MIMO设备收发信机传导测试方法

MIMO( Multiple- input Multiple- out- put) 是针对多天线无线发射和接收的一系列技术, 它能够在不增加信道带宽和总发射功率的情况下成倍地提高通信系统的信道容量和频谱效率, 理论上说, 此时的信道容量随着天线数量的增大而线性增大, 因而成为新一代移动通信系统的关键技术及热门研究课题。

MIMO 设备的发射端和接收端均采用多个天线或者矩阵式的阵列天线, 图1 给出了2×2 MIMO 系统的数据包传输过程。每一路发射天线(T×1 和T×2)传输不同的数据包, 信号在自　由空间环境中合成, 在系统的接收端, 多条传输路径的合成信号在每一个接收天线(R×1 和R×2)上被接收, 最后接收机对两个接收天线的接收信号进行合成得到传送的原始数据。

1 MIMO 收发信机测试的特点

系统收发信机的好坏直接决定系统性能, 其测试的重要性不言而喻, 它是被测设备( DUT) 能够满足其它要求的基础和根本, 是实现系统功能的前提条件。

1.1 传统收发信机的测试方法

图2 是普通设备( 文中的普通设备均相对于MIMO 设备而言) 收发信机的传导测试连接图, 它给出了收发信机测试的基本方法, 即用信号分析仪( VSA) 解调和分析发射机参数评估系统的发射机性能, 使用综测仪来评估系统的接收机性能。

作者：黎卓芳 吕松栋 高宏   来源：现代电信科技 [p]

1.2 MIMO 收发信机测试面临的挑战

尽管MIMO 技术为系统性能带来了实际的好处, 但由于其系统的复杂性和特殊性, 又大大增加了系统测试和验证的难度。当在系统中采用MIMO后, 评估发射信号通过衰落传播信道　后的合成传输信号比测试单一发射机的性能更为重要。传统的单天线收发信机测试的设备和方法将难以满足MIMO系统测试的需要。因此, 需要寻求新的测量技术对MIMO 系统的收　　发信机性能进行评估。

下面以2×2 的MIMO 系统为例, 对MIMO 系统的测试进行讨论。MIMO 设备与普通设备收发信机测试的主要区别如下:

( 1) 天线数量不同。MIMO 设备拥有两根发射天线和两根接收天线, 在工作过程中两条天线同时进行收发, 因此, 在对MIMO 系统进行测量时, 仅用单台仪表无法同时测出多条链路的射频性能参数, 需要使用双通道或两台测试仪器( 信号分析仪、综测仪等) 对两路信号进行同时同步的测量, 而不仅仅是对单条天线的发射和接收性能进行评估。

( 2) 信号基础结构、编码方案、信号处理与合成方式不同。在MIMO 系统中, 每根发射天线对应传输一组独立的数据, 通过不同的编码方式将它们进行严格的区分。每根接收天线接收相同的信号, 无论是输入还是输出都在多个数据链路上同步进行。因此, 测试MIMO 系统发射机性能的信号分析设备要拥有强大的信号解调和分析能力, 无论是对发射天线端口的信号进行测试, 还是测试经过多径信道后的信号, 分析仪都需要先将单路信号从混合信号中分离出来, 然后才能对不同发射天线发出的信号分别进行解调和分析。对应于不同的MIMO 系统, 发射机测试需要专门的信号分析仪对发射信号进行评估。

( 3) 不同测试仪表之间的同步性。由于两条天线同时进行发射或者接收, 测试时应当使用两台仪表同时记录测试结果, 不同测试仪表之间的同步性就显得尤为重要。如果能够使用双通道的测试仪表进行测试, 两个通道之间的同步性就很容易通过对仪表进行设置达到。如果使用的是两台独立的测试仪表, 则可以通过使用相同的时间参考信号来达到同步的目的。

( 4) 对设备工作环境信道特性考虑的必要性。MIMO 系统在设计时就已经将设备工作环境的信道特性计入考虑范围, 在设计之初就将多径无线信道的特性与发射机、接收机视为一个整体进行优化。因此, 在对其收发信机进行测量时必须考虑多径衰落信道的特性, 评价发射信号通过衰落传播信道后的合成传输信号比单纯测试发射天线发出的信号更为重要, 测试过程中信道模拟器的使用必不可少。对于不同的MIMO 系统, 其信道模型和参数不同, 因此在测量过程中需要使用能够模拟被测设备相应工作环境信道特征的信道模拟器。即使两个信道的噪声电平相同, 不同特性的传输信道仍然会影响信号质量。

( 5) 天线间的隔离度。MIMO 系统中的发射天线和接收之间存在一定的耦合, 天线之间的隔离度是影响MIMO 系统性能的一个重要参数, 需要专门的仪表进行解调, 测试仪表要能够从一根天线的发射( 接收) 信号中, 分别解调出两路信号的参数, 并计算出两路信号之间功率的差值, 就是天线之间的隔离度。通常, 要求链路之间的隔离度大于20 dB, 以保证系统能够具有良好的MIMO 性能。

2 MIMO 测试的解决方案

2.1 MIMO 测试参数

在对MIMO 系统的收发信机性能进行评估时,不仅测试方法有所不同, MIMO 也有其特殊的参数,通过对MIMO 系统的功能和性能进行全面分析后,总结出MIMO 收发信机需要进行测试　　的参数如下所述。

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2.1.1 发射机参数

(1) 功率

·发射天线端口功率;

·接收天线端口在信道模拟器设为直连模式下的功率;

·接收天线端口在信道模拟器设为MIMO 模式下的功率;

·每个发射机的发射功率压缩, 用互补累积分布函数( CCDF) 表示;

·数据传送期间发射功率的变化;

·射频链路隔离度;

·每个发射机的发射本机振荡器( LO) 泄漏;

·相邻信道泄露。

( 2) 频率和频谱

·每个发射机的频谱平坦度;

·每个发射机的频谱模板;

·合成信号的频谱模板;

·发射机频率误差。

( 3) 调制参数

·发射天线间的相关星座误差;

·每个发射机的发射I/Q 不均衡;

·每个发射机的相位与幅值;

·每个发射机的发射信号调制精度( EVM) ;

·每个发射机以及多个发射机组合的发射相位噪声;

·发射符号时钟偏移。

( 4) 其它参数

·不同发射机数据包发射时间的一致性;

·发射机根据信道参数自动进行信道矩阵切换功能( 适用于某些拥有多个信道矩阵的系统, 如WiMAX 系统) 。

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2.1.2 接收机参数

( 1) 灵敏度

·接收机灵敏度测试;

·邻道干扰灵敏度测试;

·接收机对有损信号的灵敏度测试( 如载波频率偏移、I/Q 不均衡、LO 泄漏、相位噪声、加性噪声等) 。

( 2) 接收机误包率测试

·不同SNR 情况下的误包率测试;

·传统信道条件的误包率测试;

·MIMO 多径信道条件下的误包率测试。

( 3) 接收机射频链路隔离。

( 4) 功能性测试

验证接收机对不同信号类型( 改变信号的pilot,preamble 等参数) 的接收能力。

2.2 MIMO 测试框图

基于上述讨论, 设计得到MIMO 设备接收机和发射机的理想测试连接分别如图3 和图4 所示。使用4 台VSA 同时进行测试, 可以对DUT 的每对接收天线和发射天线的参数进行逐个测量、同时测量,或以其他的方式进行组合测试多个重要的MIMO参数, 例如功率、频谱、发射链路互扰、EVM、射频链路隔离和接收器灵敏度等。之所以称为理想, 是出于对成本的考虑。在实际的2×2 MIMO 系统测试过程中一般不会使用4 台信号分析仪同时进行测试, 但为了便于对VSA 的作用进行阐述, 下文将根据理想的测试连接图进行讨论。

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从测试框图可以看出, MIMO 收发信机传导测试设置与普通收发信机测试的最大区别在于MIMO信道衰落模拟器的使用, 并且需要能够对多条发射( 或接收) 链路同时进行测试, 保持不同测试仪器仪表间的同步性。按照上面的测试框图进行连接和测试时, 对于大部分测试项目, 都可以分别进行单天线、多天线以及天线不均衡测试, 保证了测试的灵活性。

一般说来, 分析仪只能对单个数据包进行解调和分析。因此, 在开始进行收发机测试前, 需要DUT 工作在稳定的发送( 接收) 数据包的状态下。测仪能够模拟与DUT 相关联的设备与DUT 建立呼叫, 并将流量发生器产生的数据进行打包发送, 在综测仪和DUT 之间建立稳定的数据传输。相同时钟参考信号的使用则能够保证不同信号分析仪之间的同步性, 从而提高测试的准确性、可靠性和可重复性。　　

2.3 接收机测试方法

图3 给出了MIMO 接收机传导测试连接图。4台VSA 通过使用相同的参考时钟信号进行同步, 使用VSA1 和VSA2 监测综测仪射频信号参数的目的, 是获取在实际应用环境中, 当接收机的性能在可接受范围内时, 对发射机性能的要求。VSA3 和VSA4 监控DUT接收天线端口的射频参数, 用于测试和记录系统的接收机灵敏度和接收机链路隔离。流量发生器和误包率统计软件在进行接收机测试时必不可少, 无论是进行接收机灵敏度测试还是接收机误包率测试都需要用它, 在系统的测试仪器仪表都成熟的情况下, 它可能会被内置于综测仪, 而对于某些还没有可用的流量发射器和误包统计软件的系统, 则需要由DUT 制造商提供相应的软件完成此项功能。

2.4 发射机测试过程

图4 给出MIMO 发射机测试的连接图。VSA1 和VSA2 测量DUT 发射天线端口的信号参数, 是对发射机性能的直接评估, VSA3 和VSA4 测量的则是信号经过信道衰落模拟器之后的参数, 是对发射机信号在真实环境中传播到达接收端信号优劣的评判, 是对发射机在实际应用中性能的评估, 通过4 台分析仪的使用能够实时、全面地测量发射机信号参数, 从而全面评估发射机性能。

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图4 中在进行发射机测试时, 如果被测设备能够独立地进行发射, 例如具有连续发射模式或者测试模式, 则可以不使用综测仪或信令单元, 直接对其发射机参数进行测试和评估。

3 测试实例分析

为便于读者对MIMO 传导测试的测试方法和测试参数有一个更直观的认识, 根据上节所述的测试方法, 下面给出MIMO 发信机传导测试的一个测试实例及其结果。

3.1 测试方法

被测设备选择一台802.11n 的WLAN AP, 测试时使用20 MHz 带宽, 以64- QAM 的调制方式、130 MHz 的数据速率进行传输。测试仪表选用美国Litepoint 公司的IQnxn, 通过多台IQnxn 的使用, 同时分析和解调多条发射天线的信号参数。测试连接如图5 所示。

由一台PC 控制的被测AP 与STA 进行关联,用流量测试软件Chariot 建立AP 与STA 之间稳定的业务流。

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两台IQnxn 构成一个2×2 的MIMO 发射机测试仪, 通过集线器连接到控制/显示PC 上, PC通过以太网口同时控制两台IQnxn, 设置IQnxn 的测试参数并显示测试结果, 用两组2×2 的MIMO发射机测试仪分别测试发射天线端口及经过多径信道后接收天线端口的信号参数, 利于对信号的变化进行比较分析。

3.2 测试结果

选取一些具有代表性参数的测试结果如图6所示。

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图6 分别给出了WLAN 信号一个数据包的时域波形及其相应的频谱和频谱模板, 图右侧显示的测试数据结果中用横线标出的是两路发射天线间的射频链路隔离度。

从第二路发射天线泄漏到第一路天线的信号, 在经过多径信道前后的测量值分别为- 36 dBc 和- 38 dBc, 可见发射天线间的射频链路隔离度与信道参数无关, 是发射机的固有特性, 因此在经过多径信道前后其取值基本保持不变。

而频谱在经过多径信道之后则有了一定程度的恶化, 但仍然在可接受的范围内。

从图7 可以看出, CCDF 与信道特性无关, 在经过多径信道前后基本保持不变。图8、图9、图10, 是一些参数的测试结果。

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从图8、图9 和图10 看出, 在经过多径信道后, 发射信号的频谱的平坦度、相位误差和星座图都有不同程度的恶化。其实, 发射机和接收机的大部分参数在经过多径信道前后都会发生较大的变化, 因此在对MIMO 设备发射机性能进行评估时, 必须考虑多径信道对发射信号的影响。

4 结语

通过第3 节的测试实例, 证实了第2 节中所述测试方法的正确性和有效性, 在进行MIMO 射频测试时, 测试设备间的同步性非常重要, 信道模拟器的使用必不可少。

随着MIMO 技术的不断发展和完善, 拥有MIMO 功能的产品也逐渐成熟, 如802.11n 设备已经上市, 使用MIMO 技术的WiMAX设备也将开始进行测试。近年来,国外正在开始进行MIMO技术在超宽带( UWB) 系统中的应用研究。因此, 对MIMO 设备的测试工作显得重要而急迫。但与MIMO技术和应用的蓬勃发展相比,MIMO 测试技术的发展却相对滞后, 在许多方面还存在空白。本文对MIMO 收发信机的传导测试进行了详细的讲解并给出了测试解决方案, 希望对读者能有一定的参考价值。