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面向产品制造的MIMO WLAN测试方法

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多输入多输出（MIMO）无线通信技术正快速发展，并随着IEEE 802.11n WLAN标准的推进而走入人们的现实生活。虽然802.11n标准草案2.0版刚刚在三月份得以通过，但市场上已经出现了大量相关产品设备。MIMO技术能够在不增大功耗或带宽需求的情况下大幅度提高系统吞吐量。日益复杂的MIMO WLAN芯片组增加了产品线测试的成本，进而增大了最终产品的成本。这将是人们不愿意看到的结果，因为WLAN消费市场无力承受更高的成本。

市场上有多家测试设备制造商提供了MIMO WLAN的解决方案，关键的是WLAN制造商必须选择一种不会增大传统系统测试时间的测试方法。

MIMO WLAN芯片组和产品的测试有四种不同的测试方法可供选择：

1. 多矢量信号发生器（VSG）和矢量信号分析仪（VSA）测试方案；
2. 一体式VSG和VSA方案外加合成器与高速开关；
3. 一体式VSG和VSA方案外加合成器；
4. 一体式VSG和VSA方案外加高速开关。

多VSG和VSA测试方案

在多VSG和VSA测试方案中，待测设备（DUT）的每对接收器和发射器直接与其对应的VSG和VSA连接。发射器和接收器可以逐个被测量, 同时被测量, 或者其他组合方式。利用这种配置，可以测出多个重要的MIMO参数，例如功率、频谱、发射器减损，包括瞬态和发送链路互扰、发射器质量指标EVM、射频链路隔离和接收器灵敏度。

图1 采用多VSG和VSA的测试系统，其中每条发射/接收链路直接与每队VSA/VSG相连

图1以测试2x3 DUT的LitePoint IQnxn 3x3测试配置结构为例，给出了多VSG和VSA测试方案。当测试DUT发射器时，测试系统中的VSA是有效的。每个发射器与其相应的VSA相连接。对所有的发送链路同时进行数据捕捉，并将捕捉到的数据送给一个综合软件工具包进行分析。通过使用该测试系统和综合分析软件，我们可以详细分析出每个发射器的信号质量以及它们之间的互扰。VSA分析还包括一个完整的数据解调器，能够帮助我们检验发射信号的结构是否正确，这在产品研发过程中是非常有用的。对CRC的检验能够检查出解调后的报文数据是否正确。我们可以将报文数据保存到一个文件中，以便于与发射数据进行对比。

利用这一测试系统，可以支持发射器的任意组合。多VSA和综合分析软件的动态组合可以在一次数据捕捉操作中测量出下列发送参数：

● 整个报文的Tx功率；
● Tx信道响应和每个发射器的谱平坦度；
● 发射器之间的Tx隔离度；
● Tx频率偏差；
● 每个发射器的Tx I/Q不均衡、相位与幅值；
● 每个发射器的Tx本机振荡器（LO）泄漏；
● 每个发射器的Tx信号质量或EVM值；
● 每个发射器以及多个发射器组合的Tx相位噪声；
● 每个发射器的Tx功率压缩，显示为CCDF；
● 报文传送期间的Tx功率变化；
● Tx符号时钟偏移；
● Tx不同发射器数据包发射时间的一致性；
● Tx有效载荷验证。

在测量待测设备的接收器时，多VSG和VGA测试方案中的VSG参与测量工作。每个接收器与其相应的VSG相连。测试控制软件将波形加载到VSG中，分别设置每台VSG的射频信号电平和所有VSG使用的公共射频频率。通过配置多VSG和VSA测试系统，我们可以无限循环地发送载入的波形，或者按照用户指定的发送次数进行发送。VSG发送的波形可以来自于采用一条理想信道的单个发射器，或者来自于采用多径信道的单个发射器，或者来自于分别具有多径信道和功率电平的多个发射器。因此，可以在实际的MIMO和传统多径信道条件下测量出接收器误包率。

在产品研发过程中，评估接收器在发射器减损情况下的接收灵敏度是非常重要的。利用多VSG和VSA测试方案，我们可以详细分析MIMO接收器。诸如LO泄漏、I/Q不均衡、发射器压缩、相位噪声、加性噪声或载波频率偏移等发射器减损都可以囊括在测试系统产生的信号中。大部分减损都可以对每个发射器单独设定。
在多VSG和VGA测试方案下，可以进行下列接收器测试操作：

● 对于输入不同信号电平或SNR情况下的PER测试；
● 用于传统和MIMO多径信道的PER测试；
● 接收器对在发射器减损的情况下的灵敏度测试, 例如频率偏移、I/Q不均衡、LO泄漏等；
● 无干扰信道评测(clear channel assessment)；
● RSSI校准；
● 接收器射频链路隔离。

这个方法用于设计验证、调试与质量保证测试阶段。对于生产线测试来说，这个方案的成本很高，可能无法满足预期的投资回报率（ROI）。

一体式VSG/VSA外加合成器与高速开关的测试方案

生产测试不需要进行全面的定量的性能评估，生产测试的主要目地是检验待测设备的组装是否正确，是否达到了规定的性能指标。对于MIMO WLAN系统，我们可以采用与传统WLAN生产测试类似的一体式VSG/VSA组合方案。首先介绍的一体式VSG/VSA配置方案是一体式VSG和VSA外加合成器和高速开关（例如LitePoint IQflex/IQview和多端口测试适配器（MPTA））。为简便起见，将高速射频开关和合成器的组合称为MPTA。

MPTA包括一个高速射频开关、每条射频信号通路上一个衰减器和一个智能序列控制器，如图2所示。该结构可以配置成静态模式，其中各个开关或闭合或打开，每个衰减器设置为一个指定的值。该结构还可以配置成动态模式，在动态模式下，可以定义一系列配置或状态，每种配置都有其自己的开关和衰减器设置。状态之间的转换由智能MPTA本身根据其信号输入情况进行控制。

图2 IQflex/IQview和多端口测试适配器测试MIMO待测设备

在进行发射器测试时，MPTA经过配置可以在各个发射器之间进行动态切换。首先，MPTA将信号从Tx1发送到VSA。数据包将触发VSA内的数据捕获过程。当从Tx1上捕获了足够的数据之后，VSA停止捕获，MPTA切换到Tx2。下一个数据包将再次触发VSA内的数据捕获过程。这种捕获与切换过程将持续进行，直到捕获存储器内存满预定数量的数据采样。

由于通路的切换是由射频信号控制的，捕捉MIMO信号所需的额外时间相比IQnxn系统而言，仅仅是发送两个报文（而不是一个报文）所需的额外时间。该系统的处理与分析时间与多VSG和VSA测试系统相同。

在进行发射器测试时，虽然从不同发射器捕捉信号的过程是顺序进行的，而不是像多VSG和VSA测试系统那样同时进行，VSA仍然将这些顺序捕捉的信号处理为MIMO信号。大部分原本由多VSG和VSA测试系统执行的发射器测试工作都可以由一体式VSG和VSA外加合成器与高速开关构成的测试系统来完成。特别地，该方案能够计算出每条射频链路的EVM、功率放大器压缩和隔离度。尽管如此，这两种测试方案仍然存在多处差别。虽然执行典型的MIMO EVM计算能够评估每个发射器的质量，但是如果发射器之间的隔离度不好，EVM仍然受限于射频链路的隔离度。如果连续报文之间的有效载荷数据保持不变，那么可以排除这种隔离度的限制。此外，这里的MIMO EVM计算必须能够单独跟踪每个发射器的相位轨迹，而通常的MIMO EVM计算过程跟踪的是所有具有相同相位校正的发射器。这些系统测量方案不如IQnxn测量那样全面，但是它提供了一个极好的生产测量解决方案。该方案不支持的测量特征包括：（1）有效载荷数据无法恢复；（2）无法评测发送链路之间的动态互扰；（3）无法测量发射器之间的数据包发射时间的一致性。

MPTA通过配置还能够同时接收多台发射器的信号。我们将在后面介绍只用合成器的测试方案中进一步介绍这一模式。

对于接收器测试，一体式VSG和VSA外加合成器与高速开关的方案产生的是单个发射信号。该信号可以是传统信号，或者单路MIMO信号，并且可以送入任意一个或所有接收器中。当每次将该信号送入一个接收器时，通过待测设备的RSSI指标可以测量射频链路的隔离度。

有两种模式可以测试接收器的PER或灵敏度。一种模式是，将开关设置为某个静止状态。在这一状态下，通过将VSG信号每次送入一个接收器（不必使能或禁用待测设备中的接收器），可以单独测量出每个接收器的灵敏度。这种方法有助于测量接收链路之间的隔离度。此外，通过将VSG信号同时送入所有接收器中，可以验证由于最大比合并（MRC）而获得的灵敏度的改进。灵敏度的这一改进验证了MIMO信号处理的实质部分。待测设备的驱动程序应该能够报告错误接收或者正确接收的数据包个数。

另一种模式是，更全面的利用发送/接收的切换功能，测试接收器的PER和待测设备的灵敏度。在该模式下，我们可以通过配置开关来测量接收器发出的确认信息（ACK）。这些ACK只在没有检测出错误的时候才会发出。因此，我们可以在不同的衰减器设置和不同的接收器配置情况下测量PER，即分别启用一个、二个、三个或四个接收器。通过测量不同信号电平下的PER值，我们可以精确测量出任意接收器组合的灵敏度。通过改变开关/衰减器的组合就可以自动执行整个测试序列。测试软件定义了测试序列，并且仅仅利用该序列就可以启动测试操作。之后，MPTA自动执行整个序列。这一模式不仅验证了Tx/Rx切换和MRC灵敏度的改善情况，而且消除了由于多种控制和待测设备软件交互而导致的时间开销。

一体式VSG/VSA外加合成器的方案

在这种配置方案下，一个无源功分器/合成器取代了图3中的合成器与高速开关配置。这一方案具有最低的MIMO测试成本，同时具有较好的MIMO制造测试覆盖率。

图3 单IQflex脉冲合成器测试MIMO待测设备

在发射器的测试中，合成器对来自于发射器的信号进行叠加。IQsignal分析软件从传统的或者MIMO的前导（preamble）中分析出所有发射器共有的某些发射器的属性。例如，数据包开始的载波频率的动态变化，以及前导尾部的频率偏移。根据MIMO的前导还可以分析出每个发射器的其他的发送信号属性，例如Tx功率、I/Q不均衡和频谱平坦度。通过对比合成后的信号与根据从MIMO前导估算出的信道响应得到的理想合成信号，我们可以测量出整个发射器质量的EVM指标。这种测量要求在分析软件之前就要知道数据包中的数据内容。但是，发射器的扰码（transmitter scrambler）可以对每个报文都不同，因为起始状态是由分析软件分析出来的。

任何会引起信号质量下降低于预订界限的发射器减损都将降低合成信号的EVM。这包括压缩和I/Q不均衡。相比单VSG和VSA外加合成器与高速开关的测试方案，这种系统配置无法测量出射频链路隔离度，也无法定位出某条发送链路的故障。如果可靠的安装能够提供20dB隔离度，那么射频链路隔离度也不是大不了的问题，20dB的隔离度常用作链路之间进行充分隔离的规范指标量，以提供良好的MIMO性能。

对于接收器测试而言，将同样的信号送入待测设备的所有接收器中。如果待测设备启用一个接收器，那么可以测量出这一个接收器的灵敏度。如果启用了所有的接收器，那么由于最大比合并（MRC）而改进的灵敏度就验证了MIMO信号处理的重要部分。在一体式VSG和VSA外加合成器的测试方案中，发射器和接收器的测试是在MIMO模式下进行的，带有质量测试参数，具有合理的测试时间，测试成本较低。LitePoint IQflex外加合成器支持这种测试方法，为用户提供了性能可靠而出色的测试方案。这种测试方法的不足之处在于，它需要已知MIMO发射器发射的数据才能进行测量，并且无法测量射频链路之间的隔离度。

单VSG/VSA外加高速开关的测试方案

在这一配置方案下，如图4所示，MPTA被一个开关所代替，去掉了合成器。ODM利用IQflex和现有的射频开关已经开发出了与此类似的配置方案，其中开关是由测试软件直接控制的。

图4 单IQflex外加高速开关无合成器的MIMO待测设备测试方案