MIMO WLAN的RF運(yùn)作原理與量測(cè)

無(wú)線通信系統(tǒng)愈來(lái)愈普及，加上新型態(tài)的應(yīng)用（如數(shù)字串流視頻）不斷推出，使得市場(chǎng)對(duì)傳輸速率（throughput）更高或涵蓋范圍更廣之無(wú)線電系統(tǒng)的需求也持續(xù)增加。在某種程度內(nèi)，使用更復(fù)雜的調(diào)變格式，如正交分頻多工（OFDM）和64 QAM，就可以滿足這樣的需求，但進(jìn)一步推升的腳步未曾停歇。改變可用頻譜的使用方式有幾種方法， 超寬頻（UWB）是一種可以提高傳輸速率的做法，另一種則是稱為多重輸入多重輸出（MIMO）的射頻技術(shù)。

相較于單一通道的技術(shù)，MIMO射頻技術(shù)可以充分利用每一個(gè)發(fā)射器和接收器輸入端之間的路徑差異，發(fā)揮所佔(zhàn)用之RF頻寬的更大效益。如果說(shuō)傳統(tǒng)的單一通道無(wú)線電系統(tǒng)在發(fā)射器和接收器之間產(chǎn)生的是單一條“管路”的話，那么MIMO無(wú)線電系統(tǒng)的目標(biāo)就是要產(chǎn)生多條管路，其做法是先就發(fā)射器到接收器之間的路徑產(chǎn)生一個(gè)數(shù)學(xué)模型，然后解出所得到的方程式。如果這些管路可以完全分開，那么通道的容量就可以隨著更多發(fā)射-接收鏈的加入而線性增加。具有更大容量的通道不一定只能用來(lái)以更高的速率傳送資料，如果同一筆使用者資料是透過(guò)所有的管路一起傳送，就可以增加路徑的分集性（path diversity），進(jìn)而提高資料成功還原的機(jī)率。這種方法非常適合工作于5 GHz 的WLAN 應(yīng)用採(cǎi)用，因?yàn)樵擃l段的頻譜使用率偏低，不過(guò)，操作范圍可能會(huì)受到限制。使用5GHz 的MIMO 可以提供更充分運(yùn)用此一不需申請(qǐng)執(zhí)照之通信頻段的途徑，也是IEEE 802.11n 規(guī)格的重點(diǎn)之一。

IEEE 802.11n 無(wú)線區(qū)域網(wǎng)路規(guī)格的制訂目標(biāo)是要提高使用者的資料速率達(dá)100Mbps 以上，制訂完成后將會(huì)包含一些選項(xiàng)， 可以將速率延伸到遠(yuǎn)高于100Mbps。傳輸速率的提高要?dú)w功于幾項(xiàng)改變的成果，包括資料封包的傳送方式，以及使用一些復(fù)雜的射頻技術(shù)，這一點(diǎn)會(huì)需要搭配高性能的RF 硬件才能做到。

IEEE 并非是唯一對(duì)發(fā)展MIMO 射頻技術(shù)感興趣的組織。在歐洲，Marquis 計(jì)畫正在發(fā)展先進(jìn)的技術(shù)，而蜂巢式通信規(guī)格（如HSDPA）也開始加入一些延伸規(guī)格， 以具備多重通道傳輸?shù)哪芰?。Wireless Gigabit with Advanced Multimedia Support（WIGWAM）計(jì)畫所要追求的正是1 Gbps 的傳輸速率。

無(wú)論是個(gè)別的無(wú)線通信裝置，或是即將被開發(fā)出來(lái)的許多不同的設(shè)計(jì)之間，若要確保其運(yùn)作的正常及相容互通，測(cè)試都將扮演非常重要的角色。本文將簡(jiǎn)單地說(shuō)明MIMO的基本運(yùn)作原理，然后探討需要進(jìn)行的各項(xiàng)測(cè)試，其中有些是普遍適用的，有些則特別針對(duì)802.11n規(guī)格。

如何達(dá)到100 Mbps的傳輸速率
一些信令協(xié)定（signaling protocol）的改變以及加入多重通道的射頻傳輸技術(shù)，將可以大幅提高WLAN 系統(tǒng)的效能。眾所皆知，現(xiàn)有WLAN OFDM 技術(shù)（如IEEE 802.11a）的最高資料速率并不能反映出使用者實(shí)際可以享有的資料傳輸速率。如圖1 所示，資料速率指的是封包的實(shí)體資料段（payload）中的編碼位元，實(shí)際上，有相當(dāng)多的時(shí)間并不是以這個(gè)速率傳送資料，因此，最高的資料傳輸速率通常只能達(dá)到最高資料速率的30 至40% 而已。為了解決封包傳送機(jī)制中會(huì)增加的傳輸負(fù)擔(dān)問(wèn)題，需要在媒體存取控制（MAC）層做一些修改，例如，將數(shù)個(gè)封包合起來(lái)傳送，使得資料傳送週期的間隔能縮到最小，并透過(guò)區(qū)塊確認(rèn)（Block Acknowledgement），減少確認(rèn)封包的數(shù)目。

另一種方法是將實(shí)體資料的長(zhǎng)度拉到最大。實(shí)務(wù)上，射頻通信環(huán)境對(duì)于可以連續(xù)傳送多長(zhǎng)的資料會(huì)有所限制，這是因?yàn)榘l(fā)射器和接收器之間的路徑經(jīng)常在改變，針對(duì)一個(gè)特別的狀況調(diào)整好之后，該狀況可能也只能維持幾毫秒的時(shí)間而已。同時(shí)傳送多個(gè)個(gè)別的封包，每個(gè)封包都包含部分的表頭（header）資訊，也是另一種可以滿足大部分需求的可能性。少量地增加OFDM 次載波的數(shù)目、將OFDM 保護(hù)區(qū)間（guard interval）減半、或是減少導(dǎo)引次載波（pilot sub-carrier）的數(shù)目，都是值得嘗試的改良方法，實(shí)做出來(lái)將可以提高傳輸速率，又不會(huì)對(duì)通道的頻寬造成不利的影響。為了支援MAC 層和實(shí)體層的改變，也提出了一些新的協(xié)定管理封包，可能也會(huì)推出（RIFS）等方法。
　

圖1：簡(jiǎn)化的WLAN OFDM 封包時(shí)序。
　

改良封包結(jié)構(gòu)之后，可以思考射頻通信效能的改善之道，共有三種可行的方式，通道容量的標(biāo)準(zhǔn)方程式指出了其中兩種：

其中
C＝通道容量（位元數(shù)/秒）、B＝佔(zhàn)用的頻寬、ρ＝信號(hào)/噪音比（SNR）（線性的比值，而非dB）

方程式一：?jiǎn)我煌ǖ廊萘康谋硎臼?BR>增加佔(zhàn)用的頻寬或改善信號(hào)/噪音（S/N）比可以提高通道的容量。

首先，如果以更快的速率，將資料調(diào)變到RF 載波上，就能以更快的速度傳送資料，但也會(huì)即刻增加佔(zhàn)用的頻寬。某些WLAN裝置中已經(jīng)使用了這種方法，可以將發(fā)射器基頻的時(shí)脈速率加倍。這個(gè)想法經(jīng)過(guò)修改后將成為802.11n 裝置的選項(xiàng)，其缺點(diǎn)是有些頻譜管理機(jī)構(gòu)禁止這樣做。如果有一些不同代的無(wú)線網(wǎng)路基地臺(tái)（Access Point）各自獨(dú)立地運(yùn)作時(shí)，在此情況下可能不會(huì)以最有效的方式分配頻譜的容量。

第二種方法是改善信號(hào)/噪音比，以使用較復(fù)雜的調(diào)變格式。原則上，從目前的64QAM 改為256 QAM 可以大幅提高傳輸率，而且不會(huì)增加佔(zhàn)用的頻寬。但實(shí)務(wù)上，不論是改善接收器的信號(hào)/噪音比或是產(chǎn)生256 QAM 的信號(hào)都有其困難度。使用多個(gè)接收器和運(yùn)用分集的概念是值得嘗試的SNR 改善方法，但處理256 QAM 信號(hào)所要求的硬件效能會(huì)需要增加額外的成本。即使能夠充分地改善S/N 比，最多也只能以對(duì)數(shù)的比例提高傳輸率。未來(lái)IC 技術(shù)的效能或許可以進(jìn)行更復(fù)雜的調(diào)變，不過(guò)目前還可以藉由運(yùn)用MIMO 技術(shù)，採(cǎi)取第三種方法來(lái)增加容量。

多重通道的無(wú)線電系統(tǒng)與空間資料串流（spatial stream）－MIMO
正在使用或考慮要使用的“智能型天線”和多重通道技術(shù)有很多種，因此有必要先確立所使用的術(shù)語(yǔ)是相同的。如果一個(gè)無(wú)線電系統(tǒng)在發(fā)射端和接收端使用的天線都不止一組，它或許具有多重通道的能力，但不表示它採(cǎi)用的是空間多工（spatial division multiplexing）的方法。輸入和輸出無(wú)線電通道的數(shù)目決定了它是哪一種的無(wú)線電系統(tǒng)，MIMO指的是：要使用兩個(gè)或多個(gè)通道的輸入端和通道的輸出端，請(qǐng)參見圖2。而且，需要採(cǎi)用空間多工法，才能提供方程式二所描述的增加容量的好處。
　

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圖2：無(wú)線電技術(shù)是依據(jù)所使用的通道類型來(lái)定義的。
　

IEEE 802.11n 工作小組已轉(zhuǎn)向于制訂更先進(jìn)的無(wú)線電系統(tǒng)，稱為多重輸入多重輸出或MIMO。這項(xiàng)技術(shù)可以讓我們并行地送出資料串流，概念上有點(diǎn)像是使用纜線而非無(wú)線電。之所以能夠這么做的理由是因?yàn)椋簝芍炀€間的典型WLAN 射頻路徑特性有一大部分會(huì)取決于天線放置的位置，如果將天線移動(dòng)幾公分（半個(gè)波長(zhǎng)），就需要使用不同的系數(shù)來(lái)定義新路徑的方程式。這樣的差異可以用數(shù)學(xué)的方式將信號(hào)分開來(lái)，于是興起了（spatial separation）和（spatial streams of data）串流的概念，并藉由實(shí)際上分隔開來(lái)的不同組天線來(lái)實(shí)現(xiàn)。

如果同時(shí)從一些天線發(fā)射信號(hào)會(huì)得到一連串的方程式，描述合在一起的路徑之間的通道長(zhǎng)什么樣子。一旦掌握了通道的傳輸特性，就可以明瞭一起傳送出去的資料在通往接收天線的途中，是如何合在一起的。數(shù)學(xué)上，由方程式二的總和符號(hào)可以看出，容量會(huì)隨著發(fā)射-接收鏈的數(shù)目N 增加而線性增加。若要實(shí)現(xiàn)這樣的效果，同一個(gè)信號(hào)必須同時(shí)使用每一個(gè)發(fā)射-接收鏈。它是方程式一的延伸，而且多了一個(gè)新的變數(shù)，這是無(wú)線電通道的（Singular Values），也是MIMO 通道容量的量測(cè)指標(biāo)。

其中，，N＝獨(dú)立的發(fā)射-接收鏈數(shù)目、 ＝ 無(wú)線電通道矩陣H 的單數(shù)值

方程式二：MIMO 容量的表示式
它看起來(lái)且實(shí)際上也比傳統(tǒng)的無(wú)線電系統(tǒng)復(fù)雜，但最大的好處是不需使寬，也不需具備更佳的信號(hào)/噪音比，就能夠以高出很多的速率傳送資料。以一個(gè)方形矩陣A 來(lái)說(shuō)，其單數(shù)值是AHA 特征值的方根，其中AH 是A 的共軛轉(zhuǎn)置（Hermetian）。最簡(jiǎn)單的方法就是把單數(shù)值想成可以用來(lái)衡量空間通道有多強(qiáng)及分離度有多好的基準(zhǔn)，而最理想的MIMO 通道特性是單數(shù)值夠高且大小相等。找出通道系數(shù)的方法有幾種，請(qǐng)參考圖3，最簡(jiǎn)單的一種就是在T0 和T1 發(fā)射一對(duì)已知的不同信號(hào)，然后量測(cè)出現(xiàn)在R0 和R1 的信號(hào)。這是一個(gè)（non-blind）的已知通道粹取例子，系統(tǒng)運(yùn)作的（training period）與用來(lái)傳送使用者資料的時(shí)間是截然不同的。這是針對(duì)802.11n 的運(yùn)作所提出的方法，也是802.11a 中所使用之多頻（multitone）通道估測(cè)法的延伸。在圖3 中，T0 和T1 代表透過(guò)無(wú)線電通道傳送的信號(hào)，范例中的系數(shù)指的是通往R0和R1 接收天線的途中，所出現(xiàn)與頻率無(wú)關(guān)的路徑損耗及交互耦合。
　

圖3：更加簡(jiǎn)化的2*2 MIMO 通道范例，有助于解開一些MIMO 運(yùn)作的奧秘。
　

這些系數(shù)顯然不能代表一個(gè)真實(shí)的通道，但其目的是要告訴我們?nèi)绾卫媒邮盏降男盘?hào)R0 和R1，計(jì)算出通道的系數(shù)。至此，不妨思考看看MIMO 技術(shù)是否能夠在所有的通道條件下，提供擴(kuò)增容量的效果，答案是：否，透過(guò)前一個(gè)簡(jiǎn)化的范例，大致可以瞭解箇中的原因。在圖3 的范例中，通道的單數(shù)值分別為0.957 和0.815，算是相當(dāng)良好的MIMO 通道，因?yàn)閮蓚€(gè)值的比將近1（1.17）。由表1 可以看出，當(dāng)其中一個(gè)通訊連結(jié)的系數(shù)改變的時(shí)候，會(huì)出現(xiàn)什么樣的變化。如果耦合的系數(shù)和直接的系數(shù)在數(shù)值上差不多，則相位差會(huì)變得非常重要。
　

表1：通道系數(shù)改變時(shí)，單數(shù)值會(huì)出現(xiàn)的變化。
　

通道估測(cè)的準(zhǔn)確度攸關(guān)著信號(hào)還原的準(zhǔn)確度。造成品質(zhì)降低的原因有很多種，包括通道中的噪音、失真和量化誤差等。為了提醒處理噪音的必要性，可以用一個(gè)更完整的表示式來(lái)描述圖3中接收到的信號(hào)：

R = H T + n

其中，H 是通道系數(shù)的矩陣、n 是噪音因數(shù)的矩陣、R 和T 是描述接收到和傳送出來(lái)之信號(hào)的矩陣通道粹取過(guò)程中產(chǎn)生的熱噪音（thermal noise）和量化噪音（quantization noise）效應(yīng)對(duì)WLAN封包以及射頻數(shù)字信號(hào)處理（DSP）的設(shè)計(jì)有相當(dāng)大的影響。另一種看待通道運(yùn)作的方法如圖4 所示。圖中的線代表的是R0 和R1 的方程式，線的交叉點(diǎn)則代表我們找出通道系數(shù)的準(zhǔn)確度有多高。在左上角的圖中，可以很清晰地辨別兩條線，表示其信號(hào)/噪音比很高。而且，這兩條線幾乎是正交的（彼此呈直角交叉），因此可以非常準(zhǔn)確地測(cè)定交叉點(diǎn)，表示可以準(zhǔn)確地解出通道方程式。在左下角的圖中，線就沒(méi)有那么明顯清楚了，表示是一個(gè)低信號(hào)/噪音比的信號(hào)。兩條線也幾乎呈正交，因此仍然可以相當(dāng)準(zhǔn)確地解出交叉點(diǎn)。在右上角的圖中，兩條線的角度縮小了很多，因此兩條線交叉的區(qū)域大幅增加了，使得斜率的估測(cè)精確度變差了。

最后，在右下角的圖中，加入了更多的線，代表更多的方程式，這是使用更多支天線所產(chǎn)生的。使用更多的線（方程式）有助于提高交叉點(diǎn)位置的部分解析度。

如果反射無(wú)法形成傳遞路徑的一部份，則通道系數(shù)較有可能是相似的（相互關(guān)聯(lián)的）。keyhole 通道就是一個(gè)可能發(fā)生這種情形的例子，將這種通道看成是包含了一個(gè)小的窗口（開口）會(huì)比較容易想像。實(shí)務(wù)上，其它結(jié)構(gòu)（如金屬屋頂線）也可能造成通道路徑的差異性降低，導(dǎo)致相同的結(jié)果－ MIMO 的容量減少。
　

圖4：MIMO 信號(hào)還原的誤差大小取決于通道的差異性有多大和噪音有多少，此圖中的線代表的是用來(lái)計(jì)算通道系數(shù)的方程式。
　

■1.延伸的封包結(jié)構(gòu)
MIMO 通道估測(cè)的過(guò)程需要延伸802.11a 所使用的前導(dǎo)訓(xùn)練序列（preamble），多出來(lái)的訓(xùn)練期間可以讓接收裝置計(jì)算通道的系數(shù)。為了建構(gòu)高傳輸率的WLAN 封包而提出的一種結(jié)構(gòu)如圖5 所示。在叢發(fā)信號(hào)的資料部份，會(huì)將資訊對(duì)應(yīng)到個(gè)別的傳送通道上。在過(guò)程中，會(huì)輪換不同天線所使用的次載波。對(duì)空間多工（SDM）的運(yùn)作來(lái)說(shuō)，這其實(shí)并非必要的，但可以強(qiáng)化信號(hào)的耐受力（robustness）。
　

圖5：經(jīng)過(guò)修改的WLAN 封包可進(jìn)行MIMO 運(yùn)作，Greenfield1 或Pure Mode2 封包不需要提供傳統(tǒng)的週期（legacy period），因此可以達(dá)到更高的傳輸率。
　

■2.通道估測(cè)
看起來(lái)最容易的MIMO 通道估測(cè)法之一是從每一組發(fā)射器送出交錯(cuò)的次載波。圖6的測(cè)試設(shè)置方式是其中一種可以粹取通道資訊的方法，由兩部信號(hào)產(chǎn)生器分別產(chǎn)生相同的1 MHz間隔的多音頻信號(hào)，其中一部信號(hào)產(chǎn)生器的中心頻率偏移了500 kHz。呈現(xiàn)在圖右邊的四組頻率響應(yīng)顯示了將不同的路徑響應(yīng)分離開來(lái)的結(jié)果。訓(xùn)練期間的設(shè)計(jì)具備了很強(qiáng)的時(shí)間關(guān)聯(lián)特性，可以將發(fā)射器信號(hào)的峰值對(duì)平均功率降到最低。在訓(xùn)練序列期間，每一個(gè)無(wú)線電接收通道的模擬增益控制指的是，只能使用一組設(shè)定來(lái)量測(cè)所有發(fā)射器的通道系數(shù)。我們只能量測(cè)來(lái)自不同發(fā)射天線之信號(hào)的比值，如果差異很大，較弱的信號(hào)就會(huì)出現(xiàn)量化誤差。雖然這個(gè)問(wèn)題看起來(lái)或許不是很嚴(yán)重，但卻意味著通道的品質(zhì)不利于MIMO 傳輸。輸入通道間的絕對(duì)增益差或許不是很重要，但接收鏈的增益設(shè)定必須要盡可能地準(zhǔn)確，才能在計(jì)算通道系數(shù)時(shí)，充分運(yùn)用ADC 的最高解析度。
　

圖6：四個(gè)通道的頻率響應(yīng)范例，這是利用兩部E4438C 產(chǎn)生交錯(cuò)式的多頻信號(hào)，經(jīng)雙通道的89640 VXI系統(tǒng)接收后所得到的結(jié)果。
　

■3.分碼多重存?。–DMA）與MIMO 的比較
表面上看來(lái)，可以讓多位使用者共用同一頻寬的CDMA 射頻技術(shù)運(yùn)作方式與MIMO有些類似之處，但這兩種系統(tǒng)的差異其實(shí)相當(dāng)大。MIMO 射頻技術(shù)可以提高通道的容量，而CDMA 則不能。顧名思義，CDMA 是一種多重存取的技術(shù)，在任何時(shí)間點(diǎn)，都可以單獨(dú)還原每位使用者所屬的信號(hào)，而MIMO 射頻技術(shù)則必須要能同時(shí)接收不止一個(gè)的信號(hào)，才能充分利用通道容量增加的效益。

在CDMA 中，每一位使用者所屬的信號(hào)都會(huì)透過(guò)一個(gè)獨(dú)特的編碼，與其他使用者的信號(hào)分隔開來(lái)。編碼的設(shè)計(jì)互不相同（呈正交），讓接收器只能解出單一個(gè)信號(hào)，而其它信號(hào)看起來(lái)則像噪音一樣。隨著使用者的人數(shù)增加，有效的噪音位準(zhǔn)也會(huì)提高。當(dāng)接收器再也無(wú)法有效地還原它鎖定的位元串流時(shí)，就表示達(dá)到了系統(tǒng)的總?cè)萘?。在MIMO 系統(tǒng)中，多出來(lái)的發(fā)射-接收鏈（最重要的是包含了實(shí)體上各自分開的天線）使用的是射頻通信環(huán)境的空間分集（spatial diversity）法，以增加實(shí)際的總?cè)萘?。?dāng)使用了整個(gè)通道的所有空間分割變數(shù)，且可用的信號(hào)/噪音比夠高時(shí)，就達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總?cè)萘苛?。與CDMA 不同的是，MIMO系統(tǒng)不需要資料信號(hào)是相互正交的。

■4.無(wú)線電通道
在無(wú)線電通道部分，RF 路徑或通道的本質(zhì)決定了MIMO 無(wú)線電系統(tǒng)的效能。為了比較不同無(wú)線電模擬的效能，以及產(chǎn)生測(cè)試信號(hào)給實(shí)際的裝置使用，需要建構(gòu)無(wú)線電通道的模型。既有的WLAN 效能分析使用的是Medbo-et al 提出的模型，內(nèi)含五種應(yīng)用（模型），以適用于不同的環(huán)境。802.11n 工作小組已將其擴(kuò)大，開發(fā)出更復(fù)雜的模型，以搭配MIMO 無(wú)線電系統(tǒng)使用。舉例來(lái)說(shuō)，信號(hào)傳播的角度會(huì)變得極為重要，因?yàn)樗鼤?huì)影響信號(hào)從每一個(gè)發(fā)射天線行進(jìn)到每一個(gè)接收天線的結(jié)果。信號(hào)被視為以叢集（cluster）的方式抵達(dá)，每一個(gè)叢集代表的是以直線連結(jié)其路徑損耗（以dB為單位）的信號(hào)，其值為時(shí)間延遲的函數(shù)。有一些是環(huán)境特有的影響，如效應(yīng)”螢光燈”，也需要加以處理。有些可能會(huì)在個(gè)別資料封包的傳送過(guò)程中，造成通道改變。

應(yīng)用在WLAN 的多重通道無(wú)線電系統(tǒng)
使用802.11a 形式的OFDM 與MIMO 的運(yùn)作之間有很密切的關(guān)系，一直到設(shè)計(jì)階段都是如此。為了瞭解OFDM 如何因應(yīng)MIMO 的需求，有必要先說(shuō)明單一輸入單一輸出（SISO）的無(wú)線電系統(tǒng)。

■1.正交分頻調(diào)變（OFDM）提要
OFDM 可以在許多的次載波之間分享使用高速的資料輸入，如此一來(lái)，就可以減少個(gè)別次載波所需的頻寬。資料會(huì)蒐集成資料區(qū)塊（稱為symbol），然后經(jīng)過(guò)編碼以減少錯(cuò)誤的發(fā)生，接著將它們分散（交錯(cuò)）在不同的次載波上進(jìn)行傳送，以保護(hù)它們不受少數(shù)次載波因多徑消抵（multi-path cancellation）或窄頻干擾造成的損耗所影響。（orthogonal）這個(gè)名稱指的是選擇次載波的頻率間隔和資料調(diào)變速率的方式，以避免次載波之間的干擾。每一個(gè)次載波的頻寬都很窄，但仍然會(huì)有相關(guān)的延遲產(chǎn)生。symbol 之間插入的保護(hù)區(qū)間提供了系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)可以預(yù)期的最長(zhǎng)延遲時(shí)間。在保護(hù)區(qū)間內(nèi)，會(huì)將symbol 延伸，做法是將symbol 尾部相同長(zhǎng)度的一段時(shí)間復(fù)制在symbol 的開頭處，這段時(shí)間就稱為循環(huán)字首（cyclic prefix）或延伸部份。

WLAN 傳輸?shù)倪\(yùn)作基礎(chǔ)是只使用每一個(gè)單獨(dú)封包內(nèi)的資訊來(lái)還原封包的內(nèi)容。在封包（叢發(fā)信號(hào)）的開始處，有兩段訓(xùn)練期間，在第一個(gè)8 us的短訓(xùn)練序列中，每第四個(gè)次載波會(huì)被開啟，其相位關(guān)系會(huì)將峰值對(duì)平均功率比降到最低，這段期間可用于接收器的增益設(shè)定以及粗略的頻率修正。在接下來(lái)的8 us，也是長(zhǎng)訓(xùn)練序列中，所有的次載波都會(huì)開啟，讓接收器計(jì)算通道的頻率響應(yīng)并微調(diào)頻率的誤差。使用OFDM 可以讓我們對(duì)MIMO 運(yùn)作用的信號(hào)做一些重要的假設(shè)。舉例來(lái)說(shuō)，每一個(gè)次載波的調(diào)變頻寬都很小，足以假定可以用單一復(fù)數(shù)系數(shù)來(lái)表示每一條RF 路徑，這就是透過(guò)低成本的DSP 實(shí)作，讓MIMO 運(yùn)作的通道系數(shù)計(jì)算變得可行的重要因素。

■2.分集（diversity）技術(shù)
傳送單一資料串流時(shí)，運(yùn)用分集技術(shù)可以減少錯(cuò)誤的發(fā)生。天線的空間分集并非新的題材，在許多WLAN 的裝置中已經(jīng)使用過(guò)了。802.11n 裝置中的多重發(fā)射-接收鏈設(shè)計(jì)除了是一種增加容量的方法之外，也具有提高分集性的效果。善用路徑的分集效果可以提高信號(hào)路徑的耐受力，這表示可以提高任何距離的最高資料速率。如果信號(hào)/雜訊比的效能超出要求，還可以降低發(fā)射功率，延長(zhǎng)可攜式裝置的電池壽命。

無(wú)線電系統(tǒng)的方塊
MIMO 無(wú)線電系統(tǒng)的各個(gè)硬件和軟件組成部份與標(biāo)準(zhǔn)的OFDM WLAN 設(shè)計(jì)有許多雷同之處。多重RF 通道可以用不同的本地振盪器，或是具有單獨(dú)的前端模組的整合式收發(fā)器和LO，以分開的收發(fā)鏈來(lái)設(shè)計(jì)。所有會(huì)影響SISO OFDM 設(shè)計(jì)的不良狀況，如相位噪音和信號(hào)壓縮，在MIMO 無(wú)線電系統(tǒng)中也都需要加以測(cè)試。此外，通道間不想要的交互影響也需要進(jìn)行測(cè)試，在DSP層級(jí)所發(fā)生的改變就是一個(gè)例子，可以看出數(shù)字硬件的交互影響可能會(huì)造成模擬信號(hào)出現(xiàn)轉(zhuǎn)態(tài)的情形，而這種現(xiàn)象只有當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)以一般模式運(yùn)作時(shí)才會(huì)顯現(xiàn)。通道內(nèi)的信號(hào)之間會(huì)交互耦合是通道中固有的行為，但如果在天線和模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換間出現(xiàn)不想要的耦合，就會(huì)降低空間通道的效能。在模擬RF 中，這就好像在回返損耗量測(cè)的路徑中放置一個(gè)衰減器一樣。

圖7是一個(gè)2*2 配置系統(tǒng)的主要組成要件。

在實(shí)際的應(yīng)用上，可能會(huì)使用第三組接收器或更多的發(fā)射鏈。所支援的空間資料串流數(shù)取決于使用了多少組獨(dú)立的發(fā)射-接收鏈，任何硬件的增加都是為了提高頻道的分集性。接收器的設(shè)計(jì)是MIMO 無(wú)線電系統(tǒng)中最復(fù)雜的部份之一，不僅個(gè)別的頻道必須具有與SISO 無(wú)線電系統(tǒng)相同的相鄰頻道與干擾拒斥特性，而且也必須要能將MIMO 信號(hào)的空間資料串流分開，因此準(zhǔn)確的通道估測(cè)尤其重要。設(shè)計(jì)的取捨是必要的，也會(huì)造成效能上的差異，系統(tǒng)整合者在選擇不同廠商的產(chǎn)品時(shí)，不能不將這些因素區(qū)隔開來(lái)，而且需要用到一些測(cè)試信號(hào)的組合才能做到。
　

圖7：2*2 MIMO 發(fā)射器和接收器的方塊圖。
　 發(fā)射器測(cè)試
大部分的無(wú)線電標(biāo)準(zhǔn)都會(huì)發(fā)展出發(fā)射器品質(zhì)的衡量基準(zhǔn)，預(yù)計(jì)802.11n 也不例外。在撰寫本文之際，適當(dāng)?shù)牧繙y(cè)方法還在討論當(dāng)中，不過(guò)，現(xiàn)有的量測(cè)方法中有一些是可以調(diào)整適用的。

■1. 單一通道量測(cè)
單一通道的量測(cè)會(huì)引發(fā)興趣是因?yàn)榭梢允褂眉扔械脑O(shè)備。就頻譜的安規(guī)測(cè)試而言，所代表的是大部分其它的接收器。對(duì)MISO 系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，單一通道就是測(cè)試接收鏈需要進(jìn)行的所有量測(cè)了。當(dāng)然，在傳統(tǒng)的舊式系統(tǒng)模式下使用時(shí)，MISO 的測(cè)試案例還會(huì)包括多重通道WLAN 發(fā)射器的運(yùn)作測(cè)試。使用單一輸入的缺點(diǎn)是，當(dāng)裝置是在要求最高的模式下運(yùn)作，且會(huì)在測(cè)試埠間進(jìn)行切換時(shí)（意味著測(cè)試時(shí)間會(huì)增加），無(wú)法完整地測(cè)試出裝置內(nèi)的交互作用情形。

＿功率、功率vs. 時(shí)間、CCDF
峰值對(duì)平均功率比是OFDM 信號(hào)要求最嚴(yán)格的特性之一，在多個(gè)放大器會(huì)共用發(fā)射功率的情況下，可以預(yù)期的是每一個(gè)裝置都需要減少所汲取的供應(yīng)電流。量測(cè)功率時(shí)，需要切記的是WLAN 信號(hào)的功率分佈會(huì)隨著封包的不同部份而改變。由圖8 中的互補(bǔ)累積分佈函數(shù)（CCDF）軌跡可以看出功率分佈在傳統(tǒng)封包不同部份的改變情形，在前導(dǎo)資訊的部份只有幾dB，但到了實(shí)體資料段（payload）的部份，則會(huì)增加9到10 dB。在個(gè)別MIMO 發(fā)射器的輸出端進(jìn)行的量測(cè)看起來(lái)會(huì)與傳統(tǒng)的裝置很類似（除非有使用空間通道波束成形的功能）。如果信號(hào)是合在一起的，例如當(dāng)它們抵達(dá)接收天線時(shí)的情形，功率的分佈會(huì)更復(fù)雜，特別是在前導(dǎo)資訊的部份。需要特別注意的是信號(hào)在MIMO通道估測(cè)之前和期間的穩(wěn)定度。
　

圖8：CCDF 在WLAN 封包不同部份的變化情形。
　

802.11a 信號(hào)的功率攀升方式（power ramp）尚未有清楚的定義，但振幅在前導(dǎo)信號(hào)開始處即已穩(wěn)定下來(lái)是很重要的。在第一個(gè)training symbol 之前的期間也很重要，因?yàn)闊o(wú)中頻（zero IF）接收器如果緊接在封包之前感應(yīng)到一個(gè)信號(hào)，可能會(huì)出現(xiàn)校準(zhǔn)不良的情形。

＿頻譜
為了避免出現(xiàn)不想要的相位陣列波束成形效應(yīng)，在送出相同的信號(hào)時(shí)，會(huì)在發(fā)射器之間插入小的週期性延遲（cyclic delay）。使用單一通道分析儀來(lái)量測(cè)合在一起的信號(hào)時(shí)，所得到的頻譜圖不是具有高于相對(duì)等之802.11a 信號(hào)的峰值，就是有明顯不平坦的頻率響應(yīng)。圖9 的例子來(lái)自于一部標(biāo)準(zhǔn)的掃頻式頻譜分析儀，可以注意到圈起之處就是前導(dǎo)短訓(xùn)練序列的峰值。
　

圖9：功率頻譜密度量測(cè)出現(xiàn)的峰值，因天線間的交互作用而凸顯出來(lái)。
　

除了最高功率的裝置以外，這種情形可能不會(huì)構(gòu)成頻譜安規(guī)的問(wèn)題，但會(huì)對(duì)頻譜噪音波罩（spectrum emission mask）量測(cè)造成影響，因?yàn)檫@項(xiàng)量測(cè)是利用最高的頻段內(nèi)（inband）峰值來(lái)設(shè)定參考位準(zhǔn)所進(jìn)行的，其影響是會(huì)提高波罩限制線。閘控式頻譜分析是一種功能強(qiáng)大的方法，可以找出信號(hào)叢發(fā)期間的問(wèn)題。圖18嘗試將兩組發(fā)射器的輸出組合在一起，最底下的軌跡就是信號(hào)合在一起的結(jié)果，頻譜中下降點(diǎn)（圈起處）的位置和深度容易受到通道間的時(shí)序偏移和平衡所影響。使用合適的測(cè)試模式，或藉由量測(cè)適當(dāng)?shù)膒reamble symbol，或許可以應(yīng)用這個(gè)原理，使用單一輸入分析儀來(lái)進(jìn)行簡(jiǎn)單的交叉通道量測(cè)。25 ns 的時(shí)間延遲會(huì)在20 MHz 寬的信號(hào)上造成180 度的相位偏移，或是讓圖10 中的下降點(diǎn)出現(xiàn)40 MHz 的反覆區(qū)間。
　

圖10：將中間有小的週期性延遲的兩組信號(hào)（上方和中間）組合在一起，會(huì)得出明顯不平坦的頻率響應(yīng)結(jié)果。
　

將RF 屏蔽拿掉，檢查裝置之MIMO training symbol 期間的前導(dǎo)資訊部份，展現(xiàn)的則是另一項(xiàng)簡(jiǎn)單的交叉通道測(cè)試。在圖11 中，眾多圓圈顯示的是交錯(cuò)的次載波從一個(gè)通道洩漏到另一個(gè)通道的情形。這項(xiàng)量測(cè)使用的是Hanning FFT 時(shí)窗，以提高頻率響應(yīng)的解析度，在training symbol 具有週期性本質(zhì)的情況下，這是很好的選擇。
　

圖11：在長(zhǎng)訓(xùn)練序列期間量測(cè)到的不想要跨通道耦合。
　

＿自動(dòng)關(guān)聯(lián)（auto-correlation）
自動(dòng)關(guān)聯(lián)可以分析信號(hào)中重復(fù)的成份，例如802.11 傳統(tǒng)前導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的800 ns 和3.2μs 反覆區(qū)間，也可以用來(lái)檢查交互耦合。圖12 的信號(hào)是圖6 的量測(cè)中所使用的相同交錯(cuò)式多頻信號(hào)，在自動(dòng)關(guān)聯(lián)量測(cè)中，峰值的比率大小代表的是通道間總體的交互耦合程度。這些結(jié)果的復(fù)數(shù)系數(shù)（經(jīng)由切換刻度顯示出來(lái)－ 請(qǐng)參見插圖）可以提供信號(hào)間相位關(guān)系的資訊。
　

圖12：對(duì)圖6范例中使用的頻率交錯(cuò)式信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)關(guān)聯(lián)量測(cè)的結(jié)果，峰值的相對(duì)大小與頻道耦合的強(qiáng)度有關(guān)。
　

＿頻率與相位穩(wěn)定時(shí)間、EVM
如果前導(dǎo)結(jié)構(gòu)是正確的，可以使用89600 VSA 軟體執(zhí)行一般的802.11a EVM 量測(cè)。信號(hào)需要有至少28μs 的時(shí)間長(zhǎng)度，但不一定得是標(biāo)準(zhǔn)的封包，這表示可以在傳統(tǒng)系統(tǒng)相容的封包上量測(cè)相位、頻率和振幅的穩(wěn)定時(shí)間及EVM，進(jìn)行時(shí)可選擇Preset toStandard> 802.11a/g>，并將Max Result Length> 設(shè)為1。有時(shí)候，可能需要解調(diào)振幅在前導(dǎo)序列部份會(huì)改變的信號(hào)。
　

表2：使用單一輸入信號(hào)測(cè)試儀器所能進(jìn)行的量測(cè)。
　

■2. 雙通道量測(cè)
雙通道量測(cè)可以進(jìn)行更完整的MIMO 無(wú)線電分析。交叉通道量測(cè)可驗(yàn)證信號(hào)間的頻率和時(shí)序關(guān)系，也可以顯示出每個(gè)個(gè)別通道的誤差如何累加在一起，降低發(fā)射器和接收器的空間通道效能。產(chǎn)生信號(hào)時(shí)，時(shí)序?qū)R和共用本地振盪器的需求與6.2.1 節(jié)所討論的類似。透過(guò)個(gè)別的組件量測(cè)RF 相位關(guān)系時(shí)，使用共用的本地振盪器將是最容易的方式，會(huì)需要採(cǎi)用向量網(wǎng)路分析所使用的方法，在測(cè)試連接點(diǎn)進(jìn)行相位校準(zhǔn)。若要確保量測(cè)的穩(wěn)定一致性，就需要特別留心RF 匹配的問(wèn)題。相反地，在生產(chǎn)線上測(cè)試完整的發(fā)射器時(shí)，要求可能反而沒(méi)這么高?？蓤?zhí)行多通道發(fā)射器量測(cè)的硬件有三種，如表3 的摘要所列。
　

表3：多重通道量測(cè)硬件選項(xiàng)摘要。
　

示波器數(shù)字轉(zhuǎn)換器的解析度為8 位元，與EVM 等量測(cè)的殘留誤差（residual error）沒(méi)有直接的關(guān)聯(lián)。如果信號(hào)有經(jīng)過(guò)超次取樣，就可以提高有效的位元數(shù)，此時(shí)主要的限制會(huì)在于儀器本身的噪音底線。就其可以分析的信號(hào)類型而言，示波器顯然是非常彈性的工具。若是RF 信號(hào)，雖然任何旁生的噪音信號(hào)都可能會(huì)變成膺頻（aliased），混入量測(cè)結(jié)果中，但仍然可以直接使用高性能示波器進(jìn)行量測(cè)。取樣率和記憶體深度決定了可用的擷取時(shí)間長(zhǎng)度，就同樣的記憶體容量來(lái)說(shuō)，取樣率為2 或4 GSa/s（視機(jī)種而定）在可用的記憶體深度上會(huì)相差一大截，而量測(cè)速度則會(huì)隨著取樣點(diǎn)數(shù)減少而加快。

接收器測(cè)試
MIMO 接收器處理的是叢發(fā)信號(hào)中兩個(gè)主要的部份：通道估測(cè)和分開多重通道的資料。在接收器設(shè)計(jì)的過(guò)程中，可以利用發(fā)射器測(cè)試一章中所介紹的設(shè)備，在RF 和（Z）IF 頻率分別分辨出叢發(fā)信號(hào)的這兩個(gè)部份。圖13 顯示了測(cè)試配置介接點(diǎn)的可能組合，89600 VSA 可以搭配邏輯分析儀以及類比擷取硬件使用。

接收器測(cè)試的運(yùn)作方式取決于控制DUT 的應(yīng)用軟件，一般而言，會(huì)使用一些測(cè)試模式執(zhí)行參數(shù)測(cè)試，這樣會(huì)比跑完一般的關(guān)聯(lián)計(jì)算與資料傳輸程序來(lái)得有效率。在單一通道測(cè)試中，RF 位準(zhǔn)是主要的控制參數(shù)，最重要的衡量指標(biāo)是靈敏度，也就是在特定的調(diào)變速率下，達(dá)到指定之封包錯(cuò)誤率效能所需的RF 信號(hào)位準(zhǔn)。若要進(jìn)行更完整的測(cè)試，則需加入相鄰?fù)ǖ?、噪音和其它干擾。

在多重通道的無(wú)線電系統(tǒng)中，接收器測(cè)試也是先從同樣的單一通道測(cè)試開始進(jìn)行，再將信號(hào)源輪流切換到每一個(gè)接收器輸入端。當(dāng)進(jìn)入到MIMO 運(yùn)作流程時(shí)，結(jié)果若要有意義，就必須先定義測(cè)試通道，也就是要設(shè)定通道間的耦合系數(shù)，如第一節(jié)中所述，這些對(duì)決定通道的容量十分重要。在RF-DSP 的設(shè)計(jì)中，有很多的測(cè)試通道需要加以驗(yàn)證，即使是專為802.11n 工作小組所提出的MATLAB? 程式也只能提供一部份而已。
　

圖13：接收器測(cè)試的大致配置方式，可以使用示波器或VXI 硬件來(lái)測(cè)試降頻路徑的模擬效能。系統(tǒng)測(cè)試需要使用特定廠商的軟件，對(duì)無(wú)線電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，此舉可以取得詳細(xì)的效能資訊和進(jìn)行完整的控制。
　

■1.單一信號(hào)源
利用RF信號(hào)分配器（signal splitter），可以使用幾種方法，透過(guò)單一信號(hào)源來(lái)同時(shí)測(cè)試多個(gè)輸入信號(hào)。其優(yōu)點(diǎn)是速度快且不需要使用額外的硬件，但適用性取決于基頻電路的運(yùn)作，而基頻電路的運(yùn)作又會(huì)因晶片廠商而異。這種方式無(wú)法測(cè)試無(wú)線電系統(tǒng)因使用空間多工技術(shù)而增加的容量。

＿提高SISO 無(wú)線電系統(tǒng)的靈敏度
若將一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的單一通道OFDM 信號(hào)先饋入一個(gè)單獨(dú)的接收器輸入端，則應(yīng)該會(huì)同時(shí)提高所有的無(wú)線電輸入靈敏度位準(zhǔn)，所提高的量取決于獨(dú)立的接收路徑數(shù)目。實(shí)際的提升程度將視硬件配置方式，以及輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字轉(zhuǎn)換后，所使用的信號(hào)結(jié)合方法而定。若作業(yè)得當(dāng)，設(shè)計(jì)者將可以依據(jù)理論上的計(jì)算值以及自己進(jìn)行的裝置量測(cè)結(jié)果，得出預(yù)期之提升程度的規(guī)格。

＿Keyhole 方法
第二種方法稱為keyhole 方法1，可用來(lái)測(cè)試MIMO 通道的還原過(guò)程，此時(shí)DUT 需
要進(jìn)入特殊的測(cè)試模式下運(yùn)作。如果我們考慮使用交錯(cuò)式多頻信號(hào)來(lái)進(jìn)行通道估測(cè)的話，可以設(shè)計(jì)一個(gè)不論系統(tǒng)應(yīng)該有多少個(gè)發(fā)射器，都能提供相同位準(zhǔn)的測(cè)試信號(hào)。若將此信號(hào)送入所有的接收器輸入端，則無(wú)線電系統(tǒng)就可以計(jì)算出所有的通道系數(shù)，此時(shí)應(yīng)該可以發(fā)現(xiàn)通道容量并沒(méi)有比SISO 的方式增加。進(jìn)行這項(xiàng)計(jì)算時(shí)，均值化過(guò)的通道系數(shù)應(yīng)該為1 或0，只要出現(xiàn)偏離1 和0 的情形（因無(wú)線電硬件的不完美或接收器輸入端的雜訊而發(fā)生），就可以判斷無(wú)線電系統(tǒng)的效能如何。

■2.多重信號(hào)源
考慮使用單機(jī)獨(dú)立運(yùn)作儀器提供的多重信號(hào)源時(shí)，必須瞭解基頻信號(hào)的時(shí)序?qū)R的必要性，以及是否需要使用共用的本地振盪器。舉例來(lái)說(shuō)，如果有個(gè)別的本地振盪器（LO），表示可以進(jìn)行相鄰?fù)ǖ罍y(cè)試以及MIMO 測(cè)試。