MIMO-OFDM技術利用多支天線同時發送並接收資料，增加通訊頻寬的應用效益，但是也為產品量測帶來新挑戰。在研發設計端，針對MIMO的量測儀器必須考量不同VSA及VSG之間的訊號同步性，系統EVM的要求更嚴格。在生產線端，若能以接近於802.11a/b/g的測試成本，來完成複雜的MIMO測試，將有助於降低成本。
MIMO-OFDM技術利用多支天線同時發送並接收資料，增加通訊頻寬的應用效益，但是也為產品量測帶來新挑戰。在研發設計端，針對MIMO的量測儀器必須考量不同VSA及VSG之間的訊號同步性，系統EVM的要求更嚴格。在生產線端，若能以接近於802.11a/b/g的測試成本，來完成複雜的MIMO測試，將有助於降低成本。
無線網路通訊應用日趨普及，對於通訊覆蓋率以及資料傳輸速率的要求也不斷提升，自從802.11n聯合提案小組決定採用EWC規格後，802.11n市場更趨明朗，國內外各晶片廠商與系統生產廠商無不加緊腳步，期望能在最新802.11n產品拔得頭籌。
在無線訊號的交鏈中，射頻訊號自發射機至空中不同路徑的反射，而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，以及隨時強弱不均的頻率響應，影響通訊品質甚大。而MIMO-OFDM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，並可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，同時在多支天線接收解調，將資料傳輸速率提升至數百Mbit/s。
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，但是隨著市場競爭與普及化，生產廠商也已面對降低成本的壓力。MIMO技術對於許多晶片商、系統生產商，以及品牌供應商都存在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，莫不期待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。
標準的802.11a/b/g系統，在無線的交鏈上使用一支發射天線與一支接收天線，面對環境造成的多重反射效應，往往使得資料無法維持高速傳送。後來出現使用天線波束集中(Beam-forming)與智慧型天線技術，用以改善通訊覆蓋率及資料傳輸率，但這些通訊架構並非本文探討的真正MIMO技術。
真正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，同時送出不同資料[Tx1, Tx2, …Txn]，在接收端則每支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量。
(1)
Rx1=h11Tx1+h12Tx2+…h1nTxn
Rx2=h21Tx1+h22Tx2+…h2nTxn
:
Rxm=hm1Tx1+hm2Tx2+…hmnTxn
若以矩陣式表示則為：
(2)
[Rx]=[H][Tx]
[H]表示為MIMO的通道轉換矩陣
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：
(3)
[Tx]=[H]-1[Rx]
由於經過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發射機與接收機之間的通道特性是不變的，則通道轉換矩陣[H]決定了此封包的通道交鏈特性。按照此原理，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。
在數位通訊應用上，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，基頻訊號被分為同相成分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，以及相位及群延遲的不平衡，都將直接影響到調變準確性。其他例如載波頻率準確度、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等，也將影響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定性地看出，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)也是一個潛在影響因素，這些因素將直接影響推導通道轉換矩陣的準確性。
在MIMO產品設計上，有許多因素會造成這些問題，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。
為了分析這些設計上的問題，應使用向量訊號分析儀(VSA)對於發射訊號的EVM、符號星座圖、發射功率、頻率遮罩、以及通道耦合提供最有效且精準的分析。
特別針對MIMO量測分析而設計的儀器設備，必須特別考量不同VSA及VSG之間的訊號同步性，系統EVM的要求也比802.11a/b/g還要低。同時為了符合增強無線聯盟(EWC)制訂的MIMO通道要求，測試設備也必須支援20MHz及40MHz頻寬。而先進數位訊號處理(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也分別可知。本文以量測儀器業者Litepoint的MIMO測試系統IQnxn為例(圖2)詳述如下。
圖3顯示的MIMO訊號是兩組資料串，以20MHz頻寬，5/6編碼率，構成130Mbit/s的整體資料傳輸率，測試系統擷取一組完整的MIMO封包來做分析。圖3上半部表示發射訊號在時間軸上看到的封包波形。
圖4是發射訊號的頻譜遮罩圖，兩路資料串都可分別被分析，功率頻譜應低於頻譜遮罩，以避免發生相鄰通道干擾。
圖3左下部分代表通道頻譜響應，圖中於-20dB處有一藍色虛線，代表資料串由1號資料路徑耦合至2號資料路徑，有-20dB的耦合量。因為射頻訊號是直接由訊號線連接，所以此耦合量主要由待測物的路徑耦合而來，這同時也代表待測物兩個路徑之間的隔離度。作此項分析時，待測物應設定為直接對應(Direct Map)模式。
圖3右下部分代表符號星座圖，一個訊號品質良好的星座圖，其每一個符號取樣點應該都很集中，且接近理想符號中心。相對地，如果符號取樣點愈分散，則符號之間的鑑別率愈低，訊號品質也愈差。有經驗的設計人員可從符號星座圖的分布，看出I/Q的振幅或相位不平衡，相位雜訊等現象。
在星座圖Q座標軸上有兩組綠色點分布兩邊，這是因為在OFDM的次載波(Subcarriers)中有4個前導載波(Pilot Tones)是BPSK調變所致。這些前導載波是作為封包中資料列的振幅相位參考指標，在解碼時用以克服並修正因通道環境所造成的頻率響應。另外64組黑色點是代表OFDM的52個資料次載波上所載的符號資料。
圖5代表MIMO兩路資料串分別的相位雜訊分析，相位雜訊直接影響到發射訊號的調變品質與EVM。相位雜訊一般在基頻訊號與本地振盪器(LO)混波後，上載至射頻時發生，LO相位雜訊在頻率合成器中主要有三個來源，第一個來源是參考晶體振盪器的穩定性，第二個來源是應用於鎖相迴路(PLL)的壓控振盪器(VCO)的穩定性，第三個來源則是來自頻率合成器中鎖相迴路的雜訊。因為相位雜訊而導致EVM不佳時，由符號星座圖可看出各星座點對座標中心有圍繞成圓弧狀的現象。
圖3右半部分別列出幾項重要分析數據，包含待測物天線的發射平均功率與瞬間最大功率，其次是經數位訊號處理解出通道轉換矩陣之後，而對每一路資料串的分析。針對這每一路資料串分別列出其EVM，以及每一資料串分別由第一支天線及第二支天線發射之功率、I/Q的振幅以及相位的不平衡。
對於發射封包的特性、資料傳輸速率、載波頻率偏移量、符號時脈偏移率、相位雜訊、封包中的符號總數、實體層數據訊息(PSDU)的誤碼檢查，以及總位元數也都解析出來。對於封包解調後的數位資料，也可另外存檔參考。
在射頻通訊系統中另一項很重要的因素，是射頻功率放大器的工作點。要達到功率放大器的最大效能，就要讓工作點接近，但不超過飽和點。當操作點超過飽和點時，功率放大器的放大倍率會受壓抑，所以若操作在飽和區，則放大器的非線性效應將帶來許多不良影響，例如諧波失真、互調失真、旁波瓣頻譜上升、訊號調變失真等。
在MIMO-OFDM的射頻設計，一般從功率放大器的飽和點向下，須保留較大的線性空間，因為其瞬間最大功率相對於平均功率約有10dB差異。而當符號星座圖有分散現象且造成EVM變差時，設計人員應先判斷是否有此問題，否則將因此無法看清其他因素，而造成EVM的影響。
另外值得注意的一點，真正MIMO的操作是幾路射頻放大器同時啟用，此時電路板會瞬間被抽出很大電流，頻率合成器將瞬間受影響，導致頻率明顯抖動，鎖相回路設計應快速將頻率鎖回穩定頻率值。在測試時，若只啟用其中一路放大器，則電流變動較小，未必可測試出這種現象，所以要注意，作發射測試時，應該將所有射頻放大器同時開啟，如此在測試上較有意義。
圖6為IQnxn測試設備提供的向量訊號產生器(VSG)操作軟體，可模擬真正MIMO同步訊號，來測試產品的接收能力，研發人員可依照EWC訂定的各種不同調變編碼組合、封包結構，與空間矩陣來設定相關參數，並可模擬不同通道模型。
就MIMO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、軟體撰寫容易等條件。以傳統的量測方式應用於MIMO，若是發射天線一路一路測試，一般而言，整體測試時間約需3～5分鐘，且無法提供EVM等相關量測結果。
目前已有儀器廠商提供新的測量方式，例如Litepoint將兩路獨立發射資料串混合進入一台向量訊號分析儀(VSA)及向量訊號產生器(VSG)，並採用數位訊號處理技術執行所有發射訊號總成(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約可縮減為1分鐘完成(圖7)。雖然當待測物被判定為失效時，未必知道是哪一路資料串失效，但是對於生產測試而言，不但可判斷待測物是好是壞，且可在較短時間內測試完畢，並降低生產測試成本。
MIMO-OFDM技術提升了WiFi通訊的資料傳輸率及通訊距離，在頻域、時域及調變品質上，若能進行快速且精準的測試，可大幅縮短MIMO產品開發時間，提升產品性能，也增加設計生產廠商的利潤。傳統測試設備並無法提供多組發射及接收通道的同步性，以執行真正MIMO的測試，新的多通道同步VSA及VSG的測試解決方案，則能縮短測試時間，並提供較完整的測試功能。
針對MIMO生產線的測試方案，內含VSA及VSG的測試設備，能進行總成的參數量測，以簡化MIMO測試程序，以接近於802.11a/b/g產品的測試成本，來完成複雜的MIMO產品生產測試，使MIMO產品能迅速普及，讓消費者能以低廉價格體驗MIMO高速無線網路。