面向设计与制造的MIMO测试方法选择

在电视问世的早期，同样携带了无线电信息的广播信号也通过多条不同波长的通路被电视机的天线所接收，给人们带来了很多麻烦。当信号沿着这些通路进行传输时，电视天线接收到的信号出现了相位错位和相互干扰的现象。因此，人们所看到的电视节目经常出现“鬼影”——干扰电视主画面的一些模糊图像。

在今天这个数字化的时代，这一现象已经变成了一件有利的事情，但是也带来了更大的系统复杂性。通过灵活而巧妙地选择测试工具可以确保这种系统复杂性不会影响设备的功能。

LitePoint公司推出的IQn×n测试系统具有软硬件相结合的矢量信号生成与分析功能，大大简化了基于MIMO设备的设计与生产测试。

MIMO技术

目前，在数字信号处理领域，设计人员通常将宽带数据分离开，通过多对“发射器-天线”装置进行传输，然后捕获、分辨并重构出原始数据流。这种技术的目的在于采用相同数量的频谱实现更高的数据吞吐率。当前的MIMO(即多输入多输出)技术是与移动WiMAX的“第二波”技术浪潮密切相关的。

MIMO是一种比较复杂的技术，因此将其集成到无线系统中面临着诸多挑战。目前MIMO规范支持“m×n”种发射器(m)和接收器(n)的组合，但是在已有的实际系统中m和n的大小都不超过4。

以黑盒的方式来看，WiMAX设备必须对一定量的数据流进行输入、分离和发送操作，使得每一个发射信号都满足MIMO的频率、频谱和其他技术指标。WiMAX设备的接收器必须捕获复合信号，并对其进行解析以产生分离的数据流，然后重构出原始的数据流。

WiMAX在很多方面与Wi-Fi是类似的。虽然WiMAX相比Wi-Fi支持更高的数据吞吐率和更远的传输距离，但是WiMAX与Wi-Fi一样，将成为一种具有同等成本与价格的大量市场(mass-market)技术。因此，尽管WiMAX技术比较复杂，但是我们必须加快研发速度，并尽量降低成本。而且，由于用户通常对产品质量非常敏感，而对设备价格不是很关心，因此制造测试必须在大量市场成本约束之内保持较高的产品质量。

新型的多通道方案

大多数工程师都会因为802.11n标准而将MIMO与Wi-Fi联系起来。802.11n标准建立在原有的Wi-Fi标准802.11a、b和g之上，确定了一种2×2、20MHz信道MIMO实现方案。该实现方案使用两个发射器发送由一条大数据流分离而产生的两条独立的数据流(空分多路复用)。这些信号通过多条路径传送给两个接收器，然后由接收器重构出原始信号(如图1所示)。

图1 对于2×2的系统，MIMO将一个宽带信号分离成两个独立的信号分量

实质上，分离的数据流——每个支持50Mb/s范围内的Wi-Fi数据速率—产生一个具有70Mb/s数据速率的重构数据流(理论上讲该速率可达100Mb/s)。并且，所有这些数据集成在一个20MHz的信道内。因此MIMO相比使用同样带宽的传统Wi-Fi将数据速率提高了50%。

通过使用多路传输方式，在每个接收天线上采用空间微分技术，使得DSP能够进行信号分离并恢复原始的两路数据流。使用相同射频信道的独立发射器，在它们各自的天线上发送出独立的数据，然后，接收天线汇集所有发射器的复合信号。通过巧妙设计的MIMO报文和先进的DSP，就可以恢复出独立的数据流。数据速率与发射器和天线数量之间具有几乎线性的关系，速率的提高并不需要增大信道带宽。

研发测试

为了实现高效的Wi-Fi MIMO功能，设计者必须采用一种称为正交频分多路复用(OFDM)的复合调制技术，开发出一种能够产生高质量信号的系统。

MIMO无线架构通常使用零中频(ZIF)，通过同相(I)和正交(Q)调制实现低成本、高效率的OFDM。其中，基带信号被分离成I、Q分量。在发射器一侧，系统将这些分量直接送入功率放大器和天线，而在接收器一侧，系统对射频信号进行解调，产生基带I、Q分量。

在理想情况下，这种方案是没有错误的，但是实际上多种因素都将带来麻烦。I和Q信号之间可能会出现不均衡的幅值、相位或群延迟，从而影响调制的精度。载频不准确、相位噪声、本机振荡器泄漏、寄生干扰和放大器压缩等都是可能出现的不利因素，因此设计者显然面临着巨大的挑战。

研发测试的目的是寻找出这些不均衡的或不利的因素。这些不利因素可能以各种形式表现出来：基带和射频芯片性能上的差异、元件容差范围过大、传输线阻抗失配、与PCB布线相关的寄生电容和电感的差异、放大器非线性等。尽管设计者可以通过对信号各个方面的测试进一步处理这些不利因素的来源，但是，这是一件非常费时费力的事情，而且容易导致错误和可重复性问题。

对于这种情况，更有效地解决之道是采用系统级的测试方法。在这种方法中，我们可以通过在一次采样内传达多种信息的方式，对设计的基带信号、射频发射信号或复合接收信号的多个方面进行采样，而不再采用一连串采样的方式。通过这种系统级测试的方法，我们可以更方便地快速分析所捕获的信号，并找出是哪些不利因素降低了信号质量。

例如，误差矢量值(EVM)就是一种能够对捕获的复合信号进行智能分析的测量手段。EVM能够直接测量出调制的精度和信号的总体质量，包括幅度和相位误差，并且能够即将体现射频信号失真的所有参数合成在一个视图内。

EVM是理想的(即没有误差的)信号群判定点与实际的测量信号之间的矢量差。如果副载波出现了偏移或者失真过大以至于影响了调制/解调精度，那么通过信号群的视图(如图2所示)就可以立刻反映出来。通过平均EVM信号的dB值与副载波调号之间的关系图，我们可以发现一些诸如由群延迟导致的问题。

图2 Tx1和Tx2的64 QAM数据流信号的群视图，这是一种理想情况，其中调制信号是没有失真的

如果将矢量信号发生器(VSG)和矢量信号分析仪(VSA)两种功能组合在一起构成一套系统，那么采用这种系统就可以产生接收测试所需的典型复合信号，以及发射测试所需的独立信号流。这种系统还能够提供信号的群视图和其他一些结果，通过较少的测试仪器配置工作就能够迅速防止某些设计问题。

制造测试

假设试生产的设计彻底地通过了测试与验证，然后接下来的制造测试就是另外一种完全不同的情况了。这时，我们不再关心如何寻找设计缺陷的问题——假设设计是好的，所有的问题都是由装配误差引起的。因此，我们的目标是建立一种快速而全面的测试方案，能够识别出不满足某些装配质量规范的部件。

制造测试的成本在整个设备成本中只能占一小部分，否则它就会影响产品的定价。由于制造测试的目标是寻找制造缺陷而不是设计缺陷，因此这里所用的测试系统不必像研发测试中所用的测试系统那样具有全部的功能。不仅测试目标有所不同，而且测试时间也必须缩短。

在制造过程中，由于群延迟而导致的设计缺陷已经得到了确认和解决，因此在制造测试过程中没有发现的所有群延迟问题将成为必须查明的制造缺陷。

如果驱动硬件系统的软件算法能够反映不同条件下的独特测试需求，那么采用一套这样的硬件测试方案就可以同时实现研发测试与制造测试。利用软件实现必要的灵活性对于当前的无线市场具有特别的意义。

当前的无线通信标准发展十分迅速，这要求测试系统非常灵活：硬件系统的功能特征可以通过软件来定义。LitePoint公司的IQ系列产品就是这样的一个例子，它在一个公共的平台上实现了“n×n”的MIMO测试系统，称为IQn×n MIMO。该系统利用DSP和同步硬件，再配以IQsignal测试软件，同时满足了研发测试和制造测试所需的灵活性，只需要进行少许的软件切换和I/O改动即可。IQmax MIMO版本还可用于Wi-Fi MIMO系统。