解決MIMO技術(shù)無(wú)線(xiàn)區域網(wǎng)路生產(chǎn)測試新挑戰
加入技術(shù)交流群
輸入與多重輸出（MIMO）技術(shù)可說(shuō)是自數字通信問(wèn)世以來(lái)，無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)最重要的下一個(gè)發(fā)展。許多新的無(wú)線(xiàn)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(huì )（IEEE）的802.11n無(wú)線(xiàn)區域網(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(mǎi)到具有MIMO優(yōu)點(diǎn)的Pre-802.11n WLAN設備。各方評論這項設備的結果顯示，MIMO技術(shù)確實(shí)可行，運用這項技術(shù)，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(jià)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(huì )為產(chǎn)品增加成本和帶來(lái)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(lái)的是，所使用的生產(chǎn)測試系統必須克服新的挑戰，才能確保產(chǎn)品符合品質(zhì)及效能要求的目標。而最值得關(guān)注的一點(diǎn)，則是有無(wú)可能在發(fā)射器和接收器的數目變成兩倍、三倍、甚至四倍，而且規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(lèi)型和供應商，為了避免增加測試時(shí)間，有必要謹慎地選擇可以維持品質(zhì)又能限制測試成本的方法。過(guò)去據以選擇傳統測試用的設備所依循的論點(diǎn)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(shí)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：
?傳統方法 － 黃金樣品（Golden Radio，GR）、頻譜分析儀加功率表
?GR加支援單一頻道的單機式測試儀（One Box Tester，OBT）
?支援單一頻道的OBT
?支援多頻道的OBT或多部OBT
多年來(lái)，WLAN生產(chǎn)都嘗試使用傳統的測試方法，早年之所以會(huì )採行這種方法純粹是因為沒(méi)有專(zhuān)用的WLAN測試儀器。這種方法有一些缺點(diǎn)，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(méi)有簡(jiǎn)單的方法可以驗證TX的品質(zhì)，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(lèi)型相符的測試。
類(lèi)型的裝置或新的標準出現時(shí)，通常會(huì )採用GR的方法，部分原因是未必會(huì )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(guò)一段時(shí)間后，隨著(zhù)產(chǎn)量的提高，通?？梢赞D向使用OBT，而逐步停用GR。
于傳統的測試方法，使用GR加單一部OBT確實(shí)有一些優(yōu)點(diǎn)。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，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(gè)簡(jiǎn)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，加上適當的衰減就行了。至于如何使用支援單一頻道的OBT來(lái)量測多個(gè)MIMO頻道的問(wèn)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(shí)間是很重要的，本文稍后會(huì )加以探討。
從生產(chǎn)測試的角度來(lái)看，採用單一部OBT是最簡(jiǎn)單的方法，完全沒(méi)有使用GR的缺點(diǎn)，而且可以提供傳統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(shí)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(wèn)題，但代價(jià)是成本較高。如果可以觸發(fā)OBT來(lái)同時(shí)量測或產(chǎn)生多個(gè)信號，那么測試時(shí)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(shí)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(wèn)題在于測試的成本，舉例來(lái)說(shuō)，具有三組頻道的DUT會(huì )需要使用一部含三個(gè)頻道的產(chǎn)生器和分析儀，或三部連接在一起的OBT，以進(jìn)行適當的觸發(fā)測試。對某些WLAN制造商來(lái)說(shuō)，可能無(wú)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(diǎn)又無(wú)法證明成本增加是值得的話(huà)。
表１列出了上述每一種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，表格最左邊這一欄是制造商在架設生產(chǎn)線(xiàn)時(shí)，通常會(huì )考慮的幾個(gè)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WLAN OBT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(jìn)行MIMO測試是最好的方法。為了說(shuō)明其可能性，有必要先來(lái)看看OBT的內部架構。
WLAN OBT的量測時(shí)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(gè)可以限制傳送到信號處理器的資料量和傳送頻率的內部架構。我們可以定義一些有助于設計出最佳OBT的原則：
1. 避免透過(guò)區域網(wǎng)路（LAN），或是OBT內建或個(gè)人電腦（PC）外接的通用序列匯流排（USB）來(lái)傳送擷取資料（例如I/Q取樣）。理想上，信號處理器應該要能直接存取擷取存儲器的內容。
2. 盡可能從單一次擷取到的資料中執行最多次的量測，包括所有多頻道的MIMO量測。
3. 選用專(zhuān)為快速處理OFDM信號而設計的數字信號處理器（DSP）。
4. 盡可能將最多的信號處理工作丟給具有“即時(shí)”處理能力的硬件，如FPGA可程式化邏輯晶片。
5. 盡可能簡(jiǎn)化功率量測的演算法，并將頻譜量測最佳化，以善用DSP的運算資源，同時(shí)僅執行符合原始IEEE規格的頻譜量測。
6. 將OBT內的頻率和功率切換速度最佳化。
7. OBT的產(chǎn)生器要能迅速地選擇和產(chǎn)生封包。
8. 確保OBT的功率準確度規格夠好，不需要在測試機臺內再使用功率錶。
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(shí)間內，量測WLAN DUT。除此之外，只要運用適當的頻道連結硬體，就可以測試MIMO DUT，且測試時(shí)間只會(huì )略微增加一點(diǎn)點(diǎn)。
快速的MIMO量測
所述，因MIMO DUT內有額外的發(fā)射器和接收器，且MIMO有特定的測試要進(jìn)行，因此需要執行一些額外的量測。所需的測試方法不僅要能執行額外的測試，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(lái)說(shuō)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(lái)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：
1.功率分配器/結合器（Power Splitter/Combiner）
使用功率分配器/結合器，將每一個(gè)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(huì )有吸引力，因為只要在每個(gè)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(gè)TX的效能。然而，也可能無(wú)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(wú)法檢查RX路徑的MIMO效能。
2.切換矩陣（Switch Matrix）
使用切換矩陣的方法（圖1中的下圖）可避免這些缺點(diǎn)，但是否也能避免測試時(shí)間大幅增加的問(wèn)題？使用這種方法也還不清楚可以量測出多真實(shí)的MIMO效能，至于測試時(shí)間的問(wèn)題則可以回過(guò)頭參考OBT的架構。記?。簻y試時(shí)間與擷取資料的處理方式比較有關(guān)，而非處理資料的時(shí)間，瞭解這一點(diǎn)以后，合理的下一步就是要確保取樣到的所有MIMO TX信號都要出現在DSP的存儲器中。這樣一來(lái)，所需的額外測試時(shí)間就只會(huì )受限于DSP的能力了。這種方法可能可以測出真實(shí)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(jìn)行處理，以計算出頻道的隔離度；二是觀(guān)察一個(gè)沒(méi)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(gè)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(jìn)行MIMO測試的另一種選擇
MIMO特有的測試
1.校準與調校
如同802.11a/b/g WLAN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(guò)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(guān)察到的一般趨勢是，隨著(zhù)新裝置的出現，所執行的校準次數已變得愈來(lái)愈少，預計這樣的趨勢還會(huì )持續，最終有可能會(huì )免除所有的校準，以便徹底改善每個(gè)裝置的總體測試時(shí)間。
2.參數測試
一旦MIMO DUT成功完成校準程序后，就應該進(jìn)行完整的測試，且通過(guò)測試的機率應該要相當高。這個(gè)階段所要執行的測試需經(jīng)過(guò)審慎的挑選，以便能檢測出最多已知的生產(chǎn)問(wèn)題。許多測試項目與802.11a/b/g WLAN DUT是一樣的，另外再加入一些適當的測試，以確保產(chǎn)品具有夠高的MIMO效能： 
表2：MIMO的測試項目
3.測試時(shí)間的考量
圖2所示為利用一部OBT來(lái)測試802.11a/g裝置時(shí)，每個(gè)項目所花的典型量測時(shí)間。 
圖2：測試典型的802.11a/g裝置時(shí)每個(gè)項目所花費的時(shí)間比例
2.11a/g DUT的總測試時(shí)間通常介于50和80秒之間，取決于所採用的測試計畫(huà)和設備。您可能會(huì )猜想說(shuō)：除非每個(gè)MIMO頻道都個(gè)別使用一套測試設備，否則測試時(shí)間會(huì )與頻道數成正比增加，另外還要再加上一些執行MIMO特有測試的時(shí)間。不過(guò)，實(shí)際的情形是，測試時(shí)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總測試時(shí)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(shí)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內傳送大塊的資料，或是在某些情況下，透過(guò)LAN或USB將大塊的資料從OBT送到PC中執行進(jìn)一步處理的必要，就可以大幅改善測試時(shí)間的問(wèn)題。顯然，測試時(shí)間并非全然取決于要執行的測試有多少，而是OBT如何擷取資料以及如何將它傳送到數字信號處理器（DSP）中。
結語(yǔ)
落實(shí)MIMO WLAN產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)，就必須在生產(chǎn)制造的過(guò)程中，量測會(huì )影響MIMO效能的每一項因素。這不僅需要進(jìn)行所有傳統的WLAN量測，以確保每一個(gè)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(huà)無(wú)法驗證特定的MIMO效能，那么一些可能?chē)乐赜绊慚IMO能力的生產(chǎn)問(wèn)題或許就無(wú)法被檢測出來(lái)了。需要有健全完整的測試方法和技術(shù)，才能確保新的MIMO WLAN產(chǎn)品的品質(zhì)、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(huà)，既能避免測試時(shí)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(zhuān)為WLAN和Bluetooth生產(chǎn)測試而設計的＂MIMO ready＂無(wú)線(xiàn)網(wǎng)路測試儀：N4010A，即可達到本文中所描述的，透過(guò)過(guò)最佳化調整，針對OFDM信號提供快速量測。
評論