|
通信市場(chǎng)和底層的語(yǔ)音和數據服務(wù)技術(shù)的發(fā)展趨勢是在同一頻譜上提供更高的數據速率，以滿(mǎn)足日益增長(cháng)的用戶(hù)需求。本文綜述了多入多出（MIMO）傳輸機制的底層標準，包括802.16e mobile-WiMAX Wave2、HSPA+和LTE。其中涉及廣大工程師們在設計基于多射頻/天線(xiàn)技術(shù)的產(chǎn)品時(shí)用到的MIMO信號發(fā)生、調制質(zhì)量測量、信道仿真和波束賦形理論。 引言 MIMO技術(shù)將頻譜效率提升到了一個(gè)全新的水平，根據其采用的傳輸技術(shù)，能夠實(shí)現更高的數據吞吐率或者更大的覆蓋率。但是，頻譜效率的提高是以更高的復雜性為代價(jià)的。從概念上看，MIMO技術(shù)非常簡(jiǎn)單：它采用多路射頻載波傳輸更多的信息，通過(guò)在占用相同帶寬的同一信道上傳輸所有信號的方式來(lái)提高頻譜效率。例如，2×2的MIMO射頻具有兩個(gè)發(fā)射器和兩個(gè)接收器，4×4的MIMO具有4個(gè)發(fā)射器和4個(gè)接收器。 目前很多MIMO系統采用的都是2×2配置架構，但是市場(chǎng)的發(fā)展將會(huì )出現更大規模的配置。WLAN、WiMAX和LTE已經(jīng)采用了4×4的配置架構。目前人們研究的波束賦形技術(shù)旨在在設備內配置更大規模的射頻系統，以便為用戶(hù)盡可能提供最多的服務(wù)。目前，8×8甚至16×16的射頻配置是商用寬帶射頻研究領(lǐng)域的主流。 MIMO理論 MIMO的工作原理是對傳輸信道進(jìn)行精確建模，將多個(gè)接收到的符號分解恢復成單路數據流。為了說(shuō)明這一原理，我們不妨以WLAN802.11n為例（如圖1所示）。發(fā)射器以一個(gè)報文頭的形式發(fā)出一個(gè)已知信號。接收器據此構建一個(gè)信道模型，用H表示。當發(fā)出數據時(shí)，接收器根據信道模型盡可能逼近原始矢量，其中假設傳輸誤差用噪聲矢量（n）表示。 圖1 傳輸信道的原理 盡管信道建模理論適用于所有的MIMO系統，但是這一方法對于不同的標準是不同的。例如，在基于WLAN802.11n的系統中，報頭信息在TX1和TX2上都進(jìn)行發(fā)射，但是基于WiMAX 802.16e Wave2的系統僅僅在第一個(gè)發(fā)射器上發(fā)射報頭。經(jīng)過(guò)解析的傳輸路徑（即h11和和h22）稱(chēng)為空間流。 測量系統的時(shí)間對準 信道使信號發(fā)生失真有多種情況。例如，周?chē)矬w的反射會(huì )導致信號的多個(gè)實(shí)例在不同的時(shí)間到達接收器（多路徑）。多路徑造成了幅值衰減以及時(shí)間和相位的延遲。從理論上，某個(gè)信號的信道失真越多，接收器算法就越難解析出原始發(fā)射信號。如果發(fā)射器或者接收器進(jìn)一步引入了幅值、時(shí)間和相位誤差，我們就無(wú)法對信道進(jìn)行準確的建模，就不能有效地解析出符號。 為了確保MIMO的測量有效而準確，所采用的測量設備，即信號源（發(fā)射器）和分析儀（接收器），必須與它們本地的晶振進(jìn)行相位對準，與參考頻率進(jìn)行時(shí)間對準，確保D/A和A/D抽樣率一致，以盡可能地減少它們對信道的影響。理想地，如果相位誤差低于1°，時(shí)間對準誤差小于1ns，那么就可以得到準確的結果。 系統性能 調制質(zhì)量指標：對于大多數傳統數字傳輸系統而言，衡量調制質(zhì)量的關(guān)鍵指標是實(shí)際接收到的符號矢量（或符號相位與幅值失真）與接收器期望值的對比情況。最常用的是EVM（誤差矢量幅值），但是不同的通信標準也存在不同的指標，例如相對星誤差（RelativeConstellation Error，RCE）。對于MIMO系統，總EVM也是一個(gè)很好的衡量指標；通過(guò)計算RMSEVM可以從總體上表示各個(gè)發(fā)射器的調制質(zhì)量。 圖2(a) 信道行為建模 圖2(b) 衰減與矩陣條件 星圖：星圖是接收信號質(zhì)量的圖形化表示。MIMO系統有多種星圖。2×2系統有兩個(gè)星圖，表示兩個(gè)解析出的空間流：h11和h22。4×4系統有四個(gè)星圖。對于傳統的數字系統，可以從星圖中得到同樣的質(zhì)量指標，例如相位誤差、噪聲和IQ均衡。 信道響應：信道響應是表示空間流行為的一個(gè)關(guān)鍵指標。在圖2(a)中，兩個(gè)發(fā)射器通過(guò)同軸電纜直接連接接收器。兩條平直的線(xiàn)表示h11和h22，而兩條像噪聲一樣的曲線(xiàn)表示h21和h12。這表明信道隔離度很高。在圖2(b)中，其中一條碼流引入了延遲。這在下面的OFDM符號中造成了大幅度的衰減。 通過(guò)使用天線(xiàn)——或者實(shí)現更定量的衡量，信道仿真器——有可能導出一個(gè)精確的信道模型。這能夠幫助人們在設計發(fā)射器的時(shí)候以經(jīng)過(guò)校準的接收器為基準，判斷各種信道條件下信號傳輸是否是可靠的。同樣的，采用不同的信道模型也可以測試接收器。采用任意波形發(fā)生器或者實(shí)時(shí)信道仿真器將一定的信道失真加載到標準波形上，就可以產(chǎn)生這些信號。 由于MIMO系統的性能取決于信道的行為，因此必須使用多種不同的信道模型對發(fā)射器和接收器進(jìn)行測試——既包含預定義的標準，也包含用戶(hù)定義的模型——確保設計能夠在各種環(huán)境下保持穩定的性能。圖3給出了一種典型的配置。根據待測設備是發(fā)射器還是接收器，其中的2820型矢量信號分析儀（VSA）和2920型矢量信號發(fā)生器（VSG）可以被發(fā)射器或接收器所取代。 矩陣條件和奇異值：與EVM一樣，矩陣條件數也是表征發(fā)射器性能的一個(gè)很好的指標。它實(shí)際上衡量的是每個(gè)空間流的正交情況。例如，如果采用電纜將VSA與發(fā)射器相連，那么矩陣條件應該接近于一（即0dB）。如果不是這樣，那么發(fā)射器可能產(chǎn)生了一些流間干擾，原因可能來(lái)自于DSP內的數學(xué)誤差或者射頻部分的問(wèn)題。由于矩陣條件是最大奇異值的比，因此通過(guò)選擇奇異值測量就可以檢查每條碼流的奇異值。常用的測量方法是監測矩陣條件數直到出現一個(gè)不正常的大值，然后轉而監測真正的奇異值，得到矩陣的解。圖2(b)將信道響應和矩陣條件做了對比。 碼流性能 我們可以通過(guò)多種方法分析各條發(fā)射碼流的性能。 測量一段時(shí)間：測量一段時(shí)間內的EVM、幅值或者頻率誤差能夠幫助我們找出與每路射頻的時(shí)間行為相關(guān)的問(wèn)題。例如，某個(gè)射頻發(fā)射器FPGA中的一個(gè)毛刺可能導致EVM出現周期性的誤差。 圖3 WiMAX將所有合而為一 在基于正交頻分多路復用的并行符號傳輸方式下，時(shí)間增量通常是指OFDM符號周期（圖3的橫軸），每個(gè)時(shí)間增量包含成千上萬(wàn)個(gè)符號。例如，WiMAX（802.16e）在每個(gè)OFDM符號周期內能夠傳輸128～2048個(gè)符號。圖3的縱軸標識為子信道（subchannel）。這些子信道并非真正的物理信道，而是每個(gè)OFDM符號周期內傳輸的成組的并行符號。通過(guò)這類(lèi)符號圖就可以定義802.16e信號是如何構成的以及它的時(shí)間行為如何。 調制質(zhì)量頻率：測量EVM或幅值與頻率的關(guān)系能夠幫助我們找出帶內問(wèn)題，例如可能由射頻內部的時(shí)鐘產(chǎn)生的低水平寄生干擾。 波束賦形 MIMO的一個(gè)重要優(yōu)勢——也是其最初的用途之一——就是能夠通過(guò)一種稱(chēng)為波束賦形（beamforming）的過(guò)程將射頻能量定向到特定的用戶(hù)。很多商用系統的標準都支持MIMO波束賦形或者閉環(huán)MIMO。雖然波束賦形的優(yōu)勢在于能夠為用戶(hù)提供更大的容量，但是它增加了設備的復雜性，因為需要采用陣列式的發(fā)射器、接收器和天線(xiàn)來(lái)控制發(fā)射信號的方向和形狀，這本身取決于信道環(huán)境。人們采用諸如信道聲探（channelsounding）之類(lèi)的技術(shù)對信道建模，然后構建出正確的碼流相位和幅值。測試設備需要擴展到8×8的架構，使其能夠控制每個(gè)信號源的相位和幅值，根據計算出的信道信息構建所需的射頻發(fā)射碼型。 結束語(yǔ) 在從模擬傳輸技術(shù)轉向數字傳輸技術(shù)的過(guò)程中，MIMO是商用射頻技術(shù)最重要的發(fā)展趨勢之一。所有下一代通信標準都是基于MIMO的，這為商用通信設備的設計者們提出了很多新的挑戰。隨著(zhù)用戶(hù)需要越來(lái)越多的服務(wù)和越來(lái)越可靠的鏈接，MIMO系統將會(huì )圍繞諸如波束賦形之類(lèi)的技術(shù)而向前發(fā)展，增加一臺設備中的發(fā)射器、接收器和天線(xiàn)數量。 |
