MIMO WLAN的RF運(yùn)作原理與量測

無線通信系統(tǒng)愈來愈普及，加上新型態(tài)的應(yīng)用（如數(shù)字串流視頻）不斷推出，使得市場對傳輸速率（throughput）更高或涵蓋范圍更廣之無線電系統(tǒng)的需求也持續(xù)增加。在某種程度內(nèi)，使用更復(fù)雜的調(diào)變格式，如正交分頻多工（OFDM）和64 QAM，就可以滿足這樣的需求，但進(jìn)一步推升的腳步未曾停歇。改變可用頻譜的使用方式有幾種方法， 超寬頻（UWB）是一種可以提高傳輸速率的做法，另一種則是稱為多重輸入多重輸出（MIMO）的射頻技術(shù)。

相較于單一通道的技術(shù)，MIMO射頻技術(shù)可以充分利用每一個發(fā)射器和接收器輸入端之間的路徑差異，發(fā)揮所佔(zhàn)用之RF頻寬的更大效益。如果說傳統(tǒng)的單一通道無線電系統(tǒng)在發(fā)射器和接收器之間產(chǎn)生的是單一條“管路”的話，那么MIMO無線電系統(tǒng)的目標(biāo)就是要產(chǎn)生多條管路，其做法是先就發(fā)射器到接收器之間的路徑產(chǎn)生一個數(shù)學(xué)模型，然后解出所得到的方程式。如果這些管路可以完全分開，那么通道的容量就可以隨著更多發(fā)射-接收鏈的加入而線性增加。具有更大容量的通道不一定只能用來以更高的速率傳送資料，如果同一筆使用者資料是透過所有的管路一起傳送，就可以增加路徑的分集性（path diversity），進(jìn)而提高資料成功還原的機(jī)率。這種方法非常適合工作于5 GHz 的WLAN 應(yīng)用採用，因為該頻段的頻譜使用率偏低，不過，操作范圍可能會受到限制。使用5GHz 的MIMO 可以提供更充分運(yùn)用此一不需申請執(zhí)照之通信頻段的途徑，也是IEEE 802.11n 規(guī)格的重點(diǎn)之一。

IEEE 802.11n 無線區(qū)域網(wǎng)路規(guī)格的制訂目標(biāo)是要提高使用者的資料速率達(dá)100Mbps 以上，制訂完成后將會包含一些選項， 可以將速率延伸到遠(yuǎn)高于100Mbps。傳輸速率的提高要?dú)w功于幾項改變的成果，包括資料封包的傳送方式，以及使用一些復(fù)雜的射頻技術(shù)，這一點(diǎn)會需要搭配高性能的RF 硬件才能做到。

IEEE 并非是唯一對發(fā)展MIMO 射頻技術(shù)感興趣的組織。在歐洲，Marquis 計畫正在發(fā)展先進(jìn)的技術(shù)，而蜂巢式通信規(guī)格（如HSDPA）也開始加入一些延伸規(guī)格， 以具備多重通道傳輸?shù)哪芰?。Wireless Gigabit with Advanced Multimedia Support（WIGWAM）計畫所要追求的正是1 Gbps 的傳輸速率。

無論是個別的無線通信裝置，或是即將被開發(fā)出來的許多不同的設(shè)計之間，若要確保其運(yùn)作的正常及相容互通，測試都將扮演非常重要的角色。本文將簡單地說明MIMO的基本運(yùn)作原理，然后探討需要進(jìn)行的各項測試，其中有些是普遍適用的，有些則特別針對802.11n規(guī)格。

如何達(dá)到100 Mbps的傳輸速率
一些信令協(xié)定（signaling protocol）的改變以及加入多重通道的射頻傳輸技術(shù)，將可以大幅提高WLAN 系統(tǒng)的效能。眾所皆知，現(xiàn)有WLAN OFDM 技術(shù)（如IEEE 802.11a）的最高資料速率并不能反映出使用者實(shí)際可以享有的資料傳輸速率。如圖1 所示，資料速率指的是封包的實(shí)體資料段（payload）中的編碼位元，實(shí)際上，有相當(dāng)多的時間并不是以這個速率傳送資料，因此，最高的資料傳輸速率通常只能達(dá)到最高資料速率的30 至40% 而已。為了解決封包傳送機(jī)制中會增加的傳輸負(fù)擔(dān)問題，需要在媒體存取控制（MAC）層做一些修改，例如，將數(shù)個封包合起來傳送，使得資料傳送週期的間隔能縮到最小，并透過區(qū)塊確認(rèn)（Block Acknowledgement），減少確認(rèn)封包的數(shù)目。

另一種方法是將實(shí)體資料的長度拉到最大。實(shí)務(wù)上，射頻通信環(huán)境對于可以連續(xù)傳送多長的資料會有所限制，這是因為發(fā)射器和接收器之間的路徑經(jīng)常在改變，針對一個特別的狀況調(diào)整好之后，該狀況可能也只能維持幾毫秒的時間而已。同時傳送多個個別的封包，每個封包都包含部分的表頭（header）資訊，也是另一種可以滿足大部分需求的可能性。少量地增加OFDM 次載波的數(shù)目、將OFDM 保護(hù)區(qū)間（guard interval）減半、或是減少導(dǎo)引次載波（pilot sub-carrier）的數(shù)目，都是值得嘗試的改良方法，實(shí)做出來將可以提高傳輸速率，又不會對通道的頻寬造成不利的影響。為了支援MAC 層和實(shí)體層的改變，也提出了一些新的協(xié)定管理封包，可能也會推出（RIFS）等方法。
　

圖1：簡化的WLAN OFDM 封包時序。
　

改良封包結(jié)構(gòu)之后，可以思考射頻通信效能的改善之道，共有三種可行的方式，通道容量的標(biāo)準(zhǔn)方程式指出了其中兩種：

其中
C＝通道容量（位元數(shù)/秒）、B＝佔(zhàn)用的頻寬、ρ＝信號/噪音比（SNR）（線性的比值，而非dB）

方程式一：單一通道容量的表示式
增加佔(zhàn)用的頻寬或改善信號/噪音（S/N）比可以提高通道的容量。

首先，如果以更快的速率，將資料調(diào)變到RF 載波上，就能以更快的速度傳送資料，但也會即刻增加佔(zhàn)用的頻寬。某些WLAN裝置中已經(jīng)使用了這種方法，可以將發(fā)射器基頻的時脈速率加倍。這個想法經(jīng)過修改后將成為802.11n 裝置的選項，其缺點(diǎn)是有些頻譜管理機(jī)構(gòu)禁止這樣做。如果有一些不同代的無線網(wǎng)路基地臺（Access Point）各自獨(dú)立地運(yùn)作時，在此情況下可能不會以最有效的方式分配頻譜的容量。

第二種方法是改善信號/噪音比，以使用較復(fù)雜的調(diào)變格式。原則上，從目前的64QAM 改為256 QAM 可以大幅提高傳輸率，而且不會增加佔(zhàn)用的頻寬。但實(shí)務(wù)上，不論是改善接收器的信號/噪音比或是產(chǎn)生256 QAM 的信號都有其困難度。使用多個接收器和運(yùn)用分集的概念是值得嘗試的SNR 改善方法，但處理256 QAM 信號所要求的硬件效能會需要增加額外的成本。即使能夠充分地改善S/N 比，最多也只能以對數(shù)的比例提高傳輸率。未來IC 技術(shù)的效能或許可以進(jìn)行更復(fù)雜的調(diào)變，不過目前還可以藉由運(yùn)用MIMO 技術(shù)，採取第三種方法來增加容量。

多重通道的無線電系統(tǒng)與空間資料串流（spatial stream）－MIMO
正在使用或考慮要使用的“智能型天線”和多重通道技術(shù)有很多種，因此有必要先確立所使用的術(shù)語是相同的。如果一個無線電系統(tǒng)在發(fā)射端和接收端使用的天線都不止一組，它或許具有多重通道的能力，但不表示它採用的是空間多工（spatial division multiplexing）的方法。輸入和輸出無線電通道的數(shù)目決定了它是哪一種的無線電系統(tǒng)，MIMO指的是：要使用兩個或多個通道的輸入端和通道的輸出端，請參見圖2。而且，需要採用空間多工法，才能提供方程式二所描述的增加容量的好處。
　

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圖2：無線電技術(shù)是依據(jù)所使用的通道類型來定義的。
　

IEEE 802.11n 工作小組已轉(zhuǎn)向于制訂更先進(jìn)的無線電系統(tǒng)，稱為多重輸入多重輸出或MIMO。這項技術(shù)可以讓我們并行地送出資料串流，概念上有點(diǎn)像是使用纜線而非無線電。之所以能夠這么做的理由是因為：兩支天線間的典型WLAN 射頻路徑特性有一大部分會取決于天線放置的位置，如果將天線移動幾公分（半個波長），就需要使用不同的系數(shù)來定義新路徑的方程式。這樣的差異可以用數(shù)學(xué)的方式將信號分開來，于是興起了（spatial separation）和（spatial streams of data）串流的概念，并藉由實(shí)際上分隔開來的不同組天線來實(shí)現(xiàn)。

如果同時從一些天線發(fā)射信號會得到一連串的方程式，描述合在一起的路徑之間的通道長什么樣子。一旦掌握了通道的傳輸特性，就可以明瞭一起傳送出去的資料在通往接收天線的途中，是如何合在一起的。數(shù)學(xué)上，由方程式二的總和符號可以看出，容量會隨著發(fā)射-接收鏈的數(shù)目N 增加而線性增加。若要實(shí)現(xiàn)這樣的效果，同一個信號必須同時使用每一個發(fā)射-接收鏈。它是方程式一的延伸，而且多了一個新的變數(shù)，這是無線電通道的（Singular Values），也是MIMO 通道容量的量測指標(biāo)。

其中，，N＝獨(dú)立的發(fā)射-接收鏈數(shù)目、 ＝ 無線電通道矩陣H 的單數(shù)值

方程式二：MIMO 容量的表示式
它看起來且實(shí)際上也比傳統(tǒng)的無線電系統(tǒng)復(fù)雜，但最大的好處是不需使寬，也不需具備更佳的信號/噪音比，就能夠以高出很多的速率傳送資料。以一個方形矩陣A 來說，其單數(shù)值是AHA 特征值的方根，其中AH 是A 的共軛轉(zhuǎn)置（Hermetian）。最簡單的方法就是把單數(shù)值想成可以用來衡量空間通道有多強(qiáng)及分離度有多好的基準(zhǔn)，而最理想的MIMO 通道特性是單數(shù)值夠高且大小相等。找出通道系數(shù)的方法有幾種，請參考圖3，最簡單的一種就是在T0 和T1 發(fā)射一對已知的不同信號，然后量測出現(xiàn)在R0 和R1 的信號。這是一個（non-blind）的已知通道粹取例子，系統(tǒng)運(yùn)作的（training period）與用來傳送使用者資料的時間是截然不同的。這是針對802.11n 的運(yùn)作所提出的方法，也是802.11a 中所使用之多頻（multitone）通道估測法的延伸。在圖3 中，T0 和T1 代表透過無線電通道傳送的信號，范例中的系數(shù)指的是通往R0和R1 接收天線的途中，所出現(xiàn)與頻率無關(guān)的路徑損耗及交互耦合。
　

圖3：更加簡化的2*2 MIMO 通道范例，有助于解開一些MIMO 運(yùn)作的奧秘。
　

這些系數(shù)顯然不能代表一個真實(shí)的通道，但其目的是要告訴我們?nèi)绾卫媒邮盏降男盘朢0 和R1，計算出通道的系數(shù)。至此，不妨思考看看MIMO 技術(shù)是否能夠在所有的通道條件下，提供擴(kuò)增容量的效果，答案是：否，透過前一個簡化的范例，大致可以瞭解箇中的原因。在圖3 的范例中，通道的單數(shù)值分別為0.957 和0.815，算是相當(dāng)良好的MIMO 通道，因為兩個值的比將近1（1.17）。由表1 可以看出，當(dāng)其中一個通訊連結(jié)的系數(shù)改變的時候，會出現(xiàn)什么樣的變化。如果耦合的系數(shù)和直接的系數(shù)在數(shù)值上差不多，則相位差會變得非常重要。
　

表1：通道系數(shù)改變時，單數(shù)值會出現(xiàn)的變化。
　

通道估測的準(zhǔn)確度攸關(guān)著信號還原的準(zhǔn)確度。造成品質(zhì)降低的原因有很多種，包括通道中的噪音、失真和量化誤差等。為了提醒處理噪音的必要性，可以用一個更完整的表示式來描述圖3中接收到的信號：

R = H T + n

其中，H 是通道系數(shù)的矩陣、n 是噪音因數(shù)的矩陣、R 和T 是描述接收到和傳送出來之信號的矩陣通道粹取過程中產(chǎn)生的熱噪音（thermal noise）和量化噪音（quantization noise）效應(yīng)對WLAN封包以及射頻數(shù)字信號處理（DSP）的設(shè)計有相當(dāng)大的影響。另一種看待通道運(yùn)作的方法如圖4 所示。圖中的線代表的是R0 和R1 的方程式，線的交叉點(diǎn)則代表我們找出通道系數(shù)的準(zhǔn)確度有多高。在左上角的圖中，可以很清晰地辨別兩條線，表示其信號/噪音比很高。而且，這兩條線幾乎是正交的（彼此呈直角交叉），因此可以非常準(zhǔn)確地測定交叉點(diǎn)，表示可以準(zhǔn)確地解出通道方程式。在左下角的圖中，線就沒有那么明顯清楚了，表示是一個低信號/噪音比的信號。兩條線也幾乎呈正交，因此仍然可以相當(dāng)準(zhǔn)確地解出交叉點(diǎn)。在右上角的圖中，兩條線的角度縮小了很多，因此兩條線交叉的區(qū)域大幅增加了，使得斜率的估測精確度變差了。

最后，在右下角的圖中，加入了更多的線，代表更多的方程式，這是使用更多支天線所產(chǎn)生的。使用更多的線（方程式）有助于提高交叉點(diǎn)位置的部分解析度。

如果反射無法形成傳遞路徑的一部份，則通道系數(shù)較有可能是相似的（相互關(guān)聯(lián)的）。keyhole 通道就是一個可能發(fā)生這種情形的例子，將這種通道看成是包含了一個小的窗口（開口）會比較容易想像。實(shí)務(wù)上，其它結(jié)構(gòu)（如金屬屋頂線）也可能造成通道路徑的差異性降低，導(dǎo)致相同的結(jié)果－ MIMO 的容量減少。
　

圖4：MIMO 信號還原的誤差大小取決于通道的差異性有多大和噪音有多少，此圖中的線代表的是用來計算通道系數(shù)的方程式。
　

■1.延伸的封包結(jié)構(gòu)
MIMO 通道估測的過程需要延伸802.11a 所使用的前導(dǎo)訓(xùn)練序列（preamble），多出來的訓(xùn)練期間可以讓接收裝置計算通道的系數(shù)。為了建構(gòu)高傳輸率的WLAN 封包而提出的一種結(jié)構(gòu)如圖5 所示。在叢發(fā)信號的資料部份，會將資訊對應(yīng)到個別的傳送通道上。在過程中，會輪換不同天線所使用的次載波。對空間多工（SDM）的運(yùn)作來說，這其實(shí)并非必要的，但可以強(qiáng)化信號的耐受力（robustness）。
　

圖5：經(jīng)過修改的WLAN 封包可進(jìn)行MIMO 運(yùn)作，Greenfield1 或Pure Mode2 封包不需要提供傳統(tǒng)的週期（legacy period），因此可以達(dá)到更高的傳輸率。
　

■2.通道估測
看起來最容易的MIMO 通道估測法之一是從每一組發(fā)射器送出交錯的次載波。圖6的測試設(shè)置方式是其中一種可以粹取通道資訊的方法，由兩部信號產(chǎn)生器分別產(chǎn)生相同的1 MHz間隔的多音頻信號，其中一部信號產(chǎn)生器的中心頻率偏移了500 kHz。呈現(xiàn)在圖右邊的四組頻率響應(yīng)顯示了將不同的路徑響應(yīng)分離開來的結(jié)果。訓(xùn)練期間的設(shè)計具備了很強(qiáng)的時間關(guān)聯(lián)特性，可以將發(fā)射器信號的峰值對平均功率降到最低。在訓(xùn)練序列期間，每一個無線電接收通道的模擬增益控制指的是，只能使用一組設(shè)定來量測所有發(fā)射器的通道系數(shù)。我們只能量測來自不同發(fā)射天線之信號的比值，如果差異很大，較弱的信號就會出現(xiàn)量化誤差。雖然這個問題看起來或許不是很嚴(yán)重，但卻意味著通道的品質(zhì)不利于MIMO 傳輸。輸入通道間的絕對增益差或許不是很重要，但接收鏈的增益設(shè)定必須要盡可能地準(zhǔn)確，才能在計算通道系數(shù)時，充分運(yùn)用ADC 的最高解析度。
　

圖6：四個通道的頻率響應(yīng)范例，這是利用兩部E4438C 產(chǎn)生交錯式的多頻信號，經(jīng)雙通道的89640 VXI系統(tǒng)接收后所得到的結(jié)果。
　

■3.分碼多重存取（CDMA）與MIMO 的比較
表面上看來，可以讓多位使用者共用同一頻寬的CDMA 射頻技術(shù)運(yùn)作方式與MIMO有些類似之處，但這兩種系統(tǒng)的差異其實(shí)相當(dāng)大。MIMO 射頻技術(shù)可以提高通道的容量，而CDMA 則不能。顧名思義，CDMA 是一種多重存取的技術(shù)，在任何時間點(diǎn)，都可以單獨(dú)還原每位使用者所屬的信號，而MIMO 射頻技術(shù)則必須要能同時接收不止一個的信號，才能充分利用通道容量增加的效益。

在CDMA 中，每一位使用者所屬的信號都會透過一個獨(dú)特的編碼，與其他使用者的信號分隔開來。編碼的設(shè)計互不相同（呈正交），讓接收器只能解出單一個信號，而其它信號看起來則像噪音一樣。隨著使用者的人數(shù)增加，有效的噪音位準(zhǔn)也會提高。當(dāng)接收器再也無法有效地還原它鎖定的位元串流時，就表示達(dá)到了系統(tǒng)的總?cè)萘?。在MIMO 系統(tǒng)中，多出來的發(fā)射-接收鏈（最重要的是包含了實(shí)體上各自分開的天線）使用的是射頻通信環(huán)境的空間分集（spatial diversity）法，以增加實(shí)際的總?cè)萘?。?dāng)使用了整個通道的所有空間分割變數(shù)，且可用的信號/噪音比夠高時，就達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計的總?cè)萘苛恕ＥcCDMA 不同的是，MIMO系統(tǒng)不需要資料信號是相互正交的。

■4.無線電通道
在無線電通道部分，RF 路徑或通道的本質(zhì)決定了MIMO 無線電系統(tǒng)的效能。為了比較不同無線電模擬的效能，以及產(chǎn)生測試信號給實(shí)際的裝置使用，需要建構(gòu)無線電通道的模型。既有的WLAN 效能分析使用的是Medbo-et al 提出的模型，內(nèi)含五種應(yīng)用（模型），以適用于不同的環(huán)境。802.11n 工作小組已將其擴(kuò)大，開發(fā)出更復(fù)雜的模型，以搭配MIMO 無線電系統(tǒng)使用。舉例來說，信號傳播的角度會變得極為重要，因為它會影響信號從每一個發(fā)射天線行進(jìn)到每一個接收天線的結(jié)果。信號被視為以叢集（cluster）的方式抵達(dá)，每一個叢集代表的是以直線連結(jié)其路徑損耗（以dB為單位）的信號，其值為時間延遲的函數(shù)。有一些是環(huán)境特有的影響，如效應(yīng)”螢光燈”，也需要加以處理。有些可能會在個別資料封包的傳送過程中，造成通道改變。

應(yīng)用在WLAN 的多重通道無線電系統(tǒng)
使用802.11a 形式的OFDM 與MIMO 的運(yùn)作之間有很密切的關(guān)系，一直到設(shè)計階段都是如此。為了瞭解OFDM 如何因應(yīng)MIMO 的需求，有必要先說明單一輸入單一輸出（SISO）的無線電系統(tǒng)。

■1.正交分頻調(diào)變（OFDM）提要
OFDM 可以在許多的次載波之間分享使用高速的資料輸入，如此一來，就可以減少個別次載波所需的頻寬。資料會蒐集成資料區(qū)塊（稱為symbol），然后經(jīng)過編碼以減少錯誤的發(fā)生，接著將它們分散（交錯）在不同的次載波上進(jìn)行傳送，以保護(hù)它們不受少數(shù)次載波因多徑消抵（multi-path cancellation）或窄頻干擾造成的損耗所影響。（orthogonal）這個名稱指的是選擇次載波的頻率間隔和資料調(diào)變速率的方式，以避免次載波之間的干擾。每一個次載波的頻寬都很窄，但仍然會有相關(guān)的延遲產(chǎn)生。symbol 之間插入的保護(hù)區(qū)間提供了系統(tǒng)設(shè)計時可以預(yù)期的最長延遲時間。在保護(hù)區(qū)間內(nèi)，會將symbol 延伸，做法是將symbol 尾部相同長度的一段時間復(fù)制在symbol 的開頭處，這段時間就稱為循環(huán)字首（cyclic prefix）或延伸部份。

WLAN 傳輸?shù)倪\(yùn)作基礎(chǔ)是只使用每一個單獨(dú)封包內(nèi)的資訊來還原封包的內(nèi)容。在封包（叢發(fā)信號）的開始處，有兩段訓(xùn)練期間，在第一個8 us的短訓(xùn)練序列中，每第四個次載波會被開啟，其相位關(guān)系會將峰值對平均功率比降到最低，這段期間可用于接收器的增益設(shè)定以及粗略的頻率修正。在接下來的8 us，也是長訓(xùn)練序列中，所有的次載波都會開啟，讓接收器計算通道的頻率響應(yīng)并微調(diào)頻率的誤差。使用OFDM 可以讓我們對MIMO 運(yùn)作用的信號做一些重要的假設(shè)。舉例來說，每一個次載波的調(diào)變頻寬都很小，足以假定可以用單一復(fù)數(shù)系數(shù)來表示每一條RF 路徑，這就是透過低成本的DSP 實(shí)作，讓MIMO 運(yùn)作的通道系數(shù)計算變得可行的重要因素。

■2.分集（diversity）技術(shù)
傳送單一資料串流時，運(yùn)用分集技術(shù)可以減少錯誤的發(fā)生。天線的空間分集并非新的題材，在許多WLAN 的裝置中已經(jīng)使用過了。802.11n 裝置中的多重發(fā)射-接收鏈設(shè)計除了是一種增加容量的方法之外，也具有提高分集性的效果。善用路徑的分集效果可以提高信號路徑的耐受力，這表示可以提高任何距離的最高資料速率。如果信號/雜訊比的效能超出要求，還可以降低發(fā)射功率，延長可攜式裝置的電池壽命。

無線電系統(tǒng)的方塊
MIMO 無線電系統(tǒng)的各個硬件和軟件組成部份與標(biāo)準(zhǔn)的OFDM WLAN 設(shè)計有許多雷同之處。多重RF 通道可以用不同的本地振盪器，或是具有單獨(dú)的前端模組的整合式收發(fā)器和LO，以分開的收發(fā)鏈來設(shè)計。所有會影響SISO OFDM 設(shè)計的不良狀況，如相位噪音和信號壓縮，在MIMO 無線電系統(tǒng)中也都需要加以測試。此外，通道間不想要的交互影響也需要進(jìn)行測試，在DSP層級所發(fā)生的改變就是一個例子，可以看出數(shù)字硬件的交互影響可能會造成模擬信號出現(xiàn)轉(zhuǎn)態(tài)的情形，而這種現(xiàn)象只有當(dāng)整個系統(tǒng)以一般模式運(yùn)作時才會顯現(xiàn)。通道內(nèi)的信號之間會交互耦合是通道中固有的行為，但如果在天線和模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換間出現(xiàn)不想要的耦合，就會降低空間通道的效能。在模擬RF 中，這就好像在回返損耗量測的路徑中放置一個衰減器一樣。

圖7是一個2*2 配置系統(tǒng)的主要組成要件。

在實(shí)際的應(yīng)用上，可能會使用第三組接收器或更多的發(fā)射鏈。所支援的空間資料串流數(shù)取決于使用了多少組獨(dú)立的發(fā)射-接收鏈，任何硬件的增加都是為了提高頻道的分集性。接收器的設(shè)計是MIMO 無線電系統(tǒng)中最復(fù)雜的部份之一，不僅個別的頻道必須具有與SISO 無線電系統(tǒng)相同的相鄰頻道與干擾拒斥特性，而且也必須要能將MIMO 信號的空間資料串流分開，因此準(zhǔn)確的通道估測尤其重要。設(shè)計的取捨是必要的，也會造成效能上的差異，系統(tǒng)整合者在選擇不同廠商的產(chǎn)品時，不能不將這些因素區(qū)隔開來，而且需要用到一些測試信號的組合才能做到。
　

圖7：2*2 MIMO 發(fā)射器和接收器的方塊圖。
　 發(fā)射器測試
大部分的無線電標(biāo)準(zhǔn)都會發(fā)展出發(fā)射器品質(zhì)的衡量基準(zhǔn)，預(yù)計802.11n 也不例外。在撰寫本文之際，適當(dāng)?shù)牧繙y方法還在討論當(dāng)中，不過，現(xiàn)有的量測方法中有一些是可以調(diào)整適用的。

■1. 單一通道量測
單一通道的量測會引發(fā)興趣是因為可以使用既有的設(shè)備。就頻譜的安規(guī)測試而言，所代表的是大部分其它的接收器。對MISO 系統(tǒng)來說，單一通道就是測試接收鏈需要進(jìn)行的所有量測了。當(dāng)然，在傳統(tǒng)的舊式系統(tǒng)模式下使用時，MISO 的測試案例還會包括多重通道WLAN 發(fā)射器的運(yùn)作測試。使用單一輸入的缺點(diǎn)是，當(dāng)裝置是在要求最高的模式下運(yùn)作，且會在測試埠間進(jìn)行切換時（意味著測試時間會增加），無法完整地測試出裝置內(nèi)的交互作用情形。

＿功率、功率vs. 時間、CCDF
峰值對平均功率比是OFDM 信號要求最嚴(yán)格的特性之一，在多個放大器會共用發(fā)射功率的情況下，可以預(yù)期的是每一個裝置都需要減少所汲取的供應(yīng)電流。量測功率時，需要切記的是WLAN 信號的功率分佈會隨著封包的不同部份而改變。由圖8 中的互補(bǔ)累積分佈函數(shù)（CCDF）軌跡可以看出功率分佈在傳統(tǒng)封包不同部份的改變情形，在前導(dǎo)資訊的部份只有幾dB，但到了實(shí)體資料段（payload）的部份，則會增加9到10 dB。在個別MIMO 發(fā)射器的輸出端進(jìn)行的量測看起來會與傳統(tǒng)的裝置很類似（除非有使用空間通道波束成形的功能）。如果信號是合在一起的，例如當(dāng)它們抵達(dá)接收天線時的情形，功率的分佈會更復(fù)雜，特別是在前導(dǎo)資訊的部份。需要特別注意的是信號在MIMO通道估測之前和期間的穩(wěn)定度。
　

圖8：CCDF 在WLAN 封包不同部份的變化情形。
　

802.11a 信號的功率攀升方式（power ramp）尚未有清楚的定義，但振幅在前導(dǎo)信號開始處即已穩(wěn)定下來是很重要的。在第一個training symbol 之前的期間也很重要，因為無中頻（zero IF）接收器如果緊接在封包之前感應(yīng)到一個信號，可能會出現(xiàn)校準(zhǔn)不良的情形。

＿頻譜
為了避免出現(xiàn)不想要的相位陣列波束成形效應(yīng)，在送出相同的信號時，會在發(fā)射器之間插入小的週期性延遲（cyclic delay）。使用單一通道分析儀來量測合在一起的信號時，所得到的頻譜圖不是具有高于相對等之802.11a 信號的峰值，就是有明顯不平坦的頻率響應(yīng)。圖9 的例子來自于一部標(biāo)準(zhǔn)的掃頻式頻譜分析儀，可以注意到圈起之處就是前導(dǎo)短訓(xùn)練序列的峰值。
　

圖9：功率頻譜密度量測出現(xiàn)的峰值，因天線間的交互作用而凸顯出來。
　

除了最高功率的裝置以外，這種情形可能不會構(gòu)成頻譜安規(guī)的問題，但會對頻譜噪音波罩（spectrum emission mask）量測造成影響，因為這項量測是利用最高的頻段內(nèi)（inband）峰值來設(shè)定參考位準(zhǔn)所進(jìn)行的，其影響是會提高波罩限制線。閘控式頻譜分析是一種功能強(qiáng)大的方法，可以找出信號叢發(fā)期間的問題。圖18嘗試將兩組發(fā)射器的輸出組合在一起，最底下的軌跡就是信號合在一起的結(jié)果，頻譜中下降點(diǎn)（圈起處）的位置和深度容易受到通道間的時序偏移和平衡所影響。使用合適的測試模式，或藉由量測適當(dāng)?shù)膒reamble symbol，或許可以應(yīng)用這個原理，使用單一輸入分析儀來進(jìn)行簡單的交叉通道量測。25 ns 的時間延遲會在20 MHz 寬的信號上造成180 度的相位偏移，或是讓圖10 中的下降點(diǎn)出現(xiàn)40 MHz 的反覆區(qū)間。
　

圖10：將中間有小的週期性延遲的兩組信號（上方和中間）組合在一起，會得出明顯不平坦的頻率響應(yīng)結(jié)果。
　

將RF 屏蔽拿掉，檢查裝置之MIMO training symbol 期間的前導(dǎo)資訊部份，展現(xiàn)的則是另一項簡單的交叉通道測試。在圖11 中，眾多圓圈顯示的是交錯的次載波從一個通道洩漏到另一個通道的情形。這項量測使用的是Hanning FFT 時窗，以提高頻率響應(yīng)的解析度，在training symbol 具有週期性本質(zhì)的情況下，這是很好的選擇。
　

圖11：在長訓(xùn)練序列期間量測到的不想要跨通道耦合。
　

＿自動關(guān)聯(lián)（auto-correlation）
自動關(guān)聯(lián)可以分析信號中重復(fù)的成份，例如802.11 傳統(tǒng)前導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的800 ns 和3.2μs 反覆區(qū)間，也可以用來檢查交互耦合。圖12 的信號是圖6 的量測中所使用的相同交錯式多頻信號，在自動關(guān)聯(lián)量測中，峰值的比率大小代表的是通道間總體的交互耦合程度。這些結(jié)果的復(fù)數(shù)系數(shù)（經(jīng)由切換刻度顯示出來－ 請參見插圖）可以提供信號間相位關(guān)系的資訊。
　

圖12：對圖6范例中使用的頻率交錯式信號進(jìn)行自動關(guān)聯(lián)量測的結(jié)果，峰值的相對大小與頻道耦合的強(qiáng)度有關(guān)。
　

＿頻率與相位穩(wěn)定時間、EVM
如果前導(dǎo)結(jié)構(gòu)是正確的，可以使用89600 VSA 軟體執(zhí)行一般的802.11a EVM 量測。信號需要有至少28μs 的時間長度，但不一定得是標(biāo)準(zhǔn)的封包，這表示可以在傳統(tǒng)系統(tǒng)相容的封包上量測相位、頻率和振幅的穩(wěn)定時間及EVM，進(jìn)行時可選擇Preset toStandard> 802.11a/g>，并將Max Result Length> 設(shè)為1。有時候，可能需要解調(diào)振幅在前導(dǎo)序列部份會改變的信號。
　

表2：使用單一輸入信號測試儀器所能進(jìn)行的量測。
　

■2. 雙通道量測
雙通道量測可以進(jìn)行更完整的MIMO 無線電分析。交叉通道量測可驗證信號間的頻率和時序關(guān)系，也可以顯示出每個個別通道的誤差如何累加在一起，降低發(fā)射器和接收器的空間通道效能。產(chǎn)生信號時，時序?qū)R和共用本地振盪器的需求與6.2.1 節(jié)所討論的類似。透過個別的組件量測RF 相位關(guān)系時，使用共用的本地振盪器將是最容易的方式，會需要採用向量網(wǎng)路分析所使用的方法，在測試連接點(diǎn)進(jìn)行相位校準(zhǔn)。若要確保量測的穩(wěn)定一致性，就需要特別留心RF 匹配的問題。相反地，在生產(chǎn)線上測試完整的發(fā)射器時，要求可能反而沒這么高?？蓤?zhí)行多通道發(fā)射器量測的硬件有三種，如表3 的摘要所列。
　

表3：多重通道量測硬件選項摘要。
　

示波器數(shù)字轉(zhuǎn)換器的解析度為8 位元，與EVM 等量測的殘留誤差（residual error）沒有直接的關(guān)聯(lián)。如果信號有經(jīng)過超次取樣，就可以提高有效的位元數(shù)，此時主要的限制會在于儀器本身的噪音底線。就其可以分析的信號類型而言，示波器顯然是非常彈性的工具。若是RF 信號，雖然任何旁生的噪音信號都可能會變成膺頻（aliased），混入量測結(jié)果中，但仍然可以直接使用高性能示波器進(jìn)行量測。取樣率和記憶體深度決定了可用的擷取時間長度，就同樣的記憶體容量來說，取樣率為2 或4 GSa/s（視機(jī)種而定）在可用的記憶體深度上會相差一大截，而量測速度則會隨著取樣點(diǎn)數(shù)減少而加快。

接收器測試
MIMO 接收器處理的是叢發(fā)信號中兩個主要的部份：通道估測和分開多重通道的資料。在接收器設(shè)計的過程中，可以利用發(fā)射器測試一章中所介紹的設(shè)備，在RF 和（Z）IF 頻率分別分辨出叢發(fā)信號的這兩個部份。圖13 顯示了測試配置介接點(diǎn)的可能組合，89600 VSA 可以搭配邏輯分析儀以及類比擷取硬件使用。

接收器測試的運(yùn)作方式取決于控制DUT 的應(yīng)用軟件，一般而言，會使用一些測試模式執(zhí)行參數(shù)測試，這樣會比跑完一般的關(guān)聯(lián)計算與資料傳輸程序來得有效率。在單一通道測試中，RF 位準(zhǔn)是主要的控制參數(shù)，最重要的衡量指標(biāo)是靈敏度，也就是在特定的調(diào)變速率下，達(dá)到指定之封包錯誤率效能所需的RF 信號位準(zhǔn)。若要進(jìn)行更完整的測試，則需加入相鄰?fù)ǖ馈⒃胍艉推渌蓴_。

在多重通道的無線電系統(tǒng)中，接收器測試也是先從同樣的單一通道測試開始進(jìn)行，再將信號源輪流切換到每一個接收器輸入端。當(dāng)進(jìn)入到MIMO 運(yùn)作流程時，結(jié)果若要有意義，就必須先定義測試通道，也就是要設(shè)定通道間的耦合系數(shù)，如第一節(jié)中所述，這些對決定通道的容量十分重要。在RF-DSP 的設(shè)計中，有很多的測試通道需要加以驗證，即使是專為802.11n 工作小組所提出的MATLAB? 程式也只能提供一部份而已。
　

圖13：接收器測試的大致配置方式，可以使用示波器或VXI 硬件來測試降頻路徑的模擬效能。系統(tǒng)測試需要使用特定廠商的軟件，對無線電系統(tǒng)的設(shè)計者來說，此舉可以取得詳細(xì)的效能資訊和進(jìn)行完整的控制。
　

■1.單一信號源
利用RF信號分配器（signal splitter），可以使用幾種方法，透過單一信號源來同時測試多個輸入信號。其優(yōu)點(diǎn)是速度快且不需要使用額外的硬件，但適用性取決于基頻電路的運(yùn)作，而基頻電路的運(yùn)作又會因晶片廠商而異。這種方式無法測試無線電系統(tǒng)因使用空間多工技術(shù)而增加的容量。

＿提高SISO 無線電系統(tǒng)的靈敏度
若將一個標(biāo)準(zhǔn)的單一通道OFDM 信號先饋入一個單獨(dú)的接收器輸入端，則應(yīng)該會同時提高所有的無線電輸入靈敏度位準(zhǔn)，所提高的量取決于獨(dú)立的接收路徑數(shù)目。實(shí)際的提升程度將視硬件配置方式，以及輸入信號經(jīng)過數(shù)字轉(zhuǎn)換后，所使用的信號結(jié)合方法而定。若作業(yè)得當(dāng)，設(shè)計者將可以依據(jù)理論上的計算值以及自己進(jìn)行的裝置量測結(jié)果，得出預(yù)期之提升程度的規(guī)格。

＿Keyhole 方法
第二種方法稱為keyhole 方法1，可用來測試MIMO 通道的還原過程，此時DUT 需
要進(jìn)入特殊的測試模式下運(yùn)作。如果我們考慮使用交錯式多頻信號來進(jìn)行通道估測的話，可以設(shè)計一個不論系統(tǒng)應(yīng)該有多少個發(fā)射器，都能提供相同位準(zhǔn)的測試信號。若將此信號送入所有的接收器輸入端，則無線電系統(tǒng)就可以計算出所有的通道系數(shù)，此時應(yīng)該可以發(fā)現(xiàn)通道容量并沒有比SISO 的方式增加。進(jìn)行這項計算時，均值化過的通道系數(shù)應(yīng)該為1 或0，只要出現(xiàn)偏離1 和0 的情形（因無線電硬件的不完美或接收器輸入端的雜訊而發(fā)生），就可以判斷無線電系統(tǒng)的效能如何。

■2.多重信號源
考慮使用單機(jī)獨(dú)立運(yùn)作儀器提供的多重信號源時，必須瞭解基頻信號的時序?qū)R的必要性，以及是否需要使用共用的本地振盪器。舉例來說，如果有個別的本地振盪器（LO），表示可以進(jìn)行相鄰?fù)ǖ罍y試以及MIMO 測試。