无线MIMO测试开发策略

为MIMO系统建模必须考虑多数据流的数量，包括到达接收机的直接和反射信号。按照传统的方法，将发射器分别表示为Tx1、Tx2…Txn，将接收机表示为Rx1、Rx2…Rxn，一个MIMO通信系统可由一个矩阵信号向量hxy的形式表示，其中x表示发射机的数量，y表示接收机的数量。例如，h21表示2个发射机和1个接收机，而h22表示2个发射机和2个接收机（图2）。通过这种方法，一个MIMO信道可以这样建模：

 y = H * x + n y = 接收信号向量

H =信道矩阵(hxy信号元素)

x = 发射信号向量

n = 噪声向量

不同的信道对接收信号产生影响，比如衰减和多经影响，可由同样的代数方程矫正，关系式为： Rx = H * Tx + n 其中Rx表示接收天线的Rx1, Rx2...Rxn 矩阵，Tx表示发射天线的Tx1, Tx2...Txn 矩阵。对于一个2 x2 MIMO系统，关系如图2的矩阵。 这些关系式中的信号包含幅段、频率和相位分量，所以用向量表示很实用。简单而言，在一个测量系统中用向量来表示这些信号也很实用。

 测量挑战 MIMO技术在数据吞吐量上的增长伴随着系统复杂性的增加和评估MIMO系统和系统中元器件的测试和测量设备的设计挑战。在决定最佳的MIMO测量仪器之前，也许有必要先确定一个描述MIMO通信信道性能的测量类型。MIMO测量一般可以分为系统级测量、信道响应测量，和MIMO系统中使用的元器件的功能性测量 已经说明了MIMO信号由频率、幅度和相应的相位分量定义，对MIMO信号的测量必须对以上三个信号特征分量进行精确和真实的测定。另外MIMO系统通常是基于对接收信号进行零中频(zero-IF)下变频到基带I、Q信号分量的系统。要得到高的调制精度，必须保持I、Q信号分量的保真度，这需要信号路径所有的部件具有高性能和低失真，包括放大器、滤波器、混频器、I/Q调制和解调器等部件。

在许多无线系统中，误差向量幅度(EVM)是评估性能的标准参数，并在MIMO系统中广泛采用。EVM，通常被认为是接收信号星座图的误差(RCE)，因为在星座图中RCE得到了直观的显示，RCE实际上就是理想信号和测量信号的向量差，并可以作为MIMO发射机调制精度和信号质量和接收机性能的直接测量。EVM测量捕获了信号幅度和相位误差并将定义传输的RF信号失真的许多参数减少到一个参数，允许各个发射机之间的比较。其他重要的MIMO发射机测试包括群延时的评估和群延时的变化，相位噪声，放大压缩和信号处理中分量的I/Q失配。由以上因素引起的信号失真一般都可以通过星座图上的EVM看出来。

在星座图EVM中，对于理想的信号，所有星座点应该与理想的位置精确的重合。但信号和分量并不完美，诸如相位噪声和载波泄露等因素会让星座图上的星座点从理想位置偏移。EVM即是这个偏移的测量，除了整体EVM作为MIMO系统测试参数，EVM作为频率和EVM作为作为时间功能也能提供MIMO发射机性能的分析。另外，EVM显示的载波和符号的对比可以提供MIMO发射机性能的进一步细节。

星座图EVM上精确的点的定位显示了一个优秀的MIMO系统的性能。在一个采用OFDM和64QAM的2×2 MIMO系统中，采用颜色来区别不同的发射机信号和导频载波。在图3所示的星座图中，红点和蓝电表示了2×2 MIMO系统中的两路信号，Tx0和Tx1，它们覆盖在白点上，白点代表了子载波理想的位置。黄点代表了导频载波，与表示理想导频载波的白点重合。

这样的颜色定义的图表让发射信号问题的定位十分简单。比如说，红色或蓝色的子载波星座点如果从理想的白色点偏移的话就表示I/Q不平衡，而星座点出现模糊则表示传输信号有噪声，星座点呈现圆环状则意味着过多的相位噪声。 与更为常见的X-Y坐标图一起，信道的一系列测量显示了MIMO系统中相对子载波的标图矩阵的信号矩阵的健康程度。图4中对信道翻转和符号传输的系统能力的测量，可以用来确定MIMO系统中各个信号流的正交性。通过传输反转的符号，系统的覆盖性可以得到分析，通过传输并行的符号，系统吞吐量可以得到评估。 信道响应测量显示了子载波的平坦度，这是子载波。例如一个IEEE 802.16e OFDM信道上的测量（图5），绿色的轨迹显示了信号从第一个发射机（Tx0）到第一个接收机（Rx0）的功率；上面的红色轨迹显示了信号从第二个发射机（Tx1）到第二个接收机（Rx1）的功率；蓝色轨迹显示了信号从第一个发射机（Tx0）到第二个接收机（Rx1）的功率；下面的红色轨迹显示了信号从第二个发射机（Tx1）到第一个接收机（Rx0）的功率。对应子载波的功率电平指出了信道平坦度，主要信号和间接信号的区别显示了信道隔离（图例中小于40dB）。这些测量通过直接将发射机和接收机用同轴电缆连接来进行。

一系列针对时域和频域的测量可以显示出MIMO性能在不同的情况下性能特性会改变。比如，对应OFDM符号时间的EVM测量可以指出随着时间变化的干扰问题或性能变化。对应子载波的EVM测量可以用来分析带内噪声效应，比如假信号。针对OFDM符号时间的功率测量可分离出带内幅度偏差。针对OFDM符号时间的频率测量可以用来检查频率精度，分离出一个信息包内一段时间的频率漂移问题。硬件构造 针对MIMO测量的测试系统必须精确的模拟MIMO系统的工作，可以产生需要的信号频率、幅度和相位，可以在测试设备（DUT）中捕获和分析信号。测试系统必须支持采用的调制格式，并支持测试中的所有调制带宽。对于测试信号产生过程，一个任意波形发生器或者矢量信号发生器（VSG）需要提供对产生实际测试信号的控制，而一台矢量信号分析仪（VSA）可以作为测试接收机。为MIMO系统设计的一切测试系统应该能提供配对发射机和接收机数量需要的测试信号源数量和信号分析仪数量，还应该能满足以后的升级需求。例如，吉时利公司提供的MIMO测试系统可从单一VSG和VSA升级到8×8信道系统，并可以灵活的对信号源和分析仪在那个范围里面进行配置。

假使多个信号源和分析仪的同步是MIMO测量中最基本的，这些仪器中还需要一个普通的参考示波器。例如，在图6所示的吉时利公司(www.keithley.com)的2×2 MIMO测量系统中，VSA和VSG设备需要专门的同步组件。这些组件提供一些通用的信号，比如本地振荡、通用时钟，和精确触发，提供低的采样和RF载波相位抖动，这对于OFDM MIMO信号的精确和可重复测量是非常必要的。特别的，同步组件提供低于1度的峰峰值抖动。

MIMO测试系统的有效和简单使用也要同时依靠系统的测试软件。随着MIMO技术在无线通信系统中的不断采用，实用软件测试(off-the-shelf test software)方案在简单化系统和信道测量得到普遍采用。例如，吉时利公司的SignalMeister RF通信测试工具包软件，Model 290101，提供诸如WLAN 802.11n和WIMAX 802.16e Wave 2等MIMO应用的复杂信号产生和信号分析能力。这个软件包与吉时利公司的VSG、VSA和MIMO同步组件无缝配合，为复杂的通信系统组件了一个完整的测量系统。除了EVM和MIMO信道响应测量，该软件还可以应对SISO系统的评估。

我们目前讨论的测试和测量可以用来评估理想状态下MIMO通信系统和系统中元器件的性能。不过在信号较弱的情况下MIMO系统的表现又该如何呢？在这种情况下，需要不同种类的测试类型，例如信道模拟器。它提供了在信道削弱情形下MIMO系统和元器件的分析方法，这些削弱包括信号衰减、高斯白噪声(AWGN)、信道串扰，甚至多普勒效应——通常由车内通信终端针对基站的移动产生。 信道模拟器必须作为MIMO系统中的发射机和接收机，还必须具备削弱信号和增加延时等模拟真实世界环境的能力。一个合格的信道模拟器还提供软件定义无线电模组，比如WiMAX中的ITU M.1225 A和B。一个实用的信道模拟器必须超越被测系统的性能，并提供需要时用于生产测试的能力。模拟器还需要具有双向功能，这样既可以提供上行链路测试还能提供下行测试。通过另外提供反响校准测试，模拟器对于采用波束成形技术的MIMO系统测试非常有用。最后，尽管我们本文举的例子是针对2×2 MIMO系统，一个有效的信道模拟器还能支持4×4 MIMO系统，来实现各种MIMO系统的完整支持。

例如，Azimuth系统公司(www.azimuthsystems.com)的ACE 400WB信道模拟器就是一个支持4×4 MIMO系统测试的双向组件。 进一步学习 Fan Liang, " MIMO测试的挑战" RF Design, November 2005, pp. 20-24. Dick Walvis和Sureesha Mallipeddi, "生产工程中的MIMO WLAN测试方法论" RF Design, June 2007. "MIMO射频信号分析和测试系统和软件" 产品笔记, Keithley Instruments, Inc., www.keithley.com. 图题

1. 传统的SISO架构的无线信号链路（a），采用一对天线在同一时间进行发射和接收，而MIMO系统（b）同时采用多信号和多天线。

2. MIMO系统中的无线信道可由一系列不同的向量来表示。

 3. EVM星座图提供潜在MIMO系统问题的示意图，这些问题包括噪声（模糊的圆点），I/O不平衡（偏移的圆点），和相位噪声（圆点变成了圆环）

4. X-Y图示表明了MIMO信道子载波的正交性，标示了子载波的情况。

5. 通过直接连接MIMO的发射机和接收机，可评估信道平坦度和信道隔离度，示例中为一个2 × 2 MIMO系统。

6. 这个MIMO测试系统基于多通道向量信号发生器（VSG），向量信号分析仪（VSA），和由计算机控制工作的同步组件和客户定制测量软件。

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