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作者：LitePoint美國總部產品市場經理Pi Huang 多路輸入多路輸出(MIMO)技術作為一種關鍵的性能增強技術至今已在WLAN(802.11)系統(tǒng)中運用五年多了。您可能會問，“MIMO系統(tǒng)到底有什么新穎之處，值得我們如此熱烈地討論？” 答案就在于無線視頻。無線視頻正迅速地驅動MIMO系統(tǒng)進入平板電腦和其他移動平臺，并正在把WLAN系統(tǒng)的性能推向一個新的高度。用戶也期待基于WLAN技術流暢、可靠的視頻傳送。WLAN以往的應用主要是基本的數據傳輸（電子郵件、網上沖浪、文件傳輸等），但是視頻傳送是完全不同的應用，視頻傳送需要低延時和穩(wěn)定高速的數據速率來確保圖像的流暢。 MIMO技術在視頻傳送中的應用 當今，大量的設備正在使用802.11 MIMO 系統(tǒng)進行視頻傳送。典型的應用有平板電腦、筆記本電腦、甚至是智能手機與智能電視的無線連接。此外，802.11 MIMO 系統(tǒng)正日益廣泛地被用于家庭影音環(huán)境，比如說：將視頻內容從一部數碼錄像機（DVR）傳輸到電視機或電視機頂盒。這種傳輸方式的好處是能避免特殊的線路連接和復雜的安裝過程。 基于 WiFi無線視頻內容共享的主要協(xié)議包括： * Miracast – WiFi Alliance?支持的點對點網絡802.11無線標準，它具有整合1080P視頻和Dolby 5.1音頻的能力。安卓（Android）4.2就內置了對Miracast的支持功能。 * AirPlay– Apple公司的專利技術，能由智能手機或平板電腦向連接 Apple TV裝置的電視機傳送視頻、音頻和圖片。 * WiFi Direct – 與 Miracast相似的、能整合視頻和音頻信號的點對點無線標準。安卓4.0以上系統(tǒng)都支持此協(xié)議。 正是由于上述標準化工作的開展，用MIMO技術增強的802.11技術正在迅速成為移動設備和固定設備之間傳送高清視頻內容的基本技術。 MIMO技術在提高可靠性、頻譜效益和吞吐量方面的應用 MIMO技術能用于優(yōu)化無線系統(tǒng)的關鍵性能。根據不同的實施方式，它能改善以下三種系統(tǒng)性能中的任意一種： * 可靠性——確保正在被傳輸的數據能正確接收 * 頻譜效率——提高特定帶寬內的數據傳輸量 * 吞吐量——提高無線系統(tǒng)的數據傳輸速率 系統(tǒng)設計者可選擇在犧牲一個參數性能（如可靠性）的前提下充分優(yōu)化另一個參數（如吞吐量），或者以較低的程度對全部參數（如吞吐量和可靠性）進行優(yōu)化。 圖1中假設有一個最佳的高頻譜效益MIMO信道（一個具有奇異值平坦分布特性的信道矩陣），我們發(fā)現(xiàn)，MIMO系統(tǒng)能以低得多的單位信息接收能量獲得較高的頻譜效益。 
圖1：頻譜效益與信息位能量（Eb/N0，按噪音譜密度歸一化）的關系 此圖對四種不同MxM值的MIMO（多路輸入多路輸出）系統(tǒng)進行了比較，并假設采用了有奇異值平坦分布特性的信道矩陣（資料來源：MIT Lincoln Lab Journal，2005年第15期）。 MIMO技術實施時，用戶可使用較高階數的系統(tǒng)（如更多的發(fā)射機和接收機）以提高覆蓋范圍、可靠性和處理能力（bits/sec/Hz）。當然，這通常會需要更多的天線布置空間以及更大的能耗。 圖2表明隨著系統(tǒng)中發(fā)射機/接收機數量的增加，處理能力也得到相應提高。
圖2：高階數MIMO系統(tǒng)應用對吞吐量的影響 在圖2中您將注意到隨著MIMO階數的提高，系統(tǒng)的數據處理能力（bits/sec/Hz）變得更大，這意味著更高的數據傳輸速率，或者可增加更多的用戶數量。另外，圖中也可以看出，數據容量的顯著提高發(fā)生在1級無線設備升級為4級無線設備的過程中，之后，數據容量的提高速率逐漸降低。 考察當前市場上已有的WLAN MIMO技術解決方案后，我們將發(fā)現(xiàn)智能手機和更小型化的移動裝置幾乎都是單一輸入與單一輸出（SISO）的解決方案。這主要歸因于天線空間和功耗。一個MIMO系統(tǒng)想要正常工作，各天線上的信號就需要不相關，不相關便意味著信號的增加不能以一種信號疊加后會產生峰值的形式進行。在實際應用中，天線與天線間的隔離度需保持在 6 dB左右以確保將實際系統(tǒng)中信號相關性控制在最低程度。這意味著天線與天線之間必須有一定的間距，而像智能手機等裝置中往往沒有多少空間，尤其是考慮到智能手機所必須支持的多種蜂窩通信和無線互聯(lián)技術的頻段時更是如此。 平板電腦等較大的裝置則能容納更多的天線和更大的天線間距。截至到本文發(fā)稿時，市場上已推出幾款 2x2 WLAN MIMO型平板電腦，這些產品能利用MIMO技術帶來的更高的數據傳輸可靠性和吞吐量。 筆記本電腦由于能保證較大的內部天線空間（相當或大于平板電腦）并配備了較大容量的電池（能支持更多的發(fā)射機，也不會降低電池壽命），所以一般都是 2x2 或 3x3 的系統(tǒng)。 最后，4x4 WLAN MIMO系統(tǒng)也已開始出現(xiàn)，其初步應用瞄準了機頂盒的視頻傳送性能，因為機頂盒能從這種4x4 MIMO系統(tǒng)所提供的更好的傳輸可靠性和更大的數據容量中真正受益。 MIMO原理 傳統(tǒng)的無線系統(tǒng)采用單一輸入與單一輸出（SISO）的設置方法，即在無線連接的兩個終端都使用一個發(fā)射機和一個接收機。數字信號處理領域的最新研究成果為我們帶來了多天線技術，它能顯著地提高數據吞吐量和改善無線連接的穩(wěn)定性。這些多天線技術就是我們稱為MIMO（多路輸入多路輸出）的技術，它在無線連接的各個終端都使用多個發(fā)射機和接收機，在一定的信道條件下，能獲得比SISO高出幾倍的吞吐量。 MIMO技術僅指出了特定裝置的天線數量。MIMO定義中的“輸入”和“輸出”二詞分別表示一個無線信號在空間的發(fā)射和接收。而且，這能獨立地應用到上行和下行兩種鏈路中。 從這個總的定義出發(fā)我們可以推理出更多特殊的多天線應用實例，如：多重輸入單一輸出(MISO)，單一輸入多重輸出（SIMO），以及多路輸入多路輸出（MIMO）。這些實際應用可用圖3表示。 SIMO系統(tǒng)由于配備多個接收天線能形成接收分集，而MISO系統(tǒng)因為有多個發(fā)射天線，所以能形成發(fā)射分集。MIMO系統(tǒng)則綜合了SIMO和MISO兩種應用的特點，它能同時利用發(fā)射分集和接收分集特性來改善無線連接的穩(wěn)定性，同時使用多個可辨別的空間信道來提高無線連接的吞吐量。本文將集中討論MIMO系統(tǒng)。
圖3：MISO、SIMO和MIMO構架 MIMO技術根據信道條件可分為兩種工作模式，即空間復用模式（SM，Spatial Multiplexing）和空-時分組編碼（STBC，Space-Time Block Coding）模式。MIMO裝置會根據信道條件在SM和STBC兩種模式中動態(tài)切換以實現(xiàn)最佳性能。 1) 空間復用模式 空間復用模式（SM）的基本原理是用每根天線發(fā)送相互獨立的數據。從各天線發(fā)送的數據會在接收機端經過適當的信號處理后被分離，這種處理通常會包含線性去相關檢測和非線性干擾解除兩個操作。 我們平時提到MIMO時通常是在說SM工作模式，因為這種模式具有顯著提高無線連接吞吐量的能力。然而，SM工作模式的有效性需依賴一定的信道條件和信噪比(SNR)。多徑信道通常要求較高的非相關性。與SISO傳輸方式相比，對于相同的調制和編碼方法，多徑信道信噪比（SNR）要求也更高。 IEEE 802.11標準定義了兩個SM技術：直接映射和空間擴展。使用直接映射技術時，每個MIMO數據流都通過一個發(fā)送鏈路傳送，數據流與傳送鏈路之間是1對1的映射關系。使用空間擴展技術時，MIMO數據流先按信道評估情況用一個矩陣復用，然后再通過不同的發(fā)送信道予以傳輸。圖4直觀地表示了直接映射技術和空間擴展技術的特點。
圖4：直接映射和空間擴展 2) 空-時分組編碼（STBC） STBC用另一種方式實現(xiàn)對多個天線的利用，它利用空間和時間分集來提高數據傳輸的可靠性。 MIMO數據流在特定的時間被從一個代碼字或代碼序列處理成矢量符號，如圖5所示。之后，整個代碼字變成一個矩陣，其內部的每行數據都在相同的天線上傳送，而每個列的數據則在相同的時間傳送。接下來的任務就是在接收機端如何設計一個有最佳距離屬性的代碼了（即便是對隨機變化的信道而言）。 STBC與SM不同，它不會提高MIMO設備在相同時間傳送的數據流的數量，因此也不會直接提高無線傳送的吞吐量。然而，STBC能提高傳輸的可靠性，尤其是在信道條件很差的情況下。這樣，相同的信噪比情況下我們就能采用更高的調制和編碼率，因而，STBC具有間接提高線路吞吐量的能力。
圖5：空-時分組代碼 生產過程中MIMO系統(tǒng)中容易出問題的方面 任何生產過程都會受到潛在錯誤和過程變異的影響。因此，在開發(fā)MIMO測試方案時了解生產過程中的潛在失效點并準備好篩查方案是非常有用的工作。 * 焊接缺陷 焊接缺陷很可能是所有電子系統(tǒng)中第一大設備失效原因。嚴重缺陷可能會導致全系統(tǒng)的故障，因此很容易篩查，但是微小的缺陷就較難發(fā)現(xiàn)。這種缺陷可能會導致系統(tǒng)的性能下降，但不至于整機故障。MIMO系統(tǒng)由于其在實際應用中所具有的功能而特別容易掩蓋這種問題。 例如：如果以一次一條鏈路（發(fā)射機或接收機）的方式對MIMO系統(tǒng)進行測試，那么某些特定的性能問題，如某個焊接不好的解偶電容器，就可能無法被發(fā)現(xiàn)。這類問題只有在所有發(fā)射機在最大功率輸出工作時才能被注意到。除非我們驗證系統(tǒng)的最高數據傳輸速率，否則我們可能查不出這類生產測試中的問題。但是，使用這種蒙混過關產品的最終用戶，很可能會在諸如平板電腦與電視機的視頻傳送過程中發(fā)覺類似欠佳的性能（如解析不充分的視頻），這最終會導致產品退貨甚至產品品牌形象的受損。 * TX/RX開關性能 典型的WLAN系統(tǒng)一般都是半雙工系統(tǒng)，因此包含一個發(fā)送/接收（TX/RX）開關，用于在信號的發(fā)送和接收之間進行切換，如圖6所示。此開關的開關速度正是影響系統(tǒng)性能的關鍵所在。典型的系統(tǒng)中，此開關必須具備在幾十個微秒內完成發(fā)送/接收切換的能力，否則將引起傳輸數據的丟包現(xiàn)象。
圖6：WLAN系統(tǒng)中的TX/RX開關 控制線路中的解耦電容器有時會有焊接不良的情況，此外，表面貼裝流程中自動裝配機上有時還會裝上容值不正確的元件。容值略微增加幾個微法（?F）便會引起切換穩(wěn)定時間的延長并影響系統(tǒng)的性能。 * 串擾問題 正如前文所提，MIMO系統(tǒng)需依賴發(fā)送或接收數據流之間合理的隔離度才能實現(xiàn)最佳的性能。圖7顯示出一個MIMO系統(tǒng)中可能會產生的串擾路徑。
圖7：串擾或耦合問題 驗證不同路徑之間隔離情況的唯一方法就是確保所有的路徑都在同時工作。這就需要多個信號發(fā)射機和信號接收機來對這些路徑進行同步測試。如果每條鏈路單獨測試，那么隔離度問題就難以發(fā)覺。 此外，隨著平板電腦和智能手機越來越緊湊的外殼內需裝配的電子元件變得越來越多，精密的機械裝配和公差也已成為確保隔離度的必要條件。生產過程中一個裝配不良的射頻（RF）襯墊往往會導致系統(tǒng)中泄露通道的產生。 * 發(fā)熱問題 最后，我們必須考慮MIMO系統(tǒng)測試過程中的發(fā)熱問題。信號發(fā)射機的性能尤其容易因溫度的差異而發(fā)生變化。如果一次只對一條鏈路進行測試，那么潛在的發(fā)熱方面的問題（如增益下降，失真加劇）就可能不會表現(xiàn)出來。只有讓所有的射頻鏈路同時工作，才能使系統(tǒng)承受合理的負荷水平（見圖8）。
圖8：MIMO系統(tǒng)中的發(fā)熱問題 以上只是生產過程中可能發(fā)生的關于MIMO系統(tǒng)性能的幾個問題。雖然這些問題可能不會經常發(fā)生，但一旦發(fā)生，它們就會引起明顯的性能下降（但不大會引起整個系統(tǒng)的故障）。 隨著視頻數據越來越多地依靠WLAN MIMO系統(tǒng)傳輸，峰值數據傳輸性能正變得越來越重要。這些類型的缺陷無疑將引起應用設備性能的不良，因此我們需采取最佳的方法來篩查這些問題。 在下一部分內容中，我們將考查WLAN MIMO測試的幾個不同方法以及我們采用不同技術所能獲得的測試覆蓋率的不同水平。 MIMO測試 MIMO測試方法共有四種：多重SISO，切換式MIMO，復合MIMO，和真實MIMO。圖9中列出了各種測試方法的配置方式。
圖9：MIMO測試配置方式歸納 1) 多重SISO 此測試方法采用一個矢量信號分析儀（VSA）和一個矢量信號發(fā)生器（VSG）。此方法中 MIMO待測裝置（DUT）被看作一個多重SISO裝置，對于發(fā)射機和接收機的每個MIMO支路都進行單獨測試。這種測試方法實質上是對每個MIMO支路的多次SISO重復測試，它是最基本的MIMO測試方法，曾被用于早期的MIMO裝置的生產過程中。
圖10：多重SISO測量 2) 切換式MIMO 此測試方法只使用一個矢量信號分析儀（VSA）依次對各MIMO支路進行信號捕獲。測試時不是立刻對各捕獲的信號進行分析，而是先對捕獲信號（此例中為三個捕獲信號）進行緩沖，然后再對經過綜合的MIMO信號進行分析。測試中使用一個單一的VSG對待測裝置的MIMO接收機依次進行測試。與多重SISO方法相比，切換式MIMO測試方法由于使用MIMO算法對數據進行解碼，所以能獲得更精確的誤差矢量幅度（EVM）。這也消除了測試設置中的信道影響。
圖11：切換式MIMO測量 3) 復合MIMO 此測試方法使用一個射頻合路器將MIMO信號合成為一個單一的數據流。測試中使用一個VSA 對經過合成的數據流進行捕獲，并在發(fā)送信號已知的情況下對 MIMO信號進行分析。與上述測試方法相似，此測試方法也使用一個單一的 VSG對每個MIMO接收支路進行依次測試。此方法對測試硬件的要求最低，還能提供較高水平的測試覆蓋率和較快的測試速度。此外，此方法還能適當地降低測試裝置的成本和性能要求，因此大多數生產線都在使用這種測試方法。
圖12：復合MIMO測量 4) 真實MIMO 此測試方法模擬真實的MIMO工作條件。它使用多個VSA同時從所有MIMO支路捕獲信號。MIMO分析儀對MIMO信道進行估算并對MIMO信號進行解調。此方法還使用多個VSG生成多個波形以便對MIMO接收機進行測試。此測試方法能帶來最全面的MIMO測試覆蓋率和最快的測試速度，因此經常被研發(fā)和設計驗證實驗室采用。
圖13：真實MIMO測量 每個MIMO測試方法都有其特定的優(yōu)缺點。用戶應根據特定的應用場合和測試覆蓋率要求選擇不同的MIMO測試方法。下表對不同的測試方法進行了比較。 表1：MIMO測試方法和相關測試成本比較
真實MIMO方法模擬真實的測試情景并提供最佳的MIMO測試覆蓋。與其他方法相比它的測試硬件的成本較高，但由于其測試吞吐量的顯著提高，其運營和總體成本卻最低。研發(fā)，設計驗證實驗室，以及高速生產線通常使用這種真實MIMO方法。復合MIMO方法對合成信號的測試覆蓋率較好，但對單個MIMO路徑的分析能力卻較差。多重SISO方法和切換式MIMO方法對單個MIMO支路能保證較好的測試覆蓋率，但缺少分析合成信號的能力。由于大多數生產質量問題可以通過合成信號的分析得到解決，所以復合MIMO方法已成為生產線使用最普遍的測試方法。 測量類型 表2：不同MIMO測試方法的測試覆蓋率比較
萊特波特測試解決方案 為了進一步提高頻譜效益，最新的WLAN標準（802.11n 和 802.11ac）中增加了MIMO技術支持的內容。雖然MIMO是這些標準中可選的技術，但卻在越來越多地被WLAN裝置采用。這是因為視頻數據流等高吞吐量應用的大量普及以及5GHz頻段的日益頻繁的使用，而在這兩種情況下，MIMO不僅能幫助提高吞吐量，而且還能改進無線覆蓋和連接的可靠性。 與傳統(tǒng)的SISO裝置相比，MIMO裝置有多個收發(fā)通道和更復雜的設計結構，因此它代表了一種全新的測試挑戰(zhàn)。MIMO測試需要新一代測試設備，而萊特波特公司憑借其專利技術、先進的算法和創(chuàng)新的構架已成為MIMO測試領域領先的測試方案提供商。萊特波特公司也是目前唯一能提供涵蓋所有四種MIMO測試方法的測試方案公司。 我們的IQxel 系列測試產品是行業(yè)內802.11ac 和WLAN MIMO測試領域參考標準測試設備。由于具有行業(yè)內領先的測試速度和無可比擬的測試性能，IQxel擁有非常成功的業(yè)績，并正在被全世界各大芯片公司和消費電子產品制造商所使用。 IQxel已被運用到包括研發(fā)、設計驗證、生產和產線最終質量控制在內的產品開發(fā)過程的每個階段。
圖14：采用IQxel系列產品的True MIMO測試配置方案
圖15：2x2 MIMO 測試結果圖例
圖16：2x2 MIMO 測試結果圖例 萊特波特正在不斷地引進高度創(chuàng)新的測試技術并重新定義無線測試行業(yè)。我們致力于提供最新最先進的測試方法，以幫助我們的客戶交付高品質的、具有最佳無線傳輸性能的產品。 |
