原创 迈向MIMO系统的测试挑战及解决方案

当前的无线通信设备主要采用单输入单输出(SISO)结构，即带有一个发射器和一个接收器，在单个数据通道上传输信息。不过，一种能够同时传输数百个信号的新方法正在逐渐取代每次只能传输一个数字信号的单载波技术。这种方法就是多输入多输出(MIMO)技术。但这样一来，多路信号的发送和接收会增大无线系统的复杂性。本文对SISO和MIMO系统进行了概述，并深入介绍了典型MIMO无线通信系统的配置及其面临的相关设计与测试挑战。

从SISO到MIMO结构

SISO结构(如图1所示)被广泛应用于目前几乎所有的无线系统设计中。在某些情况下，为解决空间差异问题，系统可能还会配置一个额外的天线，可以不断切换到最佳的信号通路。但是，这样的系统仍然被视为SISO系统，因为系统中只有一个上变频器和一个下变频器、一个解调器/调制器，在通信栈的较高层也仅有一个单独的数据流。

图1：典型的单输入单输出架构。

多路径效应会降低SISO系统的传输性能。例如，一种符号速率为每秒1M符号的蓝牙信号必须在1微秒的时间窗口内接收到一个符号。如果由于多路径效应而使信号延迟了1微秒以上，那么就会引起较大的符号误差。与之相反，MIMO系统则需要多条路径。如果两个信号以已知的传输特性进行传输(例如报文头)，那么在接收端，我们就可以预估到信号的波形，并构建出通道效应的模型。当未知信号(即数据)到来时，去除掉通道效应即可解析出所传输的符号。MIMO系统的关键之处以及它与SISO系统的区别在于，通道的行为非常重要，必须始终对其了如指掌。

采用MIMO结构传输数据的方式有三种，包括：利用空间多路复用技术在每个通道上传输不同的数据，从而提高数据吞吐率；利用空间差异在各个通道上传输相同的数据，这种冗余方式有效增强了信号的可靠性，并提高了传输覆盖率；波束成型技术，这种技术通过控制传输信号的方向和波形来提高数据吞吐率和覆盖率。

典型的MIMO结构可支持从2×2的系统(包含2个发射器和2个接收器)到4×4的系统(包含4个发射器和4个接收器)(如图2所示)。当前很多商用无线LAN(WLAN)设备都采用带有3个发射器2个接收器的3×2结构。在未来，基于波束的系统可以扩展到8×8的结构。

图2：MIMO结构可以仅用四分之一的带宽传输高达4倍的数据量。

MIMO测试面临的挑战

对于MIMO系统而言，最大的测试挑战可能是如何在发射器和接收器内实现具有良好通道隔离的同步。传输多路信号要求精确的相位同步以及采样对准。这意味着射频测试设备(例如信号分析仪和信号发生器)必须在通道之间的具备精确对准功能和出色的隔离性能，以实现准确的、可重复的测量操作。

对于大多数测试工程师而言，主要挑战是从如何单通道测试平稳过渡到多通道测试，以及选择能够轻松升级以支持MIMO系统的测试仪器。例如，从WiMAX SISO过渡到基于矩阵A、B甚至C(最高4×4结构)的MIMO版本，能够大幅降低测试成本。测试工程师还必须考虑在4×4矩阵C结构之上是否还具有升级空间。

另一个主要的问题是维持较低的单通道测试成本，同时保持良好的测试性能，尤其是保持良好的通道隔离性能。这一点非常重要，因为测量分析通道的特性是检验任何MIMO设备的基础。在理想情况下，测试设备应具有独立的发射器和接收器以实现最佳的通道隔离性能，具有至少14位或更高的幅值分辨率以获得较好的动态范围。

带宽也是一个需要考虑的重要因素。对于移动WiMAX而言，副载波间隔固定为10.94kHz。该标准支持128点到2048点的FFT，这意味着最大信号带宽将超过20MHz，因此测试设备至少需要20MHz的带宽。如果是WLAN，那么对于802.11n MIMO标准最好采用40MHz的带宽。

设备的可用性(即用户友好性)是一个经常被忽视但也同样很重要的因素。直观的显示界面对于调试复杂的无线通信系统(尤其是处理多路信号时)是非常必要的。除了星座图之外，用户还需要了解信号调制质量与时间和副载波之间的关系。