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有限的帶寬和不斷增加的新的無(wú)線(xiàn)服務(wù)的需求為通信領(lǐng)域新技術(shù)的采用開(kāi)辟了道路，這些非傳統技術(shù)有效提升了數據容量。新采用的這些技術(shù)中的一種就是利用多天線(xiàn)設計的多輸入、多輸出（MIMO）系統架構。MIMO利用了發(fā)送和接收天線(xiàn)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(lái)增加數據吞吐量而無(wú)須額外的增加帶寬。但相比傳統的單流架構MIMO，系統復雜度增加了許多，帶來(lái)了更大的測試挑戰，需要獨特的設備和測試方法。 本文介紹了MIMO測量的不同種類(lèi)，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果的理解。 對于新近的無(wú)線(xiàn)通信標準，高數據吞吐量是最基本的要求，這些新標準MIMO都有參與，包括IEEE 802.11n WLAN、IEEE802.16e移動(dòng)WiMAX Wave2和3GPP長(cháng)期演進(jìn)（LTE）。這些新系統都結合了MIMO和OFDM或者OFDMA（正交頻分多址接入）的采用，來(lái)實(shí)現在不增加信道帶寬的前提下增加數據吞吐量。 SISO與MIMO比較 在傳統的單輸入、單輸出（SISO）通信系統中（如圖1a所示），例如，傳統的IEEE802.11a/b/g無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò )（WLAN）系統，一個(gè)無(wú)線(xiàn)鏈路采用了單發(fā)射器和單接收器。也許會(huì )在每個(gè)通信鏈路終端上采用多個(gè)天線(xiàn)，但在同一時(shí)刻只有一套天線(xiàn)被采用，并只有一個(gè)載波傳輸單流的數據。在理想的通信信道中，無(wú)線(xiàn)信號從發(fā)射器到接收器只通過(guò)單一路徑傳輸，但無(wú)線(xiàn)信道中的障礙物（比如樓宇和各種地形）和移動(dòng)影響產(chǎn)生了多徑效應，因此，接收器會(huì )接收到多個(gè)信號。反射的信號由于相比直接傳輸的信號傳播路徑更長(cháng)，會(huì )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(huì )造成接收信號強度的波動(dòng)。較強的多徑效應會(huì )降低吞吐量或者造成數據丟失。 圖1 傳統的SISO架構的無(wú)線(xiàn)信號鏈路（a），采用一對天線(xiàn)在同一時(shí)間進(jìn)行發(fā)射和接收而MIMO系統（b）同時(shí)采用多信號和多天線(xiàn) 因為在指定通信信道中，OFDM通常與MIMO進(jìn)行組合來(lái)增強數據吞吐量，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 802.16eWiMAX系統中得到了采用。在MIMO的基礎上，采用OFDM可以進(jìn)一步提升數據吞吐量，而無(wú)須增加帶寬或改變調制階數——比如從16QAM變成64QAM系統。 采用OFDM調制的無(wú)線(xiàn)信號本質(zhì)上是由一系列相互正交的子載波構成的，這些子載波彼此形成了最佳的隔離，因此一個(gè)調制后的子載波處于最大功率時(shí)，其臨近調制后子載波正好處于過(guò)零點(diǎn)或功率最小處，而一些子載波作為保護頻帶來(lái)實(shí)現隔離并防止臨近信道干擾。為了增強魯棒性，許多通信標準采用的OFDM采用了小衰減間隔，讓多路信號分量隨時(shí)間衰減，這樣這些信號就不會(huì )對下一個(gè)接收機收到的傳輸符號產(chǎn)生干擾。 通過(guò)采用反向傅里葉變換對OFDM的子載波進(jìn)行數字信號處理，可將其結合到一個(gè)信號流里面傳輸并可恢復原信號。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(shí)現在不增加帶寬的前提下提高數據吞吐量。 與SISO通信系統相比，MIMO系統（圖1b）同時(shí)采用多無(wú)線(xiàn)信號和多天線(xiàn)，多個(gè)數據流在同一通信信道傳輸。這些多路的數據流由媒體接入控制（MAC）層在通信鏈路兩端進(jìn)行協(xié)調。MIMO系統不需要天線(xiàn)的對稱(chēng)排列，例如，兩個(gè)發(fā)射要配備兩個(gè)接收（2×2）或者四個(gè)發(fā)射要配備四個(gè)接收（4×4），可以進(jìn)行“不平衡”配置，例如四個(gè)發(fā)射配備三個(gè)接收的4×3配置。 要增加SISO系統的數據吞吐量，需要更為復雜的調制方式，或者增加帶寬，或進(jìn)行兩者的結合。加倍SISO系統吞吐量最簡(jiǎn)單的方法是將帶寬加倍。要增加MIMO系統的吞吐量，發(fā)射器、接收器和相應天線(xiàn)的數量需要增加。通過(guò)采用多天線(xiàn)和信號傳播路徑的空間多路技術(shù)，MIMO系統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系統利用接收信號的變更來(lái)增加數據吞吐量，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(jiǎn)單，并提升了吞吐量。 SISO的信道容量與MIMO系統相比如何呢？香農定律指明了SISO通信系統的信道吞吐量為 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）。當該公式用于MIMO應用時(shí)： C=ABlog2(1+S/N) 式中：A為發(fā)射天線(xiàn)的數量。 該等式指出了MIMO系統中發(fā)射天線(xiàn)數量與信道容量的直接關(guān)系。一個(gè)MIMO系統在同一物理信道上利用空間復用技術(shù)用多天線(xiàn)傳輸多路數據流，數據流在不改變符號速率的情況下在多個(gè)發(fā)射機上進(jìn)行發(fā)送。通過(guò)增加更多的發(fā)射機和發(fā)射天線(xiàn)，系統的吞吐量在帶寬不變的情況下得到提升。 為MIMO系統建模必須考慮多數據流的數量，包括到達接收機的直接和反射信號。按照傳統的方法，將發(fā)射器分別表示為T(mén)x1，Tx2，…，Txn，將接收機表示為Rx1，Rx2，…，Rxn，一個(gè)MIMO通信系統可由一個(gè)矩陣信號向量hxy的形式表示，其中x表示發(fā)射機的數量，y表示接收機的數量。例如，h21表示兩個(gè)發(fā)射機和一個(gè)接收機，而h22表示兩個(gè)發(fā)射機和兩個(gè)接收機（如圖2所示）。通過(guò)這種方法，一個(gè)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系統中的無(wú)線(xiàn)信道可由一系列不同的向量來(lái)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，可由同樣的代數方程矯正，關(guān)系式為 Rx=H*Tx+n 式中：Rx表示接收天線(xiàn)的Rx1，Rx2，…，Rxn矩陣，Tx表示發(fā)射天線(xiàn)的Tx1,Tx2，…，Txn矩陣。對于一個(gè)2×2 MIMO系統，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(shí)用。簡(jiǎn)單而言，在一個(gè)測量系統中用向量來(lái)表示這些信號也很實(shí)用。 測量挑戰 MIMO技術(shù)在數據吞吐量上的提高，增加了系統復雜性，為評估MIMO系統和系統中元器件的測試和測量設備帶來(lái)新的設計挑戰。在決定最佳的MIMO測量?jì)x器之前，也許有必要先確定一個(gè)描述MIMO通信信道性能的測量類(lèi)型。MIMO測量一般可以分為系統級測量、信道響應測量和MIMO系統中使用的元器件的功能性測量。 已經(jīng)說(shuō)明了MIMO信號由頻率、幅度和相應的相位分量定義，對MIMO信號的測量必須對以上三個(gè)信號特征分量進(jìn)行精確和真實(shí)的測定。另外MIMO系統通常是基于對接收信號進(jìn)行零中頻(zero-IF)下變頻到基帶I、Q信號分量的系統。要得到高的調制精度，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調制和解調器等部件。 在許多無(wú)線(xiàn)系統中，誤差向量幅度(EVM)是評估性能的標準參數，并在MIMO系統中廣泛采用。EVM，通常被認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(guān)的顯示，RCE實(shí)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的RF信號失真的許多參數減少到一個(gè)參數，允許各個(gè)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(shí)的評估和群延時(shí)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(guò)星座圖上的EVM看出來(lái)。 在星座圖EVM中，對于理想的信號，所有星座點(diǎn)應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(huì )讓星座圖上的星座點(diǎn)從理想位置偏移。EVM即是這個(gè)偏移的測量，除了整體EVM作為MIMO系統測試參數，EVM作為頻率和EVM作為時(shí)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(jìn)一步細節。 星座圖EVM上精確的點(diǎn)的定位顯示了一個(gè)優(yōu)秀的MIMO系統的性能。在一個(gè)采用OFDM和64QAM的2×2MIMO系統中，采用顏色來(lái)區別不同的發(fā)射機信號和導頻載波。在圖3所示的星座圖中，紅點(diǎn)和藍點(diǎn)表示了2×2MIMO系統中的兩路信號，Tx0和Tx1，它們覆蓋在白點(diǎn)上，白點(diǎn)代表了子載波理想的位置。黃點(diǎn)代表了導頻載波，與表示理想導頻載波的白點(diǎn)重合。 圖3 EVM星座圖提供潛在MIMO系統問(wèn)題的示意圖，這些問(wèn)題包括噪聲（模糊的圓點(diǎn)），I/O不平衡（偏移的圓點(diǎn)）和相位噪聲（圓點(diǎn)變成了圓環(huán)） 這樣的顏色定義的圖表讓發(fā)射信號問(wèn)題的定位十分簡(jiǎn)單。例如，紅色或藍色的子載波星座點(diǎn)如果從理想的白色點(diǎn)偏移就表示I/Q不平衡，而星座點(diǎn)出現模糊則表示傳輸信號有噪聲，星座點(diǎn)呈現圓環(huán)狀則意味著(zhù)過(guò)多的相位噪聲。 與更為常見(jiàn)的X-Y坐標圖一起，信道的一系列測量顯示了MIMO系統中相對子載波的標圖矩陣和信號矩陣的健康程度。圖4中對信道翻轉和符號傳輸的系統能力的測量，可以用來(lái)確定MIMO系統中各個(gè)信號流的正交性。通過(guò)傳輸反轉的符號，系統的覆蓋性可以得到分析，通過(guò)傳輸并行的符號，系統吞吐量可以得到評估。 圖4 X-Y圖示表明了MIMO信道子載波的正交性，標示了子載波的情況 信道響應測量顯示了子載波的平坦度，這是子載波。例如一個(gè)IEEE 802.16eOFDM信道上的測量（如圖5所示），綠色的軌跡顯示了信號從第一個(gè)發(fā)射機（Tx0）到第一個(gè)接收機（Rx0）的功率；上面的紅色軌跡顯示了信號從第二個(gè)發(fā)射機（Tx1）到第二個(gè)接收機（Rx1）的功率；藍色軌跡顯示了信號從第一個(gè)發(fā)射機（Tx0）到第二個(gè)接收機（Rx1）的功率；下面的紅色軌跡顯示了信號從第二個(gè)發(fā)射機（Tx1）到第一個(gè)接收機（Rx0）的功率。對應子載波的功率電平指出了信道平坦度，主要信號和間接信號的區別顯示了信道隔離（圖例中小于40dB）。這些測量通過(guò)直接將發(fā)射機和接收機用同軸電纜連接來(lái)進(jìn)行。 圖5通過(guò)直接連接MIMO的發(fā)射機和接收機，可評估信道平坦度和信道隔離度，示例中為一個(gè)2×2 MIMO系統 一系列針對時(shí)域和頻域的測量可以顯示出MIMO性能在不同的情況下會(huì )改變。例如，對應OFDM符號時(shí)間的EVM測量可以指出隨著(zhù)時(shí)間變化的干擾問(wèn)題或性能變化。對應子載波的EVM測量可以用來(lái)分析帶內噪聲效應，例如，假信號。針對OFDM符號時(shí)間的功率測量可分離出帶內幅度偏差。針對OFDM符號時(shí)間的頻率測量可以用來(lái)檢查頻率精度，分離出一個(gè)信息包內一段時(shí)間的頻率漂移問(wèn)題。 硬件構造 針對MIMO測量的測試系統必須精確地模擬MIMO系統的工作，可以產(chǎn)生需要的信號頻率、幅度和相位，可以在測試設備（DUT）中捕獲和分析信號。測試系統必須支持采用的調制格式，并支持測試中的所有調制帶寬。對于測試信號產(chǎn)生過(guò)程，一個(gè)任意波形發(fā)生器或者矢量信號發(fā)生器（VSG）需要提供對產(chǎn)生實(shí)際測試信號的控制，而一臺矢量信號分析儀（VSA）可以作為測試接收機。為MIMO系統設計的一切測試系統應該能提供配對發(fā)射機和接收機數量需要的測試信號源數量和信號分析儀數量，還應該能滿(mǎn)足以后的升級需求。例如，吉時(shí)利公司提供的MIMO測試系統可從單一VSG和VSA升級到8×8信道系統，并可以靈活的對信號源和分析儀在那個(gè)范圍里面進(jìn)行配置。 如果多個(gè)信號源和分析儀的同步是MIMO測量中最基本的，那么這些儀器還需要一個(gè)普通的參考示波器。例如，在圖6所示的吉時(shí)利公司(www.keithley.com)的2×2MIMO測量系統中，VSA和VSG設備需要專(zhuān)門(mén)的同步組件。這些組件提供一些通用的信號，例如，本地振蕩、通用時(shí)鐘和精確觸發(fā)，提供低的采樣和RF載波相位抖動(dòng)，這對于OFDM MIMO信號的精確和可重復測量是非常必要的。特別的，同步組件提供低于1°的峰峰值抖動(dòng)。 圖6 這個(gè)MIMO測試系統基于多通道向量信號發(fā)生器（VSG），向量信號分析儀（VSA），和由計算機控制工作的同步組件和客戶(hù)定制測量軟件 MIMO測試系統的有效和簡(jiǎn)單使用也要同時(shí)依靠系統的測試軟件。隨著(zhù)MIMO技術(shù)在無(wú)線(xiàn)通信系統中的不斷采用，實(shí)用測試軟件(off-the-shelf testsoftware)在簡(jiǎn)單化系統和信道測量中得到普遍采用。例如，吉時(shí)利公司的SignalMeisterRF通信測試工具包軟件Model290101，提供了諸如WLAN 802.11n和WIMAX 802.16e Wave2等MIMO應用的復雜信號產(chǎn)生和信號分析能力。這個(gè)軟件包與吉時(shí)利公司的VSG、VSA和MIMO同步組件無(wú)縫配合，為復雜的通信系統組建了一個(gè)完整的測量系統。除了EVM和MIMO信道響應測量，該軟件還可以應對SISO系統的評估。 我們目前討論的測試和測量可以用來(lái)評估理想狀態(tài)下MIMO通信系統和系統中元器件的性能。不過(guò)在信號較弱的情況下MIMO系統的表現又該如何呢？在這種情況下，需要不同種類(lèi)的測試類(lèi)型，例如，信道模擬器。它提供了在信道削弱情形下MIMO系統和元器件的分析方法，這些削弱包括信號衰減、高斯白噪聲(AWGN)、信道串擾、甚至多普勒效應——通常由車(chē)內通信終端針對基站的移動(dòng)產(chǎn)生。 信道模擬器必須作為MIMO系統中的發(fā)射機和接收機，還必須具備削弱信號和增加延時(shí)等模擬真實(shí)世界環(huán)境的能力。一個(gè)合格的信道模擬器還提供軟件定義無(wú)線(xiàn)電模組，例如，WiMAX中的ITU M.1225A和B。一個(gè)實(shí)用的信道模擬器必須超越被測系統的性能，并提供需要時(shí)用于生產(chǎn)測試的能力。模擬器還需要具有雙向功能，這樣既可以提供上行鏈路測試還能提供下行測試。通過(guò)另外提供互易校準測試（calibrated reciprocaltests），模擬器對于采用波束成形技術(shù)的MIMO系統測試非常有用。最后，盡管本文舉的例子是針對2×2MIMO系統的，但一個(gè)有效的信道模擬器還能支持4×4 MIMO系統，來(lái)實(shí)現各種MIMO系統的完整支持。例如，Azimuth系統公司(www.azimuthsystems.com)的ACE 400WB信道模擬器就是一個(gè)支持4×4 MIMO系統測試的雙向組件。 |
