相較於802.11a/b/g而言，802.11n MIMO產品的特性分析複雜許多，尤其是待測物在面對真實環境中的多通道惡劣環境，及跨通道相關性效應的分析更形重要。晶片設計、系統研發到品牌廠商均可透過測試設備獲得完整的IEEE各種MIMO通道模型，以利於設計驗證及產品特性比較，並將原本需數天才能完成的DVT測試於短短數小時內完成，大幅縮短研發時間。
相較於802.11a/b/g而言，802.11n MIMO產品的特性分析複雜許多，尤其是待測物在面對真實環境中的多通道惡劣環境，及跨通道相關性效應的分析更形重要。晶片設計、系統研發到品牌廠商均可透過測試設備獲得完整的IEEE各種MIMO通道模型，以利於設計驗證及產品特性比較，並將原本需數天才能完成的DVT測試於短短數小時內完成，大幅縮短研發時間。
隨著無線區域網路(WLAN, WiFi)應用普及化，對於通訊覆蓋率以及資料傳輸速率的要求也不斷地提升，自從802.11n聯合提案小組決定採用EWC規格，且各大晶片設計廠商也對相容性問題共商解決方案後，802.11n市場更趨明朗，相信在整合無線區域網路的應用更趨廣泛與成熟後，802.11n商品的需求也將大幅成長。
在無線訊號的交鏈中，射頻訊號自發射、經空中不同路徑而反射，並分別到達接收機天線端，這種多路徑反射效應對於傳統的通訊射頻訊號造成相互干擾，且隨時空變化的不同頻率響應，影響通訊品質甚大。而MIMO-OFDM的技術，不但對於多路徑訊號利用先進的數位訊號處理技術加以克服，並增加通訊頻寬的應用效益，利用多支天線同時發送不同資料，並同時於多支天線接收解調，將資料傳輸速率提升至數百Mbit/s。
因此各種通道空間效應對多重輸入多重輸出(Multiple Input Multiple Output, MIMO)產品的影響，一直困擾晶片設計廠商與系統產品研發人員。如何有效分析通道空間特性對無線產品的效能影響，也成為研發人員共同討論的議題。
近來，許多運用MIMO技術的無線網路產品相繼問世，雖然產品價格相對於802.11a/b/g仍高，但是隨著市場的競爭及普及化，生產廠商也很快面對降低生產成本的壓力。MIMO的新技術對於許多晶片商、系統生產廠商，以及品牌供應商都存在著設計驗證及生產階段的測試困擾，尤其是在網路實體層方面的測試應用，應有快速精準且低成本的測試設備來協助改善MIMO產品的系統效能。
MIMO提高訊號覆蓋範圍及傳輸速率
802.11n是802.11a/b/g標準技術的延伸，為了提高訊號覆蓋率及傳輸速率，將最新的MIMO技術導入而形成目前的802.11n標準。 MIMO系統使用多發射天線及多接收天線(圖1)，不同天線在同樣的通訊通道上同時送出不同的資料[Tx1;Tx2;…Txn]，在接收端則每根天線接收由發射端送出經空中而合成的訊號[Rx1;Rx2;…Rxm]，其中m及n分別表示接收天線及發射天線數。
若以矩陣式表示則為：
為了在接收端能還原發射端的資料串[Tx]，MIMO系統解碼器必須利用封包前導(Preamble)預估並解出通道轉換矩陣[H]，如此則[Tx]可被還原如下：
由於經空間多天線混合接收使得通道轉換矩陣[H]得以被解出，假設在一個MIMO封包的傳輸過程中，MIMO發射機與接收機間的通道特性不變，則通道轉換矩陣[H]決定此封包的通道交鏈特性。依此原理，MIMO系統可在不增加占用頻寬之下同時傳送不同的發射資料串，而得以大幅增加資料傳輸率。
理論上，可以簡單的空間矩陣來解釋MIMO的主要概念，但就驗證測試的角度來說，卻面臨諸多挑戰。例如晶片設計者思考如何設計最佳化的數位訊號演繹來提升抗惡劣環境的能力，提高發射訊號的純度；產品系統設計人員如何挑選最佳的晶片方案，以最快速、成本最低廉的方式提供特性最好的產品給品牌廠商；而品牌廠商更須站在客戶實際應用的立場上，找出在任何環境中傳輸率最高、訊號覆蓋率最好且價格最有競爭力的產品。就測試的角度而言，可看出幾項重要的條件：第一、客觀的802.11n通道模擬設備以驗證產品的真實應用效能；第二、足以涵蓋研發人員驗證需求的MIMO功能測試設備，提供快速自動化的量測與分析；第三、設備測試準確快速、成本低廉，以符合生產線需求。
MIMO通道模擬
802.11n通道模擬器必須具備幾個重點，即極低的訊號延遲、高動態範圍、接收及發射射頻介面高隔離度，以及特殊數位訊號處理，並且以大於40MHz的頻寬在2.4GHz及5GHz的頻段範圍支援所有802.11所需的操作模擬環境。所有接收及發射的接頭都應具自動切換及各通道獨自增益控制的全雙向功能。
以美商Litepoint所推出的TrueChannelTM Emulator為例，可以圖形化操作介面執行系統設定，完成設定後系統即自動生效啟用，並提供C++或MATLAB相容的完整API，以完成自動化控制。透過這些介面，使用者可任意定義通道模型的特性，包含MIMO通用的TGn通道模型A～F或使用者自定的模型。個別通道的衰減可依不同的路徑規畫而設定，通道模型可在任何時候於封包發射時動態修改來模擬環境的變化，且可以很平順地於不同模型間改變。
MIMO通道模擬器應可測試高達4×4 MIMO產品或單進單出的無線產品，提供高精準的多通道環境模擬。可進一步比較在相同通道環境下不同產品的特性及功能表現。在無線網路晶片或成品的研究開發及驗證，為確認待測物的硬體設計及演算功能，提供客觀的環境通道標準，對於待測物在面對多通道惡劣環境及跨通道相關性效應，其演算法則及抗複雜環境能力的改善有很大的助益。
利用TrueChannel Emulator的測試架構(圖2)載入任意的通道模型，提供封包錯誤率(PER)及最佳資料傳輸率(Throughput)測試。
要執行PER分析時，如圖2左下示意圖，需要精準的MIMO訊號源並依據IEEE 802.11n規範送出封包，另一端接收機透過驅動程式以接收封包解調並紀錄收到的正確封包數，而通道空間則以TrueChannel Emulator加入任意預設的通道缺陷條件，精確地控制輸入接收機的訊號大小以改變訊號雜訊比(SNR)，即可得到分析圖(圖3)，以通道B-NLOS 模型為例，待測物接收機在低於30dB SNR時，實際接收機靈敏度特性與理論模擬值相近，但高於30dB SNR時，將因接收機的雜訊限制PER的特性。
為了驗證不同環境的最佳資料傳輸率測試，研發設計人員不再須要奔波於實地環境進行各項實測，配合TrueChannel Emulator的IEEE通道模型，有共同的通道標準且環境變因控制穩定，在很短的時間、很小的實驗空間便可完成各種不同環境的特性驗證。
以TrueChannel Emulator執行最佳資料傳輸率測試之架構圖請參考圖2的右上圖，使用Chariot通訊軟體於IP層，模擬器(Emulator)可動態變化各種通道條件，接取點(Access Point, AP)與用戶卡(Client Card)端透過軟體於TCP/IP層作封包互傳，便可完成相關分析圖形。參考圖4，以兩路資料串流的待測物為例，理論上可達最高實體層傳輸率為 300Mbit/s，但在不同的較高網路層加入額外的位元資料進而限制真實TCP的封包傳輸率，使實際封包傳輸率降至約150Mbit/s。於圖4的前兩圖中，僅用射頻訊號線連接於接取點及用戶端，並將模擬器設為理想通道，近似於直接以射頻訊號線相連接，因此可看出平均值非常相近。其他幾張圖則說明不同通道模型對最佳資料傳輸率的影響。
一般多路徑環境訊號衰減相對於兩待測物間可表示為：
其中，d是兩待測物間距離，dBP代表斷點距離(Break Point Distance)在A、B、C模型為5公尺，D模型為10公尺，f是訊號射頻，c是光速；在理想的自由空間中以式子中第一項為考量即可。所以10公尺約有65dB衰減，20公尺則約75dB衰減。
從以通道C或D模型模擬大辦公室環境，而所作的最佳資料傳輸率測試，可以看出，在相距40公尺時，最佳資料傳輸率約僅10Mbit/s，當距離靠近時，最佳資料傳輸率則有明顯的改善，研發人員可清楚地控制各項變因，以改善產品的特性。
自從802.11n MIMO產品問世，MIMO真實通道模擬器的需求也愈趨重要，不但縮短研發時程，提供客觀的產品特性評估環境，諸多的分析功能更讓廠商得以在最短的時間內，將特性最佳的產品搶先上市，並掌握先機。
縮短DVT驗證時間
在數位通訊的應用上，調變訊號的品質好壞，在向量I/Q平面上可得到清楚的分析，基頻訊號被分為相同成分I及相差90度相位成分Q。就發射端而言，基頻 I/Q成分在中頻混波後直接被上載至射頻，再經訊號放大而透過天線發射出去。就接收端而言，射頻訊號經天線接收，降頻並經I/Q解調轉換成基頻I/Q成分。在這過程中，許多因素直接影響到訊號品質。I訊號及Q訊號路徑造成的振幅、相位及群延遲的不平衡將直接影響到調變準確性。其他像載波頻率準確度、相位雜訊、本地振盪器(LO)洩漏、突波干擾，以及射頻放大器的飽和現象都將影響到MIMO系統的性能。這些因素也是MIMO主要探討的分析參數，其整合性指標可由I/Q平面上的符號星座圖看出，而量化性指標即為誤差向量幅度(EVM)；另外在通道間的耦合(Channel Coupling)也是一個潛在影響的問題，而這些因素將直接影響到推導通道轉換矩陣的準確性。
在MIMO產品設計上有哪些因素會造成這些問題呢？例如基頻及射頻不同資料串積體電路的差異、元件的公差、傳輸線的阻抗不匹配、在I/Q路徑上電路基板寄生電容及電感的差異，以及射頻放大器的非線性效應等。
802.11n MIMO測試設備比802.11a/b/g既有的量測設備要求更精確，需要多通道同步抓取天線訊號，高隔離度的通道規格以測量待測物通道間的耦合效應，測試設備也應當可支援20MHz及40MHz的頻寬，先進數位訊號處理器(DSP)的演算則在軟體上扮演非常重要的角色，由於通道轉換矩陣可被演算出來，所以每一路資料串的相關重要參數分別可被解析，實體層服務協議資料單元(PHY Service Data Unit, PSDU)也可被解碼儲存。
研發人員所面對的第一步將是一系列複雜且繁瑣的測試分析，當產品問世前往往要經過非常詳細的設計驗證測試(Design Verification Testing, DVT)，這是WiFi實體層的發射及接收測試，包含所有的載波通道、資料傳輸率、通道頻寬、單一資料串流及多資料串流特性，量測參數包括發射功率、誤差向量幅度(EVM)、頻率偏移量、頻譜遮罩、接收PER以及掃描PER功率轉折點。
以Litepoint IQnxn MIMO測試系統為例(圖5)。配合向量訊號分析儀(VSA)及向量訊號產生器(VSG)軟體操作，可以手動操作完成以上研發驗證的需求。然而，要完成一個待測物完整的DVT測試約超過上千項的測試，將耗費數天的時間，往往對研發人員造成莫大的時間壓力，此時自動化軟體便成為縮短研發時間的最佳利器，可將數天的DVT驗證時間縮短為數小時完成，同時提供各種數據分析。
圖6為配合IQnxn MIMO測試系統執行DVT的幾個分析範例，可看出對不同的資料串流分析EVM對輸出功率的關係，EVM對不同調變編碼(MCS)的特性，不同接收天線 PER對輸入功率的掃描曲線，最小靈敏度功率對不同調變編碼的關係。這些重要的分析均可在短時間內取得，有助於產品改良與性能提升。
降低生產測試成本
就生產線而言，除了要求測試精準之外，同時須考量其他因素，包含測試系統架設單純、系統成本低、測試速度快及軟體撰寫容易等條件。
理論上，分析MIMO各資料串流的特性必須能解出通道空間矩陣，如此接收天線數必須大於或等於發射天線數，因此必須要多通道設備(多台VSA及VSG)才能測試，但設備成本卻是802.11a/b/g設備的數倍。
Litepoint以最新的測量方式，如圖7之測試架構，將兩路獨立的發射資料串混合進入一台VSA及VSG，並採用先進的數位訊號處理技術做所有發射訊號總成(Composite)的參數分析，如此可在一次的訊號抓取完成總成的EVM、頻譜遮罩、載波頻率偏移、各資料串分別的輸出功率，以及接收感度等參數分析，生產線整體測試時間也可以大幅縮減。雖然當待測物被判定失效時，無法知道是哪一路資料串失效，但對於生產測試而言，不但能判斷待測物的好壞，還可以在很短的時間內測試完畢，大幅降低生產測試成本。