MIMO及其对无线局域网产品生产测试的影响

MIMO原理

传统的无线系统采用单一输入与单一输出（SISO）的设置方法，即在无线连接的两个终端都使用一个发射机和一个接收机。数字信号处理领域的最新研究成果为我们带来了多天线技术，它能显著地提高数据吞吐量和改善无线连接的稳定性。这些多天线技术就是我们称为MIMO（多路输入多路输出）的技术，它在无线连接的各个终端都使用多个发射机和接收机，在一定的信道条件下，能获得比SISO高出几倍的吞吐量。

MIMO技术仅指出了特定装置的天线数量。MIMO定义中的“输入”和“输出”二词分别表示一个无线信号在空间的发射和接收。而且，这能独立地应用到上行和下行两种链路中。

从这个总的定义出发我们可以推理出更多特殊的多天线应用实例，如：多重输入单一输出(MISO)，单一输入多重输出（SIMO），以及多路输入多路输出（MIMO）。这些实际应用可用图3表示。

SIMO系统由于配备多个接收天线能形成接收分集，而MISO系统因为有多个发射天线，所以能形成发射分集。MIMO系统则综合了SIMO和MISO两种应用的特点，它能同时利用发射分集和接收分集特性来改善无线连接的稳定性，同时使用多个可辨别的空间信道来提高无线连接的吞吐量。本文将集中讨论MIMO系统。


图3：MISO、SIMO和MIMO构架

MIMO技术根据信道条件可分为两种工作模式，即空间复用模式（SM，Spatial Multiplexing）和空-时分组编码（STBC，Space-Time Block Coding）模式。MIMO装置会根据信道条件在SM和STBC两种模式中动态切换以实现最佳性能。

1) 空间复用模式

空间复用模式（SM）的基本原理是用每根天线发送相互独立的数据。从各天线发送的数据会在接收机端经过适当的信号处理后被分离，这种处理通常会包含线性去相关检测和非线性干扰解除两个操作。

我们平时提到MIMO时通常是在说SM工作模式，因为这种模式具有显著提高无线连接吞吐量的能力。然而，SM工作模式的有效性需依赖一定的信道条件和信噪比(SNR)。多径信道通常要求较高的非相关性。与SISO传输方式相比，对于相同的调制和编码方法，多径信道信噪比（SNR）要求也更高。

IEEE 802.11标准定义了两个SM技术：直接映射和空间扩展。使用直接映射技术时，每个MIMO数据流都通过一个发送链路传送，数据流与传送链路之间是1对1的映射关系。使用空间扩展技术时，MIMO数据流先按信道评估情况用一个矩阵复用，然后再通过不同的发送信道予以传输。图4直观地表示了直接映射技术和空间扩展技术的特点。


图4：直接映射和空间扩展

2) 空-时分组编码（STBC）

STBC用另一种方式实现对多个天线的利用，它利用空间和时间分集来提高数据传输的可靠性。

MIMO数据流在特定的时间被从一个代码字或代码序列处理成矢量符号，如图5所示。之后，整个代码字变成一个矩阵，其内部的每行数据都在相同的天线上传送，而每个列的数据则在相同的时间传送。接下来的任务就是在接收机端如何设计一个有最佳距离属性的代码了（即便是对随机变化的信道而言）。

STBC与SM不同，它不会提高MIMO设备在相同时间传送的数据流的数量，因此也不会直接提高无线传送的吞吐量。然而，STBC能提高传输的可靠性，尤其是在信道条件很差的情况下。这样，相同的信噪比情况下我们就能采用更高的调制和编码率，因而，STBC具有间接提高线路吞吐量的能力。


图5：空-时分组代码

生产过程中MIMO系统中容易出问题的方面

任何生产过程都会受到潜在错误和过程变异的影响。因此，在开发MIMO测试方案时了解生产过程中的潜在失效点并准备好筛查方案是非常有用的工作。

* 焊接缺陷

焊接缺陷很可能是所有电子系统中第一大设备失效原因。严重缺陷可能会导致全系统的故障，因此很容易筛查，但是微小的缺陷就较难发现。这种缺陷可能会导致系统的性能下降，但不至于整机故障。MIMO系统由于其在实际应用中所具有的功能而特别容易掩盖这种问题。

例如：如果以一次一条链路（发射机或接收机）的方式对MIMO系统进行测试，那么某些特定的性能问题，如某个焊接不好的解偶电容器，就可能无法被发现。这类问题只有在所有发射机在最大功率输出工作时才能被注意到。除非我们验证系统的最高数据传输速率，否则我们可能查不出这类生产测试中的问题。但是，使用这种蒙混过关产品的最终用户，很可能会在诸如平板电脑与电视机的视频传送过程中发觉类似欠佳的性能（如解析不充分的视频），这最终会导致产品退货甚至产品品牌形象的受损。

* TX/RX开关性能

典型的WLAN系统一般都是半双工系统，因此包含一个发送/接收（TX/RX）开关，用于在信号的发送和接收之间进行切换，如图6所示。此开关的开关速度正是影响系统性能的关键所在。典型的系统中，此开关必须具备在几十个微秒内完成发送/接收切换的能力，否则将引起传输数据的丢包现象。


图6：WLAN系统中的TX/RX开关

控制线路中的解耦电容器有时会有焊接不良的情况，此外，表面贴装流程中自动装配机上有时还会装上容值不正确的元件。容值略微增加几个微法（?F）便会引起切换稳定时间的延长并影响系统的性能。

* 串扰问题

正如前文所提，MIMO系统需依赖发送或接收数据流之间合理的隔离度才能实现最佳的性能。图7显示出一个MIMO系统中可能会产生的串扰路径。


图7：串扰或耦合问题

验证不同路径之间隔离情况的唯一方法就是确保所有的路径都在同时工作。这就需要多个信号发射机和信号接收机来对这些路径进行同步测试。如果每条链路单独测试，那么隔离度问题就难以发觉。

此外，随着平板电脑和智能手机越来越紧凑的外壳内需装配的电子元件变得越来越多，精密的机械装配和公差也已成为确保隔离度的必要条件。生产过程中一个装配不良的射频（RF）衬垫往往会导致系统中泄露通道的产生。

* 发热问题

最后，我们必须考虑MIMO系统测试过程中的发热问题。信号发射机的性能尤其容易因温度的差异而发生变化。如果一次只对一条链路进行测试，那么潜在的发热方面的问题（如增益下降，失真加剧）就可能不会表现出来。只有让所有的射频链路同时工作，才能使系统承受合理的负荷水平（见图8）。


图8：MIMO系统中的发热问题

以上只是生产过程中可能发生的关于MIMO系统性能的几个问题。虽然这些问题可能不会经常发生，但一旦发生，它们就会引起明显的性能下降（但不大会引起整个系统的故障）。

随着视频数据越来越多地依靠WLAN MIMO系统传输，峰值数据传输性能正变得越来越重要。这些类型的缺陷无疑将引起应用设备性能的不良，因此我们需采取最佳的方法来筛查这些问题。

在下一部分内容中，我们将考查WLAN MIMO测试的几个不同方法以及我们采用不同技术所能获得的测试覆盖率的不同水平。