低成本應用方案出爐　新MIMO測試出奇制勝

市場上有一些生產測試設備供應商由無線網路技術衍生新的測試方法，提供多重輸入多重輸出(MIMO)無線網路測試應用，然而，對WLAN生產製造商而言，選擇一個相對於WLAN產品不須額外增加測試時間的方案很重要。這裡舉出四種不同測試MIMO WLAN晶片及產品的方法，包括多台向量訊號產生器(VSG)及向量訊號分析儀(VSA)的測試方法、單機VSG及VSA加上訊號合成器(Combiner)及快速開關、單機VSG及VSA加上訊號合成器、單機VSG及VSA加上快速開關。  

多台VSG/VSA可量測所有MIMO參數  

在多台VSG及VSA測試方法中，待測物(DUT)的每一對接收與發射端直接接到相對應的VSG及VSA，DUT所有的發射與接收端可分別測試，也可所有天線同時或任意的搭配測試。以該結構做測試，重要的MIMO參數均可量測，例如發射功率、頻譜特性、發射缺陷包含瞬間及發射通道的相互影響、發射訊號品質指數(EVM)、射頻通道的隔離度及接收機靈敏度測試。  

圖1說明多台VSG及VSA測試方案，以Litepoint所生產IQnxn3×3的測試架構以測試2×3的兩發三收的DUT。測試DUT的發射機時，測試系統的VSA將運作，每一發射通道接到相對應的VSA，每一路的發射訊號同時被VSA抓取，並且由整合套裝軟體作訊號分析。透過該測試可得到每一通道的發射品質及相互通道間的影響詳細分析，VSA的分析還包含完整的資料解調，以協助驗證發射訊號為正確的結構，在產品研發階段提供很大幫助。同時可驗證解調封包資料的循環冗餘檢查(CRC)是否正確，封包資料亦可存至檔案中做資料比對。

圖1　多台VSG及VSA的測試系統，每一發射接收通道直接接上VSA/VSG。

使用該測試系統可針對任何發射通道組合測試，多台VSA的動態組合配合先進的分析軟體可在一次的抓取訊號分析的發射參數包含發射封包功率、發射訊號的通道響應與每一通道發射的頻譜平坦度、發射通道間的隔離度、發射頻率的差異、每一發射訊號I/Q的不平衡、相位及振幅大小、每一發射訊號的本地振盪洩漏、每一發射訊號的品質亦即發射訊號品質指數(EVM)分析、每一發射訊號與混合的相位雜訊、以互補累積分布函數(CCDF)圖表示每一發射訊號飽和度、封包內功率的變異性、發射訊號的符號時脈偏移量及不同通道發射訊號間的時間對準與資料驗證等。  

詳盡分析PER/發射訊號缺陷  

量測DUT的接收機時，多台的VSG將被同時使用，每一個接收機都連接到對應的VSG，測試程式載入適當的波形檔至各個VSG內，個別設定每一個VSG的射頻訊號功率及共同的射頻頻率；此多台VSG及VSA的測試系統可設定以不間斷循環或使用者指定數量發射載入的波形檔，以VSG所發射的波形可以是使用理想路徑的單機發射訊號、使用多路徑的單機發射訊號或是分別有其多路徑訊號及發射功率的多台發射訊號。如此可量測在真實MIMO及一般WiFi多路徑效應下的接收封包錯誤率(PER)的測試。  

在研發階段測試發射訊號缺陷對接收機靈敏度的影響非常重要，使用多台VSG及VSA測試設備可針對MIMO接收機發射有缺陷的訊號作詳盡分析，例如本地振盪洩漏、I/Q的不平衡、發射訊號的功率飽和、相位雜訊、額外的雜訊影響或載波頻率偏移均可加入於VSG的發射訊號中。大部分的缺陷可被個別設定於每一個VSG發射訊號中。  

以多台VSG及VSA的測試設備，可達到的接收測試項目包括訊號位準或訊號雜訊比(SNR)與PER的相關性、一般WiFi或MIMO多路徑對PER的影響、發射訊號缺陷，例如頻率偏移量、I/Q不平衡、本地振盪洩漏對接收靈敏度的影響、通道占用的偵測功能、接收訊號強度指標(RSSI)接收機接收功率校準及接收機射頻路徑的隔離度等。這些項目應用於設計驗證、偵錯及品保測試檢驗階段，就生產線而言，這樣的測試方案成本昂貴且可能無法滿足投資回收率(ROI)。  

單機VSG/VS/MPTA作動靜態模式  

就生產測試而言，單機VSG及VSA加上訊號合成器及快速開關並非完整的參數特性驗證，主要目的是確認這些生產件被正確的組裝且滿足某些特定的功能測試，即使對於MIMO WLAN的系統也可以類似一般WiFi生產測試使用單機VSG/VSA的組合，首先探討的是單機VSG/VSA架構加上訊號合成器及快速開關的測試，如Litepoint IQflex/IQview加上多埠測試轉接器(MPTA)一樣。為方便討論，本文使用的快速開關及訊號合成器將以MPTA當參考。  

MPTA是由快速開關、每一射頻路徑有一個衰減器(Attenuator)及先進的順序控制器所組成(圖2)。這樣的設定可做靜態架構模式將每一個開關關掉或打開、將每一個衰減器設為特定值；也可以做動態架構模式，將一系列的架構或狀態先定義好，每一個架構有其自己的開關及衰減設定，狀態與狀態間的轉換由先進的MPTA依據訊號的輸入控制。

圖2　IQflex/IQview加上MPTA以測試MIMO待測物。

在發射測試時，MPTA架構為在不同發射機間作動態切換，MPTA一開始接通T×1與VSA的訊號，封包的起始點將觸發VSA的抓取流程，一旦預設的資料量由T×1被抓取完成，VSA即停止抓取且MPTA切換至T×2，下一個封包將再次觸發VSA的抓取流程，這樣的抓取及開關流程將持續進行直到預設好的取樣點數寫入抓取記憶中為止。  

由於切換動作是由射頻訊號控制，相較於IQnxn的系統而言，抓取MIMO訊號所用的額外時間只是經過兩個發射封包而不是一個，而訊號處理及分析所需時間與多台VSG及VSA相同。  

對於發射測試，VSA將循序抓取的訊號作為MIMO訊號，即使這些抓取是來自不同次的發射而非來自同一時間的抓取，如同多台VSG及VSA系統一樣，大部分以多台VSG及VSA測試系統所做的發射測試可經由單機VSG及VSA加上訊號合成器及快速開關的測試系統完成，特別是發射訊號品質指數、功率放大器飽和度及隔離度是由射頻通道計算。然而這兩種方法仍有一些差異性，即使經由很好的MIMO發射訊號品質指數計算每一發射機的品質，如果射頻通道隔離度很差，發射訊號品質指數的計算也將會受此限制影響；若是連續的封包間的封包資料是固定的，發射訊號品質指數的計算則不受此較差隔離度的限制。  

另外，MIMO發射訊號品質指數的計算也須能針對每個發射機作相位的追蹤預測，並且能以相同的相位預估方式應用於所有的發射機。這些系統量測的方法並無法像IQnxn的應用廣泛，然而這樣的系統卻可提供生產線極佳的測試應用。這樣的測試無法支援的應用包含封包所載資料無法被還原、不同發射通道間的動態關係無法被分析、不同發射機間的封包在時域上的對正也無法測量。MPTA可架構同時接收來自多個發射機的訊號，這模式將於只用訊號合成器的章節作詳細說明。  

在接收測試時，單機VSG及VSA設備加上訊號合成器及快速開關可產生單機發射訊號，這訊號可以是一般WiFi或一個資料流的MIMO訊號，而且這訊號可提供給個別接收機或所有接收機。當VSG訊號依序給單機接收機時，DUT的RSSI值可用來量測射頻通道的隔離度。  

動靜態模式測試PER/DUT靈敏度  

有兩種測試接收機的PER或靈敏度的模式，其一是將開關設定為靜態模式，在此狀態下的VSG訊號逐一發射給一個接收機而不須要啟動或關閉待測物的接收機，而每一個接收機的靈敏度可以被單獨地測試，如此也可測試接收通道的隔離度。此外，最大比例合成(Maximum Ratio Combining, MRC)改善靈敏度的功能也可藉由將VSG訊號同時送到所有的接收機驗證，靈敏度的改善測試也驗證MIMO訊號處理的核心部分，DUT的驅動程式須能回報接收到的封包錯誤的個數或者是封包沒錯誤的個數。  

另一種更廣泛應用的模式，則是將發射與接收切換，以測試接收機的PER及DUT的靈敏度，在此模式下，開關被架構為量測接收機送出的確認封包(ACKs)，這些確認封包只有當封包沒有錯誤時才會被送出，如此PER可在衰減器不同的設定下及不同接收機的架構下，例如打開一、二、三或四個接收機測試PER。  

在不同訊號強度且在任意接收機組合下皆可準確量測PER。這整個流程可由開關/衰減器的組合自動化完成。測試軟體定義測試程序且以此唯一的程序開始測試，而後以MPTA將此程序自動化，不只是驗證Tx/Rx的切換功能及MRC靈敏度的改善，也不會因多重控制及DUT軟體互動而造成時間的影響。  

低成本單機VSG/VSA加上訊號分流和合成器  

在此架構下，是以被動元件訊號分流器或訊號合成器取代圖3的訊號合成器及快速開關的架構，這是最低成本的MIMO測試方案又可達到很好的MIMO生產測試。

圖3　單機IQflex加上訊號合成器以測試MIMO待測物。

來自不同的發射機訊號經過訊號合成器而加總在一起並進行發射測試分析，IQsignal分析軟體從一般WiFi或MIMO的前導訊號(Preamble)而得到，對所有發射機而言，是共同的發射訊號特性，例如包含載波頻率在封包起始時的動態變化、前導訊號結束時的頻率偏移量，其他的發射訊號特性可以由個別發射機的MIMO前導訊號而獲得，例如發射功率、I/Q不平衡及頻譜平坦度；整體發射機品質指標是經由MIMO前導訊號而得到通道響應的預測並進而得到理想的多發射機合成訊號，再與實際抓取波形作比較分析而得到發射訊號品質指數，這樣量測的先決條件是封包資料內容為已知，然而發射機的攪亂器(Scrambler)在封包與封包間是允許可變動的，因為其初始狀態可由分析軟體而得知。

任何一路發射缺陷導致訊號品質低於其下限值，將使總成的發射訊號品質指數變差，這樣的缺陷包含功率飽和度以及I/Q不平衡，相較於單機VSG及VSA加上訊號合成器及快速開關，此系統無法量測射頻通道的隔離度，也無法確認缺陷是由任一通道的影響狀況。若是產品組裝確實可達20dB的隔離度，射頻通道隔離度就不是重要因素，一般是以20dB作為提供好的MIMO特性所須具備的隔離度標準。  

對於接收測試，相同的訊號將發射至待測物的所有接收機，若是待測物只啟用單機的接收機則可測到單機接收機的靈敏度，若是所有的接收機同時啟用，則因MRC的靈敏度改善而可驗證到MIMO待測物訊號處理的功能。  

在單機VSG及VSA設備再加上訊號合成器架構，發射機及接收機可在MIMO模式下測試，不但提供測試各種參數品質，測試時間合理且成本也便宜。而此方法缺點是須已知封包資料以執行MIMO發射測試，而且並無法提供射頻通道間的隔離度測試。  

單機VSG/VSA加快速開關需較長測試時間  

在此架構下(圖4)，MPTA直接以一個開關取代，而不須使用訊號合成器。類似的架構在ODM廠曾使用Litepoint IQflex及射頻開關加上由測試程式直接控制的開關控制電路。

圖4　單機IQflex加上快速開關但是沒有訊號合成器以測試MIMO DUT

在發射測試上，這樣的架構並無法驗證所有的發射機發射時間的對應特性，與單機VSG/VSA及訊號合成器加快速開關的架構相比之下的主要差異是在接收機測試。對照MPTA，這樣的架構無法將VSG訊號同時提供所有的接收機，因此缺乏驗證待測物MIMO接收機的MRC功能。  

這樣的架構若由市售零件組合，在量測RX的PER時，並無法用於Tx/Rx的切換，且需要較長的測試時間，因為切換控制須由測試軟體執行。特別是準確的接收機靈敏度測試在生產測試時速度更慢。  

相較於訊號合成器架構，這樣架構優點是射頻通道的隔離度是可測試，而相較於MPTA的方式，接收測試的功能則較受限。表1列出量測的參數以及每一個測試方案的能力。

表1　每一種測試架構的能力比較

(本文作者任職於Litepoint)