? ? ? ? 多輸入多輸出（MIMO）無線通信技術正快速發展，并隨著IEEE 802.11n WLAN標準的推進而走入人們的現實生活。雖然802.11n標準草案2.0版剛剛在三月份得以通過，但市場上已經出現了大量相關產品設備。MIMO技術能夠在不增大功耗或帶寬需求的情況下大幅度提高系統吞吐量。日益復雜的MIMO WLAN芯片組增加了產品線測試的成本，進而增大了最終產品的成本。這將是人們不愿意看到的結果，因為WLAN消費市場無力承受更高的成本。

　　市場上有多家測試設備制造商提供了MIMO WLAN的解決方案，關鍵的是WLAN制造商必須選擇一種不會增大傳統系統測試時間的測試方法。

　　MIMO WLAN芯片組和產品的測試有四種不同的測試方法可供選擇：

　　1. 多矢量信號發生器（VSG）和矢量信號分析儀（VSA）測試方案；

　　2. 一體式VSG和VSA方案外加合成器與高速開關；

　　3. 一體式VSG和VSA方案外加合成器；

　　4. 一體式VSG和VSA方案外加高速開關。

　　多VSG和VSA測試方案

　　在多VSG和VSA測試方案中，待測設備（DUT）的每對接收器和發射器直接與其對應的VSG和VSA連接。發射器和接收器可以逐個被測量， 同時被測量， 或者其他組合方式。利用這種配置，可以測出多個重要的MIMO參數，例如功率、頻譜、發射器減損，包括瞬態和發送鏈路互擾、發射器質量指標EVM、射頻鏈路隔離和接收器靈敏度。

　　圖1 采用多VSG和VSA的測試系統，其中每條發射/接收鏈路直接與每隊VSA/VSG相連

　　圖1以測試2x3 DUT的LitePoint IQnxn 3x3測試配置結構為例，給出了多VSG和VSA測試方案。當測試DUT發射器時，測試系統中的VSA是有效的。每個發射器與其相應的VSA相連接。對所有的發送鏈路同時進行數據捕捉，并將捕捉到的數據送給一個綜合軟件工具包進行分析。通過使用該測試系統和綜合分析軟件，我們可以詳細分析出每個發射器的信號質量以及它們之間的互擾。VSA分析還包括一個完整的數據解調器，能夠幫助我們檢驗發射信號的結構是否正確，這在產品研發過程中是非常有用的。對CRC 的檢驗能夠檢查出解調后的報文數據是否正確。我們可以將報文數據保存到一個文件中，以便于與發射數據進行對比。

　　利用這一測試系統，可以支持發射器的任意組合。多VSA和綜合分析軟件的動態組合可以在一次數據捕捉操作中測量出下列發送參數：

　　● 整個報文的Tx功率；

　　● Tx信道響應和每個發射器的譜平坦度；

　　● 發射器之間的Tx隔離度；

　　● Tx頻率偏差；

　　● 每個發射器的Tx I/Q不均衡、相位與幅值；

　　● 每個發射器的Tx本機振蕩器（LO）泄漏；

　　● 每個發射器的Tx信號質量或EVM值；

　　● 每個發射器以及多個發射器組合的Tx相位噪聲；

　　● 每個發射器的Tx功率壓縮，顯示為CCDF；

　　● 報文傳送期間的Tx功率變化；

　　● Tx符號時鐘偏移；

　　● Tx不同發射器數據包發射時間的一致性；

　　● Tx有效載荷驗證。

　　在測量待測設備的接收器時，多VSG和VGA測試方案中的VSG參與測量工作。每個接收器與其相應的VSG相連。測試控制軟件將波形加載到 VSG中，分別設置每臺VSG的射頻信號電平和所有VSG使用的公共射頻頻率。通過配置多VSG和VSA測試系統，我們可以無限循環地發送載入的波形，或者按照用戶指定的發送次數進行發送。VSG發送的波形可以來自于采用一條理想信道的單個發射器，或者來自于采用多徑信道的單個發射器，或者來自于分別具有多徑信道和功率電平的多個發射器。因此，可以在實際的MIMO和傳統多徑信道條件下測量出接收器誤包率。

　　在產品研發過程中，評估接收器在發射器減損情況下的接收靈敏度是非常重要的。利用多VSG和VSA測試方案，我們可以詳細分析MIMO接收器。諸如LO泄漏、I/Q不均衡、發射器壓縮、相位噪聲、加性噪聲或載波頻率偏移等發射器減損都可以囊括在測試系統產生的信號中。大部分減損都可以對每個發射器單獨設定。

　　在多VSG和VGA測試方案下，可以進行下列接收器測試操作：

　　● 對于輸入不同信號電平或SNR情況下的PER測試；

　　● 用于傳統和MIMO多徑信道的PER測試；

　　● 接收器對在發射器減損的情況下的靈敏度測試， 例如頻率偏移、I/Q不均衡、LO泄漏等；

　　● 無干擾信道評測（clear channel assessment）；

　　● RSSI校準；

　　● 接收器射頻鏈路隔離。

　　這個方法用于設計驗證、調試與質量保證測試階段。對于生產線測試來說，這個方案的成本很高，可能無法滿足預期的投資回報率（ROI）。

　　一體式VSG/VSA外加合成器與高速開關的測試方案

　　生產測試不需要進行全面的定量的性能評估，生產測試的主要目地是檢驗待測設備的組裝是否正確，是否達到了規定的性能指標。對于MIMO WLAN系統，我們可以采用與傳統WLAN生產測試類似的一體式VSG/VSA組合方案。首先介紹的一體式VSG/VSA配置方案是一體式VSG和VSA 外加合成器和高速開關（例如LitePoint IQflex/IQview和多端口測試適配器（MPTA））。為簡便起見，將高速射頻開關和合成器的組合稱為MPTA。

　　MPTA包括一個高速射頻開關、每條射頻信號通路上一個衰減器和一個智能序列控制器，如圖2所示。該結構可以配置成靜態模式，其中各個開關或閉合或打開，每個衰減器設置為一個指定的值。該結構還可以配置成動態模式，在動態模式下，可以定義一系列配置或狀態，每種配置都有其自己的開關和衰減器設置。狀態之間的轉換由智能MPTA本身根據其信號輸入情況進行控制。

　　圖2 IQflex/IQview和多端口測試適配器測試MIMO待測設備

　　在進行發射器測試時，MPTA經過配置可以在各個發射器之間進行動態切換。首先，MPTA將信號從Tx1發送到VSA。數據包將觸發VSA 內的數據捕獲過程。當從Tx1上捕獲了足夠的數據之后，VSA停止捕獲，MPTA切換到Tx2。下一個數據包將再次觸發VSA內的數據捕獲過程。這種捕獲與切換過程將持續進行，直到捕獲存儲器內存滿預定數量的數據采樣。

　　由于通路的切換是由射頻信號控制的，捕捉MIMO信號所需的額外時間相比IQnxn系統而言，僅僅是發送兩個報文（而不是一個報文）所需的額外時間。該系統的處理與分析時間與多VSG和VSA測試系統相同。

　　在進行發射器測試時，雖然從不同發射器捕捉信號的過程是順序進行的，而不是像多VSG和VSA測試系統那樣同時進行，VSA仍然將這些順序捕捉的信號處理為MIMO信號。大部分原本由多VSG和VSA測試系統執行的發射器測試工作都可以由一體式VSG和VSA外加合成器與高速開關構成的測試系統來完成。特別地，該方案能夠計算出每條射頻鏈路的EVM、功率放大器壓縮和隔離度。盡管如此，這兩種測試方案仍然存在多處差別。雖然執行典型的 MIMO EVM計算能夠評估每個發射器的質量，但是如果發射器之間的隔離度不好，EVM仍然受限于射頻鏈路的隔離度。如果連續報文之間的有效載荷數據保持不變，那么可以排除這種隔離度的限制。此外，這里的MIMO EVM計算必須能夠單獨跟蹤每個發射器的相位軌跡，而通常的MIMO EVM計算過程跟蹤的是所有具有相同相位校正的發射器。這些系統測量方案不如IQnxn測量那樣全面，但是它提供了一個極好的生產測量解決方案。該方案不支持的測量特征包括：（1）有效載荷數據無法恢復；（2）無法評測發送鏈路之間的動態互擾；（3）無法測量發射器之間的數據包發射時間的一致性。

　　MPTA通過配置還能夠同時接收多臺發射器的信號。我們將在后面介紹只用合成器的測試方案中進一步介紹這一模式。

　　對于接收器測試，一體式VSG和VSA外加合成器與高速開關的方案產生的是單個發射信號。該信號可以是傳統信號，或者單路MIMO信號，并且可以送入任意一個或所有接收器中。當每次將該信號送入一個接收器時，通過待測設備的RSSI指標可以測量射頻鏈路的隔離度。

　　有兩種模式可以測試接收器的PER或靈敏度。一種模式是，將開關設置為某個靜止狀態。在這一狀態下，通過將VSG信號每次送入一個接收器（不必使能或禁用待測設備中的接收器），可以單獨測量出每個接收器的靈敏度。這種方法有助于測量接收鏈路之間的隔離度。此外，通過將VSG信號同時送入所有接收器中，可以驗證由于最大比合并（MRC）而獲得的靈敏度的改進。靈敏度的這一改進驗證了MIMO信號處理的實質部分。待測設備的驅動程序應該能夠報告錯誤接收或者正確接收的數據包個數。

　　另一種模式是，更全面的利用發送/接收的切換功能，測試接收器的PER和待測設備的靈敏度。在該模式下，我們可以通過配置開關來測量接收器發出的確認信息（ACK）。這些ACK只在沒有檢測出錯誤的時候才會發出。因此，我們可以在不同的衰減器設置和不同的接收器配置情況下測量PER，即分別啟用一個、二個、三個或四個接收器。通過測量不同信號電平下的PER值，我們可以精確測量出任意接收器組合的靈敏度。通過改變開關/衰減器的組合就可以自動執行整個測試序列。測試軟件定義了測試序列，并且僅僅利用該序列就可以啟動測試操作。之后，MPTA自動執行整個序列。這一模式不僅驗證了Tx/Rx切換和MRC靈敏度的改善情況，而且消除了由于多種控制和待測設備軟件交互而導致的時間開銷。

　　一體式VSG/VSA外加合成器的方案

　　在這種配置方案下，一個無源功分器/合成器取代了圖3中的合成器與高速開關配置。這一方案具有最低的MIMO測試成本，同時具有較好的MIMO制造測試覆蓋率。

　　圖3 單IQflex脈沖合成器測試MIMO待測設備

　　在發射器的測試中，合成器對來自于發射器的信號進行疊加。IQsignal分析軟件從傳統的或者MIMO的前導（preamble）中分析出所有發射器共有的某些發射器的屬性。例如，數據包開始的載波頻率的動態變化，以及前導尾部的頻率偏移。根據MIMO的前導還可以分析出每個發射器的其他的發送信號屬性，例如Tx功率、I/Q不均衡和頻譜平坦度。通過對比合成后的信號與根據從MIMO前導估算出的信道響應得到的理想合成信號，我們可以測量出整個發射器質量的EVM指標。這種測量要求在分析軟件之前就要知道數據包中的數據內容。但是，發射器的擾碼（transmitter scrambler）可以對每個報文都不同，因為起始狀態是由分析軟件分析出來的。

　　任何會引起信號質量下降低于預訂界限的發射器減損都將降低合成信號的EVM。這包括壓縮和I/Q不均衡。相比單VSG和VSA外加合成器與高速開關的測試方案，這種系統配置無法測量出射頻鏈路隔離度，也無法定位出某條發送鏈路的故障。如果可靠的安裝能夠提供20dB隔離度，那么射頻鏈路隔離度也不是大不了的問題，20dB的隔離度常用作鏈路之間進行充分隔離的規范指標量，以提供良好的MIMO性能。

　　對于接收器測試而言，將同樣的信號送入待測設備的所有接收器中。如果待測設備啟用一個接收器，那么可以測量出這一個接收器的靈敏度。如果啟用了所有的接收器，那么由于最大比合并（MRC）而改進的靈敏度就驗證了MIMO信號處理的重要部分。在一體式VSG和VSA外加合成器的測試方案中，發射器和接收器的測試是在MIMO模式下進行的，帶有質量測試參數，具有合理的測試時間，測試成本較低。LitePoint IQflex外加合成器支持這種測試方法，為用戶提供了性能可靠而出色的測試方案。這種測試方法的不足之處在于，它需要已知MIMO發射器發射的數據才能進行測量，并且無法測量射頻鏈路之間的隔離度。

　　單VSG/VSA外加高速開關的測試方案

　　在這一配置方案下，如圖4所示，MPTA被一個開關所代替，去掉了合成器。ODM利用IQflex和現有的射頻開關已經開發出了與此類似的配置方案，其中開關是由測試軟件直接控制的。

　　圖4 單IQflex外加高速開關無合成器的MIMO待測設備測試方案

　　對于發送測試，這種配置無法檢驗所有的發射器是否在相同時間發送信號。這一配置與一體式VSG和VSA外加合成器與高速開關的配置方案的主要差別在于接收器的測試。相比MPTA，這一配置無法將VSG信號同時送入待測設備的所有接收器中。因此，它無法檢驗待測設備MIMO接收器內的MRC處理過程。

　　由于這種配置是由現有的器件組裝而成的，它在測量Rx PER時無法進行Tx/Rx切換，并且可能需要較長的測試時間，因為其鏈路切換是由測試控制軟件實現的。而且，其精確的接收器靈敏度測量的速度對于生產測試應用來說可能太慢了。

　　這一配置相比合成器配置的優勢在于它能夠測量射頻鏈路之間的隔離度。但是相比MPTA配置，它在接收器測試方面有很大的局限性。

　　比較

　　表1列舉了每種測試方案能夠測量的參數以及功能。

　　結束語

　　IQnxn是應對MIMO WLAN測試挑戰的一種綜合性測試解決方案。這種功能強大的測試方案常用于產品的研發、DVT以及制造過程中的質量評價和調試場合。

　　同樣，IQflex或IQview外加合成器的測試方法具有最低的MIMO測試成本，良好的測試性能，較短的測試時間以及較高的測試覆蓋率。為了改進測試覆蓋率，縮短測試時間開銷，IQflex外加MPTA的方案增加了射頻鏈路的隔離度和單個發送故障的識別能力，增強了接收器測試功能。