解決MIMO技術(shù)無線區(qū)域網(wǎng)路生產(chǎn)測試新挑戰(zhàn)
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輸入與多重輸出（MIMO）技術(shù)可說是自數(shù)字通信問世以來，無線通訊技術(shù)最重要的下一個發(fā)展。許多新的無線通信標(biāo)準(zhǔn)都包含MIMO選項，但目前為止，最引人矚目的標(biāo)準(zhǔn)就屬美國電子電機(jī)工程師協(xié)會（IEEE）的802.11n無線區(qū)域網(wǎng)路（WLAN）標(biāo)準(zhǔn)了。雖然這項標(biāo)準(zhǔn)目前仍處于草案階段，但市面上已經(jīng)可以買到具有MIMO優(yōu)點的Pre-802.11n WLAN設(shè)備。各方評論這項設(shè)備的結(jié)果顯示，MIMO技術(shù)確實可行，運用這項技術(shù)，不需增加頻寬或輸出功率，即可大幅提高WLAN設(shè)備的資料速率和范圍。
MO的好處也不是平白享有，不用付出代價的。若要具備MIMO的能力，就必須在通訊連結(jié)的兩端使用多組發(fā)射器和接收器，除了會為產(chǎn)品增加成本和帶來額外的復(fù)雜度以外，也可能對生產(chǎn)和終程測試的成本造成極大的影響。另外，為了得到MIMO系統(tǒng)可以提高效能的好處，發(fā)射器和接收器本身的效能也必須大幅優(yōu)于我們對現(xiàn)有正交分頻多工（OFDM）WLAN標(biāo)準(zhǔn)（如802.11g）的期待。伴隨新的效能要求而來的是，所使用的生產(chǎn)測試系統(tǒng)必須克服新的挑戰(zhàn)，才能確保產(chǎn)品符合品質(zhì)及效能要求的目標(biāo)。而最值得關(guān)注的一點，則是有無可能在發(fā)射器和接收器的數(shù)目變成兩倍、三倍、甚至四倍，而且規(guī)格要求更嚴(yán)格的情形下，依然把測試成本控制在802.11a/g系統(tǒng)的水準(zhǔn)？
生產(chǎn)測試方法的比較
AN制造商可以選擇MIMO測試要使用的測試設(shè)備類型和供應(yīng)商，為了避免增加測試時間，有必要謹(jǐn)慎地選擇可以維持品質(zhì)又能限制測試成本的方法。過去據(jù)以選擇傳統(tǒng)測試用的設(shè)備所依循的論點依舊適用于MIMO（參考資料2、3），然而，除了要維持可接受的測試時間以外，也有必要測試待測裝置（DUT）是否具有夠高的MIMO效能。測試方法通常有四種選擇：
?傳統(tǒng)方法 － 黃金樣品（Golden Radio，GR）、頻譜分析儀加功率表
?GR加支援單一頻道的單機(jī)式測試儀（One Box Tester，OBT）
?支援單一頻道的OBT
?支援多頻道的OBT或多部OBT
多年來，WLAN生產(chǎn)都嘗試使用傳統(tǒng)的測試方法，早年之所以會採行這種方法純粹是因為沒有專用的WLAN測試儀器。這種方法有一些缺點，包括發(fā)射器（TX）的測試涵蓋范圍差，以及GR的支援性有限等。既沒有簡單的方法可以驗證TX的品質(zhì)，而且因為使用的是特殊的測試模式，所以GR的方法也只適用于裝置類型相符的測試。
類型的裝置或新的標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)時，通常會採用GR的方法，部分原因是未必會有適用的測試設(shè)備可以解調(diào)出新的信號。在生產(chǎn)初期使用GR還能驗證通信協(xié)定和媒體存取控制器（MAC），而經(jīng)過一段時間后，隨著產(chǎn)量的提高，通常可以轉(zhuǎn)向使用OBT，而逐步停用GR。
于傳統(tǒng)的測試方法，使用GR加單一部OBT確實有一些優(yōu)點。OBT應(yīng)該可以提供高效能的解調(diào)能力，以便測試所有重要的TX參數(shù)，除了功率和頻譜量測以外，還包括誤差向量的值（EVM）、載波洩漏、以及頻譜平坦度等。運用OBT可以準(zhǔn)確地校準(zhǔn)GR的輸出，且可以使用GR，在模擬的MIMO條件下量測接收器的靈敏度。這樣做需要使用一個簡單的頻道模擬網(wǎng)路，或只要直接將DUT的接收器（RX）連接到GR的TX，加上適當(dāng)?shù)乃p就行了。至于如何使用支援單一頻道的OBT來量測多個MIMO頻道的問題仍需要加以解決，足夠的測試涵蓋范圍和可接受的測試時間是很重要的，本文稍后會加以探討。
從生產(chǎn)測試的角度來看，採用單一部OBT是最簡單的方法，完全沒有使用GR的缺點，而且可以提供傳統(tǒng)方法具備的所有其它重要的量測能力。然而，必須要去瞭解的是：要用什么方法才能維持測試時間在可接受的范圍，且能涵蓋所有的MIMO測試項目。
理論上，支援多頻道的OBT或多部OBT應(yīng)該能解決上述所有的問題，但代價是成本較高。如果可以觸發(fā)OBT來同時量測或產(chǎn)生多個信號，那么測試時間就可以與非MIMO的裝置近似。由于多頻道的產(chǎn)生器或分析儀可以測試出DUT真實的MIMO效能，因此可以涵蓋完整的MIMO測試項目。這種方法的最大問題在于測試的成本，舉例來說，具有三組頻道的DUT會需要使用一部含三個頻道的產(chǎn)生器和分析儀，或三部連接在一起的OBT，以進(jìn)行適當(dāng)?shù)挠|發(fā)測試。對某些WLAN制造商來說，可能無法接受這么高的測試設(shè)備成本，尤其是如果這種方法的優(yōu)點又無法證明成本增加是值得的話。
表１列出了上述每一種方法的優(yōu)缺點，表格最左邊這一欄是制造商在架設(shè)生產(chǎn)線時，通常會考慮的幾個主要因素，其重要性依序遞減。
表1：生產(chǎn)測試方法的比較
最佳的WLAN OBT設(shè)計
由表1可以看出，如果可以解決速度上的限制，則使用單一部OBT進(jìn)行MIMO測試是最好的方法。為了說明其可能性，有必要先來看看OBT的內(nèi)部架構(gòu)。
WLAN OBT的量測時間大部分都花在擷取資料的傳送上面，而非信號處理上面，因此，有必要設(shè)計一個可以限制傳送到信號處理器的資料量和傳送頻率的內(nèi)部架構(gòu)。我們可以定義一些有助于設(shè)計出最佳OBT的原則：
1. 避免透過區(qū)域網(wǎng)路（LAN），或是OBT內(nèi)建或個人電腦（PC）外接的通用序列匯流排（USB）來傳送擷取資料（例如I/Q取樣）。理想上，信號處理器應(yīng)該要能直接存取擷取存儲器的內(nèi)容。
2. 盡可能從單一次擷取到的資料中執(zhí)行最多次的量測，包括所有多頻道的MIMO量測。
3. 選用專為快速處理OFDM信號而設(shè)計的數(shù)字信號處理器（DSP）。
4. 盡可能將最多的信號處理工作丟給具有“即時”處理能力的硬件，如FPGA可程式化邏輯晶片。
5. 盡可能簡化功率量測的演算法，并將頻譜量測最佳化，以善用DSP的運算資源，同時僅執(zhí)行符合原始IEEE規(guī)格的頻譜量測。
6. 將OBT內(nèi)的頻率和功率切換速度最佳化。
7. OBT的產(chǎn)生器要能迅速地選擇和產(chǎn)生封包。
8. 確保OBT的功率準(zhǔn)確度規(guī)格夠好，不需要在測試機(jī)臺內(nèi)再使用功率錶。
些標(biāo)準(zhǔn)都達(dá)到后，就有可能以非常有效率的方式，在最理想的測試時間內(nèi)，量測WLAN DUT。除此之外，只要運用適當(dāng)?shù)念l道連結(jié)硬體，就可以測試MIMO DUT，且測試時間只會略微增加一點點。
快速的MIMO量測
所述，因MIMO DUT內(nèi)有額外的發(fā)射器和接收器，且MIMO有特定的測試要進(jìn)行，因此需要執(zhí)行一些額外的量測。所需的測試方法不僅要能執(zhí)行額外的測試，還要能維持量測的正確性。使用多部OBT可以達(dá)到這樣的目的，然而，這種方法的成本對許多制造商來說可能太高了。另一種方法是使用單一部OBT，并設(shè)計一種方法來連接DUT和OBT，目標(biāo)是要將量測速度最佳化并兼顧量測的正確性。有兩種做法可供參考：
1.功率分配器/結(jié)合器（Power Splitter/Combiner）
使用功率分配器/結(jié)合器，將每一個MIMO頻道與OBT相連接（圖1中的上圖）。這種結(jié)合的方法對某些制造商而言，或許會有吸引力，因為只要在每個頻道上使用特定且已知的payload資料，可能就可以提供虛擬的EVM量測，能大致看出每個TX的效能。然而，也可能無法判定因頻道隔離度不佳或暫態(tài)變化造成MIMO效能變差的狀況，另外，也無法檢查RX路徑的MIMO效能。
2.切換矩陣（Switch Matrix）
使用切換矩陣的方法（圖1中的下圖）可避免這些缺點，但是否也能避免測試時間大幅增加的問題？使用這種方法也還不清楚可以量測出多真實的MIMO效能，至于測試時間的問題則可以回過頭參考OBT的架構(gòu)。記?。簻y試時間與擷取資料的處理方式比較有關(guān)，而非處理資料的時間，瞭解這一點以后，合理的下一步就是要確保取樣到的所有MIMO TX信號都要出現(xiàn)在DSP的存儲器中。這樣一來，所需的額外測試時間就只會受限于DSP的能力了。這種方法可能可以測出真實的MIMO效能，如頻道的隔離度和EVM，另外，也可能可以測試RX頻道的隔離度。其做法有兩種：一是將由DUT擷取到的原始MIMO資料傳到外部進(jìn)行處理，以計算出頻道的隔離度；二是觀察一個沒有輸入信號之頻道的接收信號強(qiáng)度指示器（RSSI）或封包錯誤率（PER），而另一個頻道則連接到產(chǎn)生器，藉此測定隔離度。
圖1：使用單一部OBT進(jìn)行MIMO測試的另一種選擇
MIMO特有的測試
1.校準(zhǔn)與調(diào)校
如同802.11a/b/g WLAN裝置一樣，MIMO裝置也需要校準(zhǔn)或調(diào)校。其做法是先在預(yù)先定義好的特定條件下量測DUT的原始效能、將測試資料儲存在測試機(jī)臺或伺服器中、然后將這份資料處理過的版本下載到DUT中。每一家晶片商都有自己偏好的校準(zhǔn)方法。目前觀察到的一般趨勢是，隨著新裝置的出現(xiàn)，所執(zhí)行的校準(zhǔn)次數(shù)已變得愈來愈少，預(yù)計這樣的趨勢還會持續(xù)，最終有可能會免除所有的校準(zhǔn)，以便徹底改善每個裝置的總體測試時間。
2.參數(shù)測試
一旦MIMO DUT成功完成校準(zhǔn)程序后，就應(yīng)該進(jìn)行完整的測試，且通過測試的機(jī)率應(yīng)該要相當(dāng)高。這個階段所要執(zhí)行的測試需經(jīng)過審慎的挑選，以便能檢測出最多已知的生產(chǎn)問題。許多測試項目與802.11a/b/g WLAN DUT是一樣的，另外再加入一些適當(dāng)?shù)臏y試，以確保產(chǎn)品具有夠高的MIMO效能： 
表2：MIMO的測試項目
3.測試時間的考量
圖2所示為利用一部OBT來測試802.11a/g裝置時，每個項目所花的典型量測時間。 
圖2：測試典型的802.11a/g裝置時每個項目所花費的時間比例
2.11a/g DUT的總測試時間通常介于50和80秒之間，取決于所採用的測試計畫和設(shè)備。您可能會猜想說：除非每個MIMO頻道都個別使用一套測試設(shè)備，否則測試時間會與頻道數(shù)成正比增加，另外還要再加上一些執(zhí)行MIMO特有測試的時間。不過，實際的情形是，測試時間完全取決于測試儀器的架構(gòu)，以及在儀器中所設(shè)定的測試方式。由圖2可以看出，功率和頻譜量測是佔據(jù)總測試時間最大宗的兩項，RX校準(zhǔn)和靈敏度測試居次，剩余的其它測試僅佔了總測試時間的一小部份而已。
一步的瓶頸分析可以得知，只要將OBT的架構(gòu)設(shè)計最佳化，盡可能減少在OBT內(nèi)傳送大塊的資料，或是在某些情況下，透過LAN或USB將大塊的資料從OBT送到PC中執(zhí)行進(jìn)一步處理的必要，就可以大幅改善測試時間的問題。顯然，測試時間并非全然取決于要執(zhí)行的測試有多少，而是OBT如何擷取資料以及如何將它傳送到數(shù)字信號處理器（DSP）中。
結(jié)語
落實MIMO WLAN產(chǎn)品的優(yōu)點，就必須在生產(chǎn)制造的過程中，量測會影響MIMO效能的每一項因素。這不僅需要進(jìn)行所有傳統(tǒng)的WLAN量測，以確保每一個MIMO頻道都能正確地運作，還必須檢查頻道間的串訊（或隔離度）。不難瞭解如果測試計畫無法驗證特定的MIMO效能，那么一些可能嚴(yán)重影響MIMO能力的生產(chǎn)問題或許就無法被檢測出來了。需要有健全完整的測試方法和技術(shù)，才能確保新的MIMO WLAN產(chǎn)品的品質(zhì)、可靠度及效能。
最佳的OBT架構(gòu)，才有可能提供802.11a/b/g和MIMO裝置所需的測試計畫，既能避免測試時間大幅增加，又能確保足以涵蓋MIMO特有的各項測試。
倫科技專為WLAN和Bluetooth生產(chǎn)測試而設(shè)計的＂MIMO ready＂無線網(wǎng)路測試儀：N4010A，即可達(dá)到本文中所描述的，透過過最佳化調(diào)整，針對OFDM信號提供快速量測。
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