獨設定。
在多VSG和VGA測試方案下，可以進(jìn)行下列接收器測試操作：

● 對于輸入不同信號電平或SNR情況下的PER測試；
● 用于傳統和MIMO多徑信道的PER測試；
● 接收器對在發(fā)射器減損的情況下的靈敏度測試, 例如頻率偏移、I/Q不均衡、LO泄漏等；
● 無(wú)干擾信道評測(clear channel assessment)；
● RSSI校準；
● 接收器射頻鏈路隔離。

這個(gè)方法用于設計驗證、調試與質(zhì)量保證測試階段。對于生產(chǎn)線(xiàn)測試來(lái)說(shuō)，這個(gè)方案的成本很高，可能無(wú)法滿(mǎn)足預期的投資回報率（ROI）。

一體式VSG/VSA外加合成器與高速開(kāi)關(guān)的測試方案

生產(chǎn)測試不需要進(jìn)行全面的定量的性能評估，生產(chǎn)測試的主要目地是檢驗待測設備的組裝是否正確，是否達到了規定的性能指標。對于MIMO WLAN系統，我們可以采用與傳統WLAN生產(chǎn)測試類(lèi)似的一體式VSG/VSA組合方案。首先介紹的一體式VSG/VSA配置方案是一體式VSG和VSA外加合成器和高速開(kāi)關(guān)（例如LitePoint IQflex/IQview和多端口測試適配器（MPTA））。為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，將高速射頻開(kāi)關(guān)和合成器的組合稱(chēng)為MPTA。

MPTA包括一個(gè)高速射頻開(kāi)關(guān)、每條射頻信號通路上一個(gè)衰減器和一個(gè)智能序列控制器，如圖2所示。該結構可以配置成靜態(tài)模式，其中各個(gè)開(kāi)關(guān)或閉合或打開(kāi)，每個(gè)衰減器設置為一個(gè)指定的值。該結構還可以配置成動(dòng)態(tài)模式，在動(dòng)態(tài)模式下，可以定義一系列配置或狀態(tài)，每種配置都有其自己的開(kāi)關(guān)和衰減器設置。狀態(tài)之間的轉換由智能MPTA本身根據其信號輸入情況進(jìn)行控制。

圖2 IQflex/IQview和多端口測試適配器測試MIMO待測設備

在進(jìn)行發(fā)射器測試時(shí)，MPTA經(jīng)過(guò)配置可以在各個(gè)發(fā)射器之間進(jìn)行動(dòng)態(tài)切換。首先，MPTA將信號從Tx1發(fā)送到VSA。數據包將觸發(fā)VSA內的數據捕獲過(guò)程。當從Tx1上捕獲了足夠的數據之后，VSA停止捕獲，MPTA切換到Tx2。下一個(gè)數據包將再次觸發(fā)VSA內的數據捕獲過(guò)程。這種捕獲與切換過(guò)程將持續進(jìn)行，直到捕獲存儲器內存滿(mǎn)預定數量的數據采樣。

由于通路的切換是由射頻信號控制的，捕捉MIMO信號所需的額外時(shí)間相比IQnxn系統而言，僅僅是發(fā)送兩個(gè)報文（而不是一個(gè)報文）所需的額外時(shí)間。該系統的處理與分析時(shí)間與多VSG和VSA測試系統相同。

在進(jìn)行發(fā)射器測試時(shí)，雖然從不同發(fā)射器捕捉信號的過(guò)程是順序進(jìn)行的，而不是像多VSG和VSA測試系統那樣同時(shí)進(jìn)行，VSA仍然將這些順序捕捉的信號處理為MIMO信號。大部分原本由多VSG和VSA測試系統執行的發(fā)射器測試工作都可以由一體式VSG和VSA外加合成器與高速開(kāi)關(guān)構成的測試系統來(lái)完成。特別地，該方案能夠計算出每條射頻鏈路的EVM、功率放大器壓縮和隔離度。盡管如此，這兩種測試方案仍然存在多處差別。雖然執行典型的MIMO EVM計算能夠評估每個(gè)發(fā)射器的質(zhì)量，但是如果發(fā)射器之間的隔離度不好，EVM仍然受限于射頻鏈路的隔離度。如果連續報文之間的有效載荷數據保持不變，那么可以排除這種隔離度的限制。此外，這里的MIMO EVM計算必須能夠單獨跟蹤每個(gè)發(fā)射器的相位軌跡，而通常的MIMO EVM計算過(guò)程跟蹤的是所有具有相同相位校正的發(fā)射器。這些系統測量方案不如IQnxn測量那樣全面，但是它提供了一個(gè)極好的生產(chǎn)測量解決方案。該方案不支持的測量特征包括：（1）有效載荷數據無(wú)法恢復；（2）無(wú)法評測發(fā)送鏈路之間的動(dòng)態(tài)互擾；（3）無(wú)法測量發(fā)射器之間的數據包發(fā)射時(shí)間的一致性。

MPTA通過(guò)配置還能夠同時(shí)接收多臺發(fā)射器的信號。我們將在后面介紹只用合成器的測試方案中進(jìn)一步介紹這一模式。

對于接收器測試，一體式VSG和VSA外加合成器與高速開(kāi)關(guān)的方案產(chǎn)生的是單個(gè)發(fā)射信號。該信號可以是傳統信號，或者單路MIMO信號，并且可以送入任意一個(gè)或所有接收器中。當每次將該信號送入一個(gè)接收器時(shí)，通過(guò)待測設備的RSSI指標可以測量射頻鏈路的隔離度。

有兩種模式可以測試接收器的PER或靈敏度。一種模式是，將開(kāi)關(guān)設置為某個(gè)靜止狀態(tài)。在這一狀態(tài)下，通過(guò)將VSG信號每次送入一個(gè)接收器（不必使能或禁用待測設備中的接收器），可以單獨測量出每個(gè)接收器的靈敏度。這種方法有助于測量接收鏈路之間的隔離度。此外，通過(guò)將VSG信號同時(shí)送入所有接收器中，可以驗證由于最大比合并（MRC）而獲得的靈敏度的改進(jìn)。靈敏度的這一改進(jìn)驗證了MIMO信號處理的實(shí)質(zhì)部分。待測設備的驅動(dòng)程序應該能夠報告錯誤接收或者正確接收的數據包個(gè)數。

另一種模式是，更全面的利用發(fā)送/接收的切換功能，測試接收器的PER和待測設備的靈敏度。在該模式下，我們可以通過(guò)配置開(kāi)關(guān)來(lái)測量接收器發(fā)出的確認信息（ACK）。這些ACK只在沒(méi)有檢測出錯誤的時(shí)候才會(huì )發(fā)出。因此，我們可以在不同的衰減器設置和不同的接收器配置情況下測量PER，即分別啟用一個(gè)、二個(gè)、三個(gè)或四個(gè)接收器。通過(guò)測量不同信號電平下的PER值，我們可以精確測量出任意接收器組合的靈敏度。通過(guò)改變開(kāi)關(guān)/衰減器的組合就可以自動(dòng)執行整個(gè)測試序列。測試軟件定義了測試序列，并且僅僅利用該序列就可以啟動(dòng)測試操作。之后，MPTA自動(dòng)執行整個(gè)序列。這一模式不僅驗證了Tx/Rx切換和MRC靈敏度的改善情況，而且消除了由于多種控制和待測設備軟件交互而導致的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)。

一體式VSG/VSA外加合成器的方案

在這種配置方案下，一個(gè)無(wú)源功分器/合成器取代了圖3中的合成器與高速開(kāi)關(guān)配置。這一方案具有最低的MIMO測試成本，同時(shí)具有較好的MIMO制造測試覆蓋率。

圖3 單IQflex脈沖合成器測試MIMO待測設備

在發(fā)射器的測試中，合成器對來(lái)自于發(fā)射器的信號進(jìn)行疊加。IQsignal分析軟件從傳統的或者M(jìn)IMO的前導（preamble）中分析出所有發(fā)射器共有的某些發(fā)射器的屬性。例如，數據包開(kāi)始的載波頻率的動(dòng)態(tài)變化，以及前導尾部的頻率偏移。根據MIMO的前導還可以分析出每個(gè)發(fā)射器的其他的發(fā)送信號屬性，例如Tx功率、I/Q不均衡和頻譜平坦度。通過(guò)對比合成后的信號與根據從MIMO前導估算出的信道響應得到的理想合成信號，我們可以測量出整個(gè)發(fā)射器質(zhì)量的EVM指標。這種測量要求在分析軟件之前就要知道數據包中的數據內容。但是，發(fā)射器的擾碼（transmitter scrambler）可以對每個(gè)報文都不同，因為起始狀態(tài)是由分析軟件分析出來(lái)的。

任何會(huì )引起信號質(zhì)量下降低于預訂界限的發(fā)射器減損都將降低合成信號的EVM。這包括壓縮和I/Q不均衡。相比單VSG和VSA外加合成器與高速開(kāi)關(guān)的測試方案，這種系統配置無(wú)法測量出射頻鏈路隔離度，也無(wú)法定位出某條發(fā)送鏈路的故障。如果可靠的安裝能夠提供20dB隔離度，那么射頻鏈路隔離度也不是大不了的問(wèn)題，20dB的隔離度常用作鏈路之間進(jìn)行充分隔離的規范指標量，以提供良好的MIMO性能。

對于接收器測試而言，將同樣的信號送入待測設備的所有接收器中。如果待測設備啟用一個(gè)接收器，那么可以測量出這一個(gè)接收器的靈敏度。如果啟用了所有的接收器，那么由于最大比合并（MRC）而改進(jìn)的靈敏度就驗證了MIMO信號處理的重要部分。在一體式VSG和VSA外加合成器的測試方案中，發(fā)射器和接收器的測試是在MIMO模式下進(jìn)行的，帶有質(zhì)量測試參數，具有合理的測試時(shí)間，測試成本較低。LitePoint IQflex外加合成器支持這種測試方法，為用戶(hù)提供了性能可靠而出色的測試方案。這種測試方法的不足之處在于，它需要已知MIMO發(fā)射器發(fā)射的數據才能進(jìn)行測量，并且無(wú)法測量射頻鏈路之間的隔離度。

單VSG/VSA外加高速開(kāi)關(guān)的測試方案

在這一配置方案下，如圖4所示，MPTA被一個(gè)開(kāi)關(guān)所代替，去掉了合成器。ODM利用IQflex和現有的射頻開(kāi)關(guān)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了與此類(lèi)似的配置方案，其中開(kāi)關(guān)是由測試軟件直接控制的。

圖4 單IQflex外加高速開(kāi)關(guān)無(wú)合成器的MIMO待測設備測試方案

對于發(fā)送測試，這種配置無(wú)法檢驗所有的發(fā)射器是否在相同時(shí)間發(fā)送信號。這一配置與一體式VSG和VSA外加合成器與高速開(kāi)關(guān)的配置方案的主要差別在于接收器的測試。相比MPTA，這一配置無(wú)法將VSG信號同時(shí)送入待測設備的所有接收器中。因此，它無(wú)法檢驗待測設備MIMO接收器內的MRC處理過(guò)程。

由于這種配置是由現有的器件組裝而成的，它在測量Rx PER時(shí)無(wú)法進(jìn)行Tx/Rx切換，并且可能需要較長(cháng)的測試時(shí)間，因為其鏈路切換是由測試控制軟件實(shí)現的。而且，其精確的接收器靈敏度測量的速度對于生產(chǎn)測試應用來(lái)說(shuō)可能太慢了。

這一配置相比合成器配置的優(yōu)勢在于它能夠測量射頻鏈路之間的隔離度。但是相比MPTA配置，它在接收器測試方面有很大的局限性。

比較

表1列舉了每種測試方案能夠測量的參數以及功能。