無線MIMO測試開發(fā)策略

引言
有限的帶寬和不斷增加的新的無線服務(wù)的需求為通信領(lǐng)域新技術(shù)的采用開辟了道路，這些非傳統(tǒng)技術(shù)有效提升了數(shù)據(jù)容量。新采用的這些技術(shù)中的一種就是利用多天線設(shè)計的多輸入、多輸出（MIMO）系統(tǒng)架構(gòu)。MIMO利用了發(fā)送和接收天線之間的空間分集技術(shù)――由信號衰落和多徑環(huán)境引起的多信號路徑產(chǎn)生――來增加數(shù)據(jù)吞吐量而無須額外的增加帶寬。但相比傳統(tǒng)的單流架構(gòu)MIMO，系統(tǒng)復(fù)雜度增加了許多，帶來了更大的測試挑戰(zhàn)，需要獨特的設(shè)備和測試方法。

本文介紹了MIMO測量的不同種類，包括噪聲和干擾對于信道的損害，并提供一些圖片示例方便大家對于測量結(jié)果的理解。

對于新近的無線通信標(biāo)準(zhǔn)，高數(shù)據(jù)吞吐量是最基本的要求，這些新標(biāo)準(zhǔn)MIMO都有參與，包括IEEE 802.11n WLAN、IEEE 802.16e移動WiMAX Wave 2和3GPP長期演進（LTE）。這些新系統(tǒng)都結(jié)合了MIMO和OFDM或者OFDMA（正交頻分多址接入）的采用，來實現(xiàn)在不增加信道帶寬的前提下增加數(shù)據(jù)吞吐量。

SISO與MIMO比較
在傳統(tǒng)的單輸入、單輸出（SISO）通信系統(tǒng)中（如圖1a所示），例如，傳統(tǒng)的IEEE 802.11a/b/g無線局域網(wǎng)絡(luò)（WLAN）系統(tǒng)，一個無線鏈路采用了單發(fā)射器和單接收器。也許會在每個通信鏈路終端上采用多個天線，但在同一時刻只有一套天線被采用，并只有一個載波傳輸單流的數(shù)據(jù)。在理想的通信信道中，無線信號從發(fā)射器到接收器只通過單一路徑傳輸，但無線信道中的障礙物（比如樓宇和各種地形）和移動影響產(chǎn)生了多徑效應(yīng)，因此，接收器會接收到多個信號。反射的信號由于相比直接傳輸?shù)男盘杺鞑ヂ窂礁L，會受到衰減和延遲的影響。因為傳輸路徑的不同，這些反射信號的相位也各不相同。因此，接收機信號的重建面臨難度，會造成接收信號強度的波動。較強的多徑效應(yīng)會降低吞吐量或者造成數(shù)據(jù)丟失。

圖1 傳統(tǒng)的SISO架構(gòu)的無線信號鏈路（a），采用一對天線在同一時間進行發(fā)射和接收而MIMO系統(tǒng)（b）同時采用多信號和多天線

因為在指定通信信道中，OFDM通常與MIMO進行組合來增強數(shù)據(jù)吞吐量，所以在探討MIMO概念之前理解OFDM是非常重要的。例如，OFDM在IEEE 802.11g (Wi-Fi)和IEEE 802.16e WiMAX系統(tǒng)中得到了采用。在MIMO的基礎(chǔ)上，采用OFDM可以進一步提升數(shù)據(jù)吞吐量，而無須增加帶寬或改變調(diào)制階數(shù)――比如從16QAM變成64QAM系統(tǒng)。

采用OFDM調(diào)制的無線信號本質(zhì)上是由一系列相互正交的子載波構(gòu)成的，這些子載波彼此形成了最佳的隔離，因此一個調(diào)制后的子載波處于最大功率時，其臨近調(diào)制后子載波正好處于過零點或功率最小處，而一些子載波作為保護頻帶來實現(xiàn)隔離并防止臨近信道干擾。為了增強魯棒性，許多通信標(biāo)準(zhǔn)采用的OFDM采用了小衰減間隔，讓多路信號分量隨時間衰減，這樣這些信號就不會對下一個接收機收到的傳輸符號產(chǎn)生干擾。

通過采用反向傅里葉變換對OFDM的子載波進行數(shù)字信號處理，可將其結(jié)合到一個信號流里面?zhèn)鬏敳⒖苫謴?fù)原信號。因為保留多流信號的相對相位和頻率關(guān)系，這些信號流就可以并行的在單一信道傳輸，所以就可以實現(xiàn)在不增加帶寬的前提下提高數(shù)據(jù)吞吐量。

與SISO通信系統(tǒng)相比，MIMO系統(tǒng)（圖1b）同時采用多無線信號和多天線，多個數(shù)據(jù)流在同一通信信道傳輸。這些多路的數(shù)據(jù)流由媒體接入控制（MAC）層在通信鏈路兩端進行協(xié)調(diào)。MIMO系統(tǒng)不需要天線的對稱排列，例如，兩個發(fā)射要配備兩個接收（2×2）或者四個發(fā)射要配備四個接收（4×4），可以進行“不平衡”配置，例如四個發(fā)射配備三個接收的4×3配置。

要增加SISO系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐量，需要更為復(fù)雜的調(diào)制方式，或者增加帶寬，或進行兩者的結(jié)合。加倍SISO系統(tǒng)吞吐量最簡單的方法是將帶寬加倍。要增加MIMO系統(tǒng)的吞吐量，發(fā)射器、接收器和相應(yīng)天線的數(shù)量需要增加。通過采用多天線和信號傳播路徑的空間多路技術(shù)，MIMO系統(tǒng)可以在不增加信道帶寬的前提下增加大概3.5倍的吞吐量。

MIMO系統(tǒng)利用接收信號的變更來增加數(shù)據(jù)吞吐量，接收到的信號被看作未知信號（發(fā)送的符號）的聯(lián)立方程。多路信號路徑的多樣性變化讓這些聯(lián)立方程解決的更加簡單，并提升了吞吐量。

SISO的信道容量與MIMO系統(tǒng)相比如何呢？香農(nóng)定律指明了SISO通信系統(tǒng)的信道吞吐量為

C=BLog2(1+S/N)
式中：C為信道容量（單位b/s）,B為信道帶寬（單位Hz）,S為帶寬上總的信號功率（單位W或者V2）,N為帶寬上總的噪聲功率（單位W或者V2）。當(dāng)該公式用于MIMO應(yīng)用時：

C=ABlog2(1+S/N)
式中：A為發(fā)射天線的數(shù)量。

該等式指出了MIMO系統(tǒng)中發(fā)射天線數(shù)量與信道容量的直接關(guān)系。一個MIMO系統(tǒng)在同一物理信道上利用空間復(fù)用技術(shù)用多天線傳輸多路數(shù)據(jù)流，數(shù)據(jù)流在不改變符號速率的情況下在多個發(fā)射機上進行發(fā)送。通過增加更多的發(fā)射機和發(fā)射天線，系統(tǒng)的吞吐量在帶寬不變的情況下得到提升。

為MIMO系統(tǒng)建模必須考慮多數(shù)據(jù)流的數(shù)量，包括到達接收機的直接和反射信號。按照傳統(tǒng)的方法，將發(fā)射器分別表示為Tx1，Tx2，…，Txn，將接收機表示為Rx1，Rx2，…，Rxn，一個MIMO通信系統(tǒng)可由一個矩陣信號向量hxy的形式表示，其中x表示發(fā)射機的數(shù)量，y表示接收機的數(shù)量。例如，h21表示兩個發(fā)射機和一個接收機，而h22表示兩個發(fā)射機和兩個接收機（如圖2所示）。通過這種方法，一個MIMO信道可以這樣建模：

y=H*x+n
式中：y為接收信號向量，H為信道矩陣(hxy信號元素)，x為發(fā)射信號向量，n為噪聲向量。

圖2 MIMO系統(tǒng)中的無線信道可由一系列不同的向量來表示

不同的信道對接收信號產(chǎn)生影響，例如，衰減和多經(jīng)影響，可由同樣的代數(shù)方程矯正，關(guān)系式為

Rx=H*Tx+n
式中：Rx表示接收天線的Rx1，Rx2，…，Rxn矩陣，Tx表示發(fā)射天線的Tx1,Tx2，…，Txn矩陣。對于一個2×2 MIMO系統(tǒng)，關(guān)系如圖2的矩陣。

這些關(guān)系式中的信號包含幅段、頻率和相位分量，所以用向量表示很實用。簡單而言，在一個測量系統(tǒng)中用向量來表示這些信號也很實用。

測量挑戰(zhàn)
MIMO技術(shù)在數(shù)據(jù)吞吐量上的提高，增加了系統(tǒng)復(fù)雜性，為評估MIMO系統(tǒng)和系統(tǒng)中元器件的測試和測量設(shè)備帶來新的設(shè)計挑戰(zhàn)。在決定最佳的MIMO測量儀器之前，也許有必要先確定一個描述MIMO通信信道性能的測量類型。MIMO測量一般可以分為系統(tǒng)級測量、信道響應(yīng)測量和MIMO系統(tǒng)中使用的元器件的功能性測量。

已經(jīng)說明了MIMO信號由頻率、幅度和相應(yīng)的相位分量定義，對MIMO信號的測量必須對以上三個信號特征分量進行精確和真實的測定。另外MIMO系統(tǒng)通常是基于對接收信號進行零中頻(zero-IF)下變頻到基帶I、Q信號分量的系統(tǒng)。要得到高的調(diào)制精度，必須保持I、Q信號分量的保真度，這需要信號路徑所有的部件具有高性能和低失真，包括放大器、濾波器、混頻器、I/Q調(diào)制和解調(diào)器等部件。

在許多無線系統(tǒng)中，誤差向量幅度(EVM)是評估性能的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，并在MIMO系統(tǒng)中廣泛采用。EVM，通常被認(rèn)為是接收信號星座圖的誤差(RCE)，因為在星座圖中RCE得到了直觀的顯示，RCE實際上就是理想信號和測量信號的向量差，并可以作為MIMO發(fā)射機調(diào)制精度和信號質(zhì)量和接收機性能的直接測量。EVM測量捕獲了信號幅度和相位誤差并將定義傳輸?shù)腞F信號失真的許多參數(shù)減少到一個參數(shù)，允許各個發(fā)射機之間的比較。其他重要的MIMO發(fā)射機測試包括群延時的評估和群延時的變化，相位噪聲，放大壓縮和信號處理中分量的I/Q失配。由以上因素引起的信號失真一般都可以通過星座圖上的EVM看出來。

在星座圖EVM中，對于理想的信號，所有星座點應(yīng)該與理想的位置精確重合。但信號和分量并不完美，諸如相位噪聲和載波泄露等因素會讓星座圖上的星座點從理想位置偏移。EVM即是這個偏移的測量，除了整體EVM作為MIMO系統(tǒng)測試參數(shù)，EVM作為頻率和EVM作為時間功能也能提供MIMO發(fā)射機性能的分析。另外，EVM顯示的載波和符號的對比可以提供MIMO發(fā)射機性能的進一步細(xì)節(jié)。

星座圖EVM上精確的點的定位顯示了一個優(yōu)秀的MIMO系統(tǒng)的性能。在一個采用OFDM和64QAM的2×2 MIMO系統(tǒng)中，采用顏色來區(qū)別不同的發(fā)射機信號和導(dǎo)頻載波。在圖3所示的星座圖中，紅點和藍點表示了2×2 MIMO系統(tǒng)中的兩路信號，Tx0和Tx1，它們覆蓋在白點上，白點代表了子載波理想的位置。黃點代表了導(dǎo)頻載波，與表示理想導(dǎo)頻載波的白點重合。