802.11n傳輸率大幅提升　MIMO測試不可或缺

許多年來，多路徑的接收問題一直希望被避免或補償，因為當電波直接或間接的路徑到達天線，它們通常是不同相位(Phase)，而且互相干擾。在類比電視的時代，多路徑訊號會產生鬼影，而且無線射頻訊號也因通道缺陷以及多變化的訊號雜訊比而困擾。  

但事實上，利用這些多重路徑訊號可以在不提高通道頻寬的前提下增加資料的傳輸率，而且越多路徑越好。所謂的多通道路徑輸入/多通道路徑輸出或是多重輸入多重輸出(Multi-input Multi-output, MIMO)，是將不同的資料流同時發射，經過相同的路徑，以及使用不同的發射器和天線。在接收端，多支接收天線接收來自直接或間接的混合訊號。同時，使用複雜的數位訊號處理(Digital Signal Process, DSP)技術，不同資料流就能還原回來(圖1)。

圖1　在MIMO的系統，資料是被解析並切割成不同的資料流，透過分開的發射器及天線來發射出去。多通道路徑混合訊號被接收並重組還原成原始發射的資料。

理論上，假如資料進入MIMO的通訊系統有80Mbit/s的傳輸率，這些資料經過解析後，可分為兩組40Mbit/s的資料流，或是四組的20Mbit/s的資料流。這些兩路或四路的資料流會以較慢的速率透過MIMO的系統平行地傳輸出去，經過接收後，透過數位訊號處理技術解碼並將資料重組還原。以此方式，它看起來就像是在20Mbit/s或40Mbit/s的環境中傳遞80Mbit/s的速率。在實際環境中，MIMO並無法實現二倍或四倍的數據傳輸率，但的確能帶來資料傳輸率的提升以及更大的通道使用效能。  

MIMO成事半功倍代名詞  

其實，這裡並沒有因付出更高的成本，才得到更大的通道效能。成本是用來提高在MIMO產品的複雜性。在MIMO系統中使用了多個發射器、接收器及天線，另外也應用更多數位訊號處理功能針對這些經由不同路徑混合而成的多重訊號做解碼分析。  

這個技術的發展並不單單只是多增加發射器、接收器和天線。當每增加一組，就會導致內部訊號干擾愈來愈嚴重，例如兩組以上的發射器同時發射訊號。除非它們有適當的隔離，否則會因訊號相似而互相影響。同樣地，多組接收器也可能因為本地振盪頻率洩露的影響而互相干擾，除非彼此有適當的隔離。  

由此可見，為了降低訊號的互相影響以及避免訊號延遲、相位不平衡等等因素，電路板布線變得更加重要。而為了確認所有的訊號互相影響能夠被避免或解決，產品的驗證變得更加複雜，如此大幅增加驗證的時間，同時也提高了整體的產品開發成本。  

現階段802.11n產品仍在草案階段  

目前無線區域網路(WiFi)MIMO產品並不是完全遵循被認可的IEEE 802.11n標準。大部分的WiFi MIMO產品都是依據公認的IEEE 802.11n草案，也就是說，只符合IEEE 802.11n Draft 2.0規格，IEEE 802.11n標準的最後確認預計在2009年完成。  

無論如何，在標準確認後，預計內容與Draft 2.0草案相距不遠，因此，幾家公司已開始提供IEEE 802.11n草案產品。  

到目前為止，關於IEEE 802.11a/b/g的相容性比較沒有大的問題，但是首批產品需求來自於一般的消費者而不是企業用戶。一般消費者較少擔心是否已有認可的標準，而是著重能改善無線通訊網路的傳輸速率和使用範圍。對企業用戶而言，到目前為止也沒有遭遇較大的風險。  

IEEE 802.11a/g可達到54Mbit/s，而實際的資料傳輸率可達25Mbit/s；IEEE 802.11n無線通訊傳輸率理論上可以達到200Mbit/s，而實際的資料傳輸率接近100Mbit/s。對於IEEE 802.11a/g大量資料傳輸的服務，例如影音串流，在IEEE 802.11n無線通訊網路的四倍速率下皆可完成。  

發展測試挑戰升高  

圖2　發射器輸出訊號耦合到另一個發射器的輸入端，將降低第二個發射器的輸出訊號。

在開發IEEE 802.11n產品時，其測試驗證必須能區分內部訊號的交互影響是否超過IEEE 802.11n標準的容許值。例如，若是訊號由一根天線耦合到另一個發射器的輸入端，它將降低第二個發射訊號輸出(圖2)。同樣地，假如有接收器相互影響，它將影響到訊號接收(圖3)。  

假如發射器和接收器是分別測試，而且在測試過程中將其他部分關閉，也許就無法達到真正的功能驗證。為了達到實際上的功能驗證，必須將MIMO WiFi產品每一組的發射器連結到向量訊號分析儀(Vector Signal Analysis, VSA)，例如N×N的量測(圖4)。

圖3　被接收的訊號可能被耦合到壓控振盪器而導致頻率的不穩定。

圖4　以N×N的測試系統以MIMO產品的四個發射器分別接到四組不同的VSA。

同樣地，測試系統須要有不同的訊號源，同時發送不同的封包，來進行多組接收器的測試。這是成本較高的架構，適用於產品研發階段。  

新測試方法可進行MIMO WIFi　單機一體全功能測試  

有一個成本較低、可用來測試MIMO的單機方案配合創新的切換系統(圖5)。在這樣的架構下，可以將所有同時的訊號依序接到儀器的射頻輸入端而送至單一台VSA。

圖5　在待測物的兩個發射器同時發射的情況下，以內建VSA和VSG的單機一體測試系統搭配多埠測試盒將T×1和T×2發射訊號循序擷取。

這個訊號源自於其他發射器的貢獻，將會影響誤差向量幅度(Error Vector Magnitude, EVM)參數量測。由於系統完整地循序擷取每一個發射器訊號，因此可以在MIMO產品最大的負載和真實訊號互相影響的情況下，分析每一個發射訊號的EVM參數。  

雖然測試功能不如N×N測試方案的快速與完整，但是這種架構可以驗證是否有訊號相互耦合問題，也可以區分出單一發射器功能的不正常。  

如此使用單機設備的發射測試也可以將待測物(DUT)的所有發射訊號混合一次抓取，並且量測混合訊號的EVM值(圖6)。相較於循序測試，這樣的測試方式能夠提供更快速的量測分析，然而利用混合訊號的測試方式無法提供個別發射器的EVM量測值。

圖6　待測物的兩個發射器同時發射，透過混合器將訊號混合而輸入到單機測試儀、混合訊號的EVM、功率頻譜密度以及功率對時間軸的圖示，可用來確定所有的發射器是否動作正常，雖然沒辦法分辨哪一個發射器超過規格，為了快速驗證產品品質的好壞，這樣的測試是相當足夠的。

針對接收器的測試，多埠切換器的架構再次被應用。將向量訊號產生器(Vector Signal Generator, VSG)的訊號同時發射給待測物的所有接收器(圖7)。

圖7　將單一訊號送到R×1、R×2和R×3，可測試接收器的靈敏度，若量測值有偏差，代表至少一個或更多的接收器已故障。反之，就可以確定這些接收都是正常的。這樣測試可以快速確認接收器的好壞，而達到生產測試的目的。

成本考量關係重大  

目前所有的無線通訊技術產品都是普遍應用產品，而且是大量生產。這樣的現象帶給產品價值鏈中的廠商如晶片製造廠、原始設計製造商(ODM)莫大的壓力，為了製造低成本的產品，並且大量生產快速導入市場，產品開發廠商並沒有足夠的時間，利用多台設備來做多樣化的循序測試，他們需要的測試系統是能夠擷取一個或少數幾個封包就能提供快速完整的分析。  

對生產測試來說，並不須要再次針對設計來做驗證測試，這些設計驗證應該在產品開發階段完成。生產測試是用來篩選因為製造所產成的問題而不是設計造成的問題，生產測試的架構未必與研究測試的架構相同，但相似的測試平台也可以用來幫助找出設計的根本問題。  

毫無疑問地，MIMO將愈來愈普及，也會持續地在產品開發和生產測試的平衡點上達到價格平實與快速上市的目標。  

(本文作者為筑波科技技術總監)