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无线通信系统愈来愈普及，加上新型态的应用（如数字串流视频）不断推出，使得市场对传输速率（throughput）更高或涵盖范围更广之无线电系统的需求也持续增加。在某种程度内，使用更复杂的调变格式，如正交分频多工（OFDM）和64 QAM，就可以满足这样的需求，但进一步推升的脚步未曾停歇。改变可用频谱的使用方式有几种方法，谁知道是哪几种吗？
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5个回答
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超宽频（UWB）是一种可以提高传输速率的做法，另一种则是称为多重输入多重输出（MIMO）的射频技术。
相较于单一通道的技术，MIMO射频技术可以充分利用每一个发射器和接收器输入端之间的路径差异，发挥所佔用之RF频宽的更大效益。如果说传统的单一通道无线电系统在发射器和接收器之间产生的是单一条“管路”的话，那么MIMO无线电系统的目标就是要产生多条管路，其做法是先就发射器到接收器之间的路径产生一个数学模型，然后解出所得到的方程式。如果这些管路可以完全分开，那么通道的容量就可以随着更多发射-接收链的加入而线性增加。具有更大容量的通道不一定只能用来以更高的速率传送资料，如果同一笔使用者资料是透过所有的管路一起传送，就可以增加路径的分集性（path diversity），进而提高资料成功还原的机率。这种方法非常适合工作于5 GHz 的WLAN 应用採用，因为该频段的频谱使用率偏低，不过，操作范围可能会受到限制。使用5GHz 的MIMO 可以提供更充分运用此一不需申请执照之通信频段的途径，也是IEEE 802.11n 规格的重点之一。 IEEE 802.11n 无线区域网路规格的制订目标是要提高使用者的资料速率达100Mbps 以上，制订完成后将会包含一些选项， 可以将速率延伸到远高于100Mbps。传输速率的提高要归功于几项改变的成果，包括资料封包的传送方式，以及使用一些复杂的射频技术，这一点会需要搭配高性能的RF 硬件才能做到。 IEEE 并非是唯一对发展MIMO 射频技术感兴趣的组织。在欧洲，Marquis 计画正在发展先进的技术，而蜂巢式通信规格（如HSDPA）也开始加入一些延伸规格，以具备多重通道传输的能力。Wireless Gigabit with Advanced Multimedia Support（WIGWAM）计画所要追求的正是1 Gbps 的传输速率。 无论是个别的无线通信装置，或是即将被开发出来的许多不同的设计之间，若要确保其运作的正常及相容互通，测试都将扮演非常重要的角色。本文将简单地说明MIMO的基本运作原理，然后探讨需要进行的各项测试，其中有些是普遍适用的，有些则特别针对802.11n规格。 如何达到100 Mbps的传输速率 一些信令协定（signaling protocol）的改变以及加入多重通道的射频传输技术，将可以大幅提高WLAN 系统的效能。众所皆知，现有WLAN OFDM 技术（如IEEE 802.11a）的最高资料速率并不能反映出使用者实际可以享有的资料传输速率。如图1 所示，资料速率指的是封包的实体资料段（payload）中的编码位元，实际上，有相当多的时间并不是以这个速率传送资料，因此，最高的资料传输速率通常只能达到最高资料速率的30 至40% 而已。为了解决封包传送机制中会增加的传输负担问题，需要在媒体存取控制（MAC）层做一些修改，例如，将数个封包合起来传送，使得资料传送週期的间隔能缩到最小，并透过区块确认（Block Acknowledgement），减少确认封包的数目。 另一种方法是将实体资料的长度拉到最大。实务上，射频通信环境对于可以连续传送多长的资料会有所限制，这是因为发射器和接收器之间的路径经常在改变，针对一个特别的状况调整好之后，该状况可能也只能维持几毫秒的时间而已。同时传送多个个别的封包，每个封包都包含部分的表头（header）资讯，也是另一种可以满足大部分需求的可能性。少量地增加OFDM 次载波的数目、将OFDM 保护区间（guard interval）减半、或是减少导引次载波（pilot sub-carrier）的数目，都是值得尝试的改良方法，实做出来将可以提高传输速率，又不会对通道的频宽造成不利的影响。为了支援MAC 层和实体层的改变，也提出了一些新的协定管理封包，可能也会推出（RIFS）等方法。 图1：简化的WLAN OFDM 封包时序。 改良封包结构之后，可以思考射频通信效能的改善之道，共有三种可行的方式，通道容量的标准方程式指出了其中两种： 其中 C＝通道容量（位元数/秒）、B＝佔用的频宽、ρ＝信号/噪音比（SNR）（线性的比值，而非dB） 方程式一：单一通道容量的表示式 增加佔用的频宽或改善信号/噪音（S/N）比可以提高通道的容量。 首先，如果以更快的速率，将资料调变到RF 载波上，就能以更快的速度传送资料，但也会即刻增加佔用的频宽。某些WLAN装置中已经使用了这种方法，可以将发射器基频的时脉速率加倍。这个想法经过修改后将成为802.11n 装置的选项，其缺点是有些频谱管理机构禁止这样做。如果有一些不同代的无线网路基地台（Access Point）各自独立地运作时，在此情况下可能不会以最有效的方式分配频谱的容量。 第二种方法是改善信号/噪音比，以使用较复杂的调变格式。原则上，从目前的64QAM 改为256 QAM 可以大幅提高传输率，而且不会增加佔用的频宽。但实务上，不论是改善接收器的信号/噪音比或是产生256 QAM 的信号都有其困难度。使用多个接收器和运用分集的概念是值得尝试的SNR 改善方法，但处理256 QAM 信号所要求的硬件效能会需要增加额外的成本。即使能够充分地改善S/N 比，最多也只能以对数的比例提高传输率。未来IC 技术的效能或许可以进行更复杂的调变，不过目前还可以藉由运用MIMO 技术，採取第三种方法来增加容量。 多重通道的无线电系统与空间资料串流（spatial stream）－MIMO 正在使用或考虑要使用的“智能型天线”和多重通道技术有很多种，因此有必要先确立所使用的术语是相同的。如果一个无线电系统在发射端和接收端使用的天线都不止一组，它或许具有多重通道的能力，但不表示它採用的是空间多工（spatial division multiplexing）的方法。输入和输出无线电通道的数目决定了它是哪一种的无线电系统，MIMO指的是：要使用两个或多个通道的输入端和通道的输出端，请参见图2。而且，需要採用空间多工法，才能提供方程式二所描述的增加容量的好处。 [ 图2：无线电技术是依据所使用的通道类型来定义的。 IEEE 802.11n 工作小组已转向于制订更先进的无线电系统，称为多重输入多重输出或MIMO。这项技术可以让我们并行地送出资料串流，概念上有点像是使用缆线而非无线电。之所以能够这么做的理由是因为：两支天线间的典型WLAN 射频路径特性有一大部分会取决于天线放置的位置，如果将天线移动几公分（半个波长），就需要使用不同的系数来定义新路径的方程式。这样的差异可以用数学的方式将信号分开来，于是兴起了（spatial separation）和（spatial streams of data）串流的概念，并藉由实际上分隔开来的不同组天线来实现。 如果同时从一些天线发射信号会得到一连串的方程式，描述合在一起的路径之间的通道长什么样子。一旦掌握了通道的传输特性，就可以明瞭一起传送出去的资料在通往接收天线的途中，是如何合在一起的。数学上，由方程式二的总和符号可以看出，容量会随着发射-接收链的数目N 增加而线性增加。若要实现这样的效果，同一个信号必须同时使用每一个发射-接收链。它是方程式一的延伸，而且多了一个新的变数 其中，，N＝独立的发射-接收链数目、 ＝ 无线电通道矩阵H 的单数值 |
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方程式二：MIMO 容量的表示式
它看起来且实际上也比传统的无线电系统复杂，但最大的好处是不需使宽，也不需具备更佳的信号/噪音比，就能够以高出很多的速率传送资料。以一个方形矩阵A 来说，其单数值是AHA 特征值的方根，其中AH 是A 的共轭转置（Hermetian）。最简单的方法就是把单数值想成可以用来衡量空间通道有多强及分离度有多好的基准，而最理想的MIMO 通道特性是单数值够高且大小相等。找出通道系数的方法有几种，请参考图3，最简单的一种就是在T0 和T1 发射一对已知的不同信号，然后量测出现在R0 和R1 的信号。这是一个（non-blind）的已知通道粹取例子，系统运作的（training period）与用来传送使用者资料的时间是截然不同的。这是针对802.11n 的运作所提出的方法，也是802.11a 中所使用之多频（multitone）通道估测法的延伸。在图3 中，T0 和T1 代表透过无线电通道传送的信号，范例中的系数指的是通往R0和R1 接收天线的途中，所出现与频率无关的路径损耗及交互耦合。 图3：更加简化的2*2 MIMO 通道范例，有助于解开一些MIMO 运作的奥秘。 这些系数显然不能代表一个真实的通道，但其目的是要告诉我们如何利用接收到的信号R0 和R1，计算出通道的系数。至此，不妨思考看看MIMO 技术是否能够在所有的通道条件下，提供扩增容量的效果，答案是：否，透过前一个简化的范例，大致可以瞭解箇中的原因。在图3 的范例中，通道的单数值分别为0.957 和0.815，算是相当良好的MIMO 通道，因为两个值的比将近1（1.17）。由表1 可以看出，当其中一个通讯连结的系数改变的时候，会出现什么样的变化。如果耦合的系数和直接的系数在数值上差不多，则相位差会变得非常重要。 表1：通道系数改变时，单数值会出现的变化。 通道估测的准确度攸关着信号还原的准确度。造成品质降低的原因有很多种，包括通道中的噪音、失真和量化误差等。为了提醒处理噪音的必要性，可以用一个更完整的表示式来描述图3中接收到的信号： R = H T + n 其中，H 是通道系数的矩阵、n 是噪音因数的矩阵、R 和T 是描述接收到和传送出来之信号的矩阵通道粹取过程中产生的热噪音（thermal noise）和量化噪音（quantization noise）效应对WLAN封包以及射频数字信号处理（DSP）的设计有相当大的影响。另一种看待通道运作的方法如图4 所示。图中的线代表的是R0 和R1 的方程式，线的交叉点则代表我们找出通道系数的准确度有多高。在左上角的图中，可以很清晰地辨别两条线，表示其信号/噪音比很高。而且，这两条线几乎是正交的（彼此呈直角交叉），因此可以非常准确地测定交叉点，表示可以准确地解出通道方程式。在左下角的图中，线就没有那么明显清楚了，表示是一个低信号/噪音比的信号。两条线也几乎呈正交，因此仍然可以相当准确地解出交叉点。在右上角的图中，两条线的角度缩小了很多，因此两条线交叉的区域大幅增加了，使得斜率的估测精确度变差了。 最后，在右下角的图中，加入了更多的线，代表更多的方程式，这是使用更多支天线所产生的。使用更多的线（方程式）有助于提高交叉点位置的部分解析度。 如果反射无法形成传递路径的一部份，则通道系数较有可能是相似的（相互关联的）。keyhole 通道就是一个可能发生这种情形的例子，将这种通道看成是包含了一个小的窗口（开口）会比较容易想像。实务上，其它结构（如金属屋顶线）也可能造成通道路径的差异性降低，导致相同的结果－ MIMO 的容量减少。 图4：MIMO 信号还原的误差大小取决于通道的差异性有多大和噪音有多少，此图中的线代表的是用来计算通道系数的方程式。 ■1.延伸的封包结构 MIMO 通道估测的过程需要延伸802.11a 所使用的前导训练序列（preamble），多出来的训练期间可以让接收装置计算通道的系数。为了建构高传输率的WLAN 封包而提出的一种结构如图5 所示。在丛发信号的资料部份，会将资讯对应到个别的传送通道上。在过程中，会轮换不同天线所使用的次载波。对空间多工（SDM）的运作来说，这其实并非必要的，但可以强化信号的耐受力（robustness）。 图5：经过修改的WLAN 封包可进行MIMO 运作，Greenfield1 或Pure Mode2 封包不需要提供传统的週期（legacy period），因此可以达到更高的传输率。 ■2.通道估测 看起来最容易的MIMO 通道估测法之一是从每一组发射器送出交错的次载波。图6的测试设置方式是其中一种可以粹取通道资讯的方法，由两部信号产生器分别产生相同的1 MHz间隔的多音频信号，其中一部信号产生器的中心频率偏移了500 kHz。呈现在图右边的四组频率响应显示了将不同的路径响应分离开来的结果。训练期间的设计具备了很强的时间关联特性，可以将发射器信号的峰值对平均功率降到最低。在训练序列期间，每一个无线电接收通道的模拟增益控制指的是，只能使用一组设定来量测所有发射器的通道系数。我们只能量测来自不同发射天线之信号的比值，如果差异很大，较弱的信号就会出现量化误差。虽然这个问题看起来或许不是很严重，但却意味着通道的品质不利于MIMO 传输。输入通道间的绝对增益差或许不是很重要，但接收链的增益设定必须要尽可能地准确，才能在计算通道系数时，充分运用ADC 的最高解析度。 图6：四个通道的频率响应范例，这是利用两部E4438C 产生交错式的多频信号，经双通道的89640 VXI系统接收后所得到的结果。 ■3.分码多重存取（CDMA）与MIMO 的比较 表面上看来，可以让多位使用者共用同一频宽的CDMA 射频技术运作方式与MIMO有些类似之处，但这两种系统的差异其实相当大。MIMO 射频技术可以提高通道的容量，而CDMA 则不能。顾名思义，CDMA 是一种多重存取的技术，在任何时间点，都可以单独还原每位使用者所属的信号，而MIMO 射频技术则必须要能同时接收不止一个的信号，才能充分利用通道容量增加的效益。 在CDMA 中，每一位使用者所属的信号都会透过一个独特的编码，与其他使用者的信号分隔开来。编码的设计互不相同（呈正交），让接收器只能解出单一个信号，而其它信号看起来则像噪音一样。随着使用者的人数增加，有效的噪音位准也会提高。当接收器再也无法有效地还原它锁定的位元串流时，就表示达到了系统的总容量。在MIMO 系统中，多出来的发射-接收链（最重要的是包含了实体上各自分开的天线）使用的是射频通信环境的空间分集（spatial diversity）法，以增加实际的总容量。当使用了整个通道的所有空间分割变数，且可用的信号/噪音比够高时，就达到系统设计的总容量了。与CDMA 不同的是，MIMO系统不需要资料信号是相互正交的。 ■4.无线电通道 在无线电通道部分，RF 路径或通道的本质决定了MIMO 无线电系统的效能。为了比较不同无线电模拟的效能，以及产生测试信号给实际的装置使用，需要建构无线电通道的模型。既有的WLAN 效能分析使用的是Medbo-et al 提出的模型，内含五种应用（模型），以适用于不同的环境。802.11n 工作小组已将其扩大，开发出更复杂的模型，以搭配MIMO 无线电系统使用。举例来说，信号传播的角度会变得极为重要，因为它会影响信号从每一个发射天线行进到每一个接收天线的结果。信号被视为以丛集（cluster）的方式抵达，每一个丛集代表的是以直线连结其路径损耗（以dB为单位）的信号，其值为时间延迟的函数。有一些是环境特有的影响，如效应”萤光灯”，也需要加以处理。有些可能会在个别资料封包的传送过程中，造成通道改变。 应用在WLAN 的多重通道无线电系统 使用802.11a 形式的OFDM 与MIMO 的运作之间有很密切的关系，一直到设计阶段都是如此。为了瞭解OFDM 如何因应MIMO 的需求，有必要先说明单一输入单一输出（SISO）的无线电系统。 |
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■1.正交分频调变（OFDM）提要
OFDM 可以在许多的次载波之间分享使用高速的资料输入，如此一来，就可以减少个别次载波所需的频宽。资料会蒐集成资料区块（称为symbol），然后经过编码以减少错误的发生，接着将它们分散（交错）在不同的次载波上进行传送，以保护它们不受少数次载波因多径消抵（multi-path cancellation）或窄频干扰造成的损耗所影响。（orthogonal）这个名称指的是选择次载波的频率间隔和资料调变速率的方式，以避免次载波之间的干扰。每一个次载波的频宽都很窄，但仍然会有相关的延迟产生。symbol 之间插入的保护区间提供了系统设计时可以预期的最长延迟时间。在保护区间内，会将symbol 延伸，做法是将symbol 尾部相同长度的一段时间复制在symbol 的开头处，这段时间就称为循环字首（cyclic prefix）或延伸部份。 WLAN 传输的运作基础是只使用每一个单独封包内的资讯来还原封包的内容。在封包（丛发信号）的开始处，有两段训练期间，在第一个8 us的短训练序列中，每第四个次载波会被开启，其相位关系会将峰值对平均功率比降到最低，这段期间可用于接收器的增益设定以及粗略的频率修正。在接下来的8 us，也是长训练序列中，所有的次载波都会开启，让接收器计算通道的频率响应并微调频率的误差。使用OFDM 可以让我们对MIMO 运作用的信号做一些重要的假设。举例来说，每一个次载波的调变频宽都很小，足以假定可以用单一复数系数来表示每一条RF 路径，这就是透过低成本的DSP 实作，让MIMO 运作的通道系数计算变得可行的重要因素。 ■2.分集（diversity）技术 传送单一资料串流时，运用分集技术可以减少错误的发生。天线的空间分集并非新的题材，在许多WLAN 的装置中已经使用过了。802.11n 装置中的多重发射-接收链设计除了是一种增加容量的方法之外，也具有提高分集性的效果。善用路径的分集效果可以提高信号路径的耐受力，这表示可以提高任何距离的最高资料速率。如果信号/杂讯比的效能超出要求，还可以降低发射功率，延长可携式装置的电池寿命。 MIMO 无线电系统的各个硬件和软件组成部份与标准的OFDM WLAN 设计有许多雷同之处。多重RF 通道可以用不同的本地振盪器，或是具有单独的前端模组的整合式收发器和LO，以分开的收发链来设计。所有会影响SISO OFDM 设计的不良状况，如相位噪音和信号压缩，在MIMO 无线电系统中也都需要加以测试。此外，通道间不想要的交互影响也需要进行测试，在DSP层级所发生的改变就是一个例子，可以看出数字硬件的交互影响可能会造成模拟信号出现转态的情形，而这种现象只有当整个系统以一般模式运作时才会显现。通道内的信号之间会交互耦合是通道中固有的行为，但如果在天线和模拟/数字转换间出现不想要的耦合，就会降低空间通道的效能。在模拟RF 中，这就好像在回返损耗量测的路径中放置一个衰减器一样。 图7是一个2*2 配置系统的主要组成要件。 在实际的应用上，可能会使用第三组接收器或更多的发射链。所支援的空间资料串流数取决于使用了多少组独立的发射-接收链，任何硬件的增加都是为了提高频道的分集性。接收器的设计是MIMO 无线电系统中最复杂的部份之一，不仅个别的频道必须具有与SISO 无线电系统相同的相邻频道与干扰拒斥特性，而且也必须要能将MIMO 信号的空间资料串流分开，因此准确的通道估测尤其重要。设计的取捨是必要的，也会造成效能上的差异，系统整合者在选择不同厂商的产品时，不能不将这些因素区隔开来，而且需要用到一些测试信号的组合才能做到。 图7：2*2 MIMO 发射器和接收器的方块图。 发射器测试 大部分的无线电标准都会发展出发射器品质的衡量基准，预计802.11n 也不例外。在撰写本文之际，适当的量测方法还在讨论当中，不过，现有的量测方法中有一些是可以调整适用的。 ■1. 单一通道量测 单一通道的量测会引发兴趣是因为可以使用既有的设备。就频谱的安规测试而言，所代表的是大部分其它的接收器。对MISO 系统来说，单一通道就是测试接收链需要进行的所有量测了。当然，在传统的旧式系统模式下使用时，MISO 的测试案例还会包括多重通道WLAN 发射器的运作测试。使用单一输入的缺点是，当装置是在要求最高的模式下运作，且会在测试埠间进行切换时（意味着测试时间会增加），无法完整地测试出装置内的交互作用情形。 ＿功率、功率vs. 时间、CCDF 峰值对平均功率比是OFDM 信号要求最严格的特性之一，在多个放大器会共用发射功率的情况下，可以预期的是每一个装置都需要减少所汲取的供应电流。量测功率时，需要切记的是WLAN 信号的功率分佈会随着封包的不同部份而改变。由图8 中的互补累积分佈函数（CCDF）轨迹可以看出功率分佈在传统封包不同部份的改变情形，在前导资讯的部份只有几dB，但到了实体资料段（payload）的部份，则会增加9到10 dB。在个别MIMO 发射器的输出端进行的量测看起来会与传统的装置很类似（除非有使用空间通道波束成形的功能）。如果信号是合在一起的，例如当它们抵达接收天线时的情形，功率的分佈会更复杂，特别是在前导资讯的部份。需要特别注意的是信号在MIMO通道估测之前和期间的稳定度。 图8：CCDF 在WLAN 封包不同部份的变化情形。 802.11a 信号的功率攀升方式（power ramp）尚未有清楚的定义，但振幅在前导信号开始处即已稳定下来是很重要的。在第一个training symbol 之前的期间也很重要，因为无中频（zero IF）接收器如果紧接在封包之前感应到一个信号，可能会出现校准不良的情形。 ＿频谱 为了避免出现不想要的相位阵列波束成形效应，在送出相同的信号时，会在发射器之间插入小的週期性延迟（cyclic delay）。使用单一通道分析仪来量测合在一起的信号时，所得到的频谱图不是具有高于相对等之802.11a 信号的峰值，就是有明显不平坦的频率响应。图9 的例子来自于一部标准的扫频式频谱分析仪，可以注意到圈起之处就是前导短训练序列的峰值。 图9：功率频谱密度量测出现的峰值，因天线间的交互作用而凸显出来。 除了最高功率的装置以外，这种情形可能不会构成频谱安规的问题，但会对频谱噪音波罩（spectrum emission mask）量测造成影响，因为这项量测是利用最高的频段内（inband）峰值来设定参考位准所进行的，其影响是会提高波罩限制线。闸控式频谱分析是一种功能强大的方法，可以找出信号丛发期间的问题。图18尝试将两组发射器的输出组合在一起，最底下的轨迹就是信号合在一起的结果，频谱中下降点（圈起处）的位置和深度容易受到通道间的时序偏移和平衡所影响。使用合适的测试模式，或藉由量测适当的preamble symbol，或许可以应用这个原理，使用单一输入分析仪来进行简单的交叉通道量测。25 ns 的时间延迟会在20 MHz 宽的信号上造成180 度的相位偏移，或是让图10 中的下降点出现40 MHz 的反覆区间。 图10：将中间有小的週期性延迟的两组信号（上方和中间）组合在一起，会得出明显不平坦的频率响应结果。 将RF 屏蔽拿掉，检查装置之MIMO training symbol 期间的前导资讯部份，展现的则是另一项简单的交叉通道测试。在图11 中，众多圆圈显示的是交错的次载波从一个通道洩漏到另一个通道的情形。这项量测使用的是Hanning FFT 时窗，以提高频率响应的解析度，在training symbol 具有週期性本质的情况下，这是很好的选择。 图11：在长训练序列期间量测到的不想要跨通道耦合。 ＿自动关联（auto-correlation） 自动关联可以分析信号中重复的成份，例如802.11 传统前导结构中的800 ns 和3.2μs 反覆区间，也可以用来检查交互耦合。图12 的信号是图6 的量测中所使用的相同交错式多频信号，在自动关联量测中，峰值的比率大小代表的是通道间总体的交互耦合程度。这些结果的复数系数（经由切换刻度显示出来－请参见插图）可以提供信号间相位关系的资讯。 图12：对图6范例中使用的频率交错式信号进行自动关联量测的结果，峰值的相对大小与频道耦合的强度有关。 ＿频率与相位稳定时间、EVM 如果前导结构是正确的，可以使用89600 VSA 软体执行一般的802.11a EVM 量测。信号需要有至少28μs 的时间长度，但不一定得是标准的封包，这表示可以在传统系统相容的封包上量测相位、频率和振幅的稳定时间及EVM，进行时可选择 <802.11a/g>，并将 设为1。有时候，可能需要解调振幅在前导序列部份会改变的信号。 表2：使用单一输入信号测试仪器所能进行的量测。 ■2. 双通道量测 双通道量测可以进行更完整的MIMO 无线电分析。交叉通道量测可验证信号间的频率和时序关系，也可以显示出每个个别通道的误差如何累加在一起，降低发射器和接收器的空间通道效能。产生信号时，时序对齐和共用本地振盪器的需求与6.2.1 节所讨论的类似。透过个别的组件量测RF 相位关系时，使用共用的本地振盪器将是最容易的方式，会需要採用向量网路分析所使用的方法，在测试连接点进行相位校准。若要确保量测的稳定一致性，就需要特别留心RF 匹配的问题。相反地，在生产线上测试完整的发射器时，要求可能反而没这么高。可执行多通道发射器量测的硬件有三种，如表3 的摘要所列。 表3：多重通道量测硬件选项摘要。 示波器数字转换器的解析度为8 位元，与EVM 等量测的残留误差（residual error）没有直接的关联。如果信号有经过超次取样，就可以提高有效的位元数，此时主要的限制会在于仪器本身的噪音底线。就其可以分析的信号类型而言，示波器显然是非常弹性的工具。若是RF 信号，虽然任何旁生的噪音信号都可能会变成膺频（aliased），混入量测结果中，但仍然可以直接使用高性能示波器进行量测。取样率和记忆体深度决定了可用的撷取时间长度，就同样的记忆体容量来说，取样率为2 或4 GSa/s（视机种而定）在可用的记忆体深度上会相差一大截，而量测速度则会随着取样点数减少而加快。 接收器测试 MIMO 接收器处理的是丛发信号中两个主要的部份：通道估测和分开多重通道的资料。在接收器设计的过程中，可以利用发射器测试一章中所介绍的设备，在RF 和（Z）IF 频率分别分辨出丛发信号的这两个部份。图13 显示了测试配置介接点的可能组合，89600 VSA 可以搭配逻辑分析仪以及类比撷取硬件使用。 接收器测试的运作方式取决于控制DUT 的应用软件，一般而言，会使用一些测试模式执行参数测试，这样会比跑完一般的关联计算与资料传输程序来得有效率。在单一通道测试中，RF 位准是主要的控制参数，最重要的衡量指标是灵敏度，也就是在特定的调变速率下，达到指定之封包错误率效能所需的RF 信号位准。若要进行更完整的测试，则需加入相邻通道、噪音和其它干扰。 在多重通道的无线电系统中，接收器测试也是先从同样的单一通道测试开始进行，再将信号源轮流切换到每一个接收器输入端。当进入到MIMO 运作流程时，结果若要有意义，就必须先定义测试通道，也就是要设定通道间的耦合系数，如第一节中所述，这些对决定通道的容量十分重要。在RF-DSP 的设计中，有很多的测试通道需要加以验证，即使是专为802.11n 工作小组所提出的MATLAB® 程式也只能提供一部份而已。 图13：接收器测试的大致配置方式，可以使用示波器或VXI 硬件来测试降频路径的模拟效能。系统测试需要使用特定厂商的软件，对无线电系统的设计者来说，此举可以取得详细的效能资讯和进行完整的控制。 |
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■1.正交分频调变（OFDM）提要
OFDM 可以在许多的次载波之间分享使用高速的资料输入，如此一来，就可以减少个别次载波所需的频宽。资料会蒐集成资料区块（称为symbol），然后经过编码以减少错误的发生，接着将它们分散（交错）在不同的次载波上进行传送，以保护它们不受少数次载波因多径消抵（multi-path cancellation）或窄频干扰造成的损耗所影响。（orthogonal）这个名称指的是选择次载波的频率间隔和资料调变速率的方式，以避免次载波之间的干扰。每一个次载波的频宽都很窄，但仍然会有相关的延迟产生。symbol 之间插入的保护区间提供了系统设计时可以预期的最长延迟时间。在保护区间内，会将symbol 延伸，做法是将symbol 尾部相同长度的一段时间复制在symbol 的开头处，这段时间就称为循环字首（cyclic prefix）或延伸部份。 WLAN 传输的运作基础是只使用每一个单独封包内的资讯来还原封包的内容。在封包（丛发信号）的开始处，有两段训练期间，在第一个8 us的短训练序列中，每第四个次载波会被开启，其相位关系会将峰值对平均功率比降到最低，这段期间可用于接收器的增益设定以及粗略的频率修正。在接下来的8 us，也是长训练序列中，所有的次载波都会开启，让接收器计算通道的频率响应并微调频率的误差。使用OFDM 可以让我们对MIMO 运作用的信号做一些重要的假设。举例来说，每一个次载波的调变频宽都很小，足以假定可以用单一复数系数来表示每一条RF 路径，这就是透过低成本的DSP 实作，让MIMO 运作的通道系数计算变得可行的重要因素。 ■2.分集（diversity）技术 传送单一资料串流时，运用分集技术可以减少错误的发生。天线的空间分集并非新的题材，在许多WLAN 的装置中已经使用过了。802.11n 装置中的多重发射-接收链设计除了是一种增加容量的方法之外，也具有提高分集性的效果。善用路径的分集效果可以提高信号路径的耐受力，这表示可以提高任何距离的最高资料速率。如果信号/杂讯比的效能超出要求，还可以降低发射功率，延长可携式装置的电池寿命。 MIMO 无线电系统的各个硬件和软件组成部份与标准的OFDM WLAN 设计有许多雷同之处。多重RF 通道可以用不同的本地振盪器，或是具有单独的前端模组的整合式收发器和LO，以分开的收发链来设计。所有会影响SISO OFDM 设计的不良状况，如相位噪音和信号压缩，在MIMO 无线电系统中也都需要加以测试。此外，通道间不想要的交互影响也需要进行测试，在DSP层级所发生的改变就是一个例子，可以看出数字硬件的交互影响可能会造成模拟信号出现转态的情形，而这种现象只有当整个系统以一般模式运作时才会显现。通道内的信号之间会交互耦合是通道中固有的行为，但如果在天线和模拟/数字转换间出现不想要的耦合，就会降低空间通道的效能。在模拟RF 中，这就好像在回返损耗量测的路径中放置一个衰减器一样。 图7是一个2*2 配置系统的主要组成要件。 在实际的应用上，可能会使用第三组接收器或更多的发射链。所支援的空间资料串流数取决于使用了多少组独立的发射-接收链，任何硬件的增加都是为了提高频道的分集性。接收器的设计是MIMO 无线电系统中最复杂的部份之一，不仅个别的频道必须具有与SISO 无线电系统相同的相邻频道与干扰拒斥特性，而且也必须要能将MIMO 信号的空间资料串流分开，因此准确的通道估测尤其重要。设计的取捨是必要的，也会造成效能上的差异，系统整合者在选择不同厂商的产品时，不能不将这些因素区隔开来，而且需要用到一些测试信号的组合才能做到。 图7：2*2 MIMO 发射器和接收器的方块图。 发射器测试 大部分的无线电标准都会发展出发射器品质的衡量基准，预计802.11n 也不例外。在撰写本文之际，适当的量测方法还在讨论当中，不过，现有的量测方法中有一些是可以调整适用的。 ■1. 单一通道量测 单一通道的量测会引发兴趣是因为可以使用既有的设备。就频谱的安规测试而言，所代表的是大部分其它的接收器。对MISO 系统来说，单一通道就是测试接收链需要进行的所有量测了。当然，在传统的旧式系统模式下使用时，MISO 的测试案例还会包括多重通道WLAN 发射器的运作测试。使用单一输入的缺点是，当装置是在要求最高的模式下运作，且会在测试埠间进行切换时（意味着测试时间会增加），无法完整地测试出装置内的交互作用情形。 ＿功率、功率vs. 时间、CCDF 峰值对平均功率比是OFDM 信号要求最严格的特性之一，在多个放大器会共用发射功率的情况下，可以预期的是每一个装置都需要减少所汲取的供应电流。量测功率时，需要切记的是WLAN 信号的功率分佈会随着封包的不同部份而改变。由图8 中的互补累积分佈函数（CCDF）轨迹可以看出功率分佈在传统封包不同部份的改变情形，在前导资讯的部份只有几dB，但到了实体资料段（payload）的部份，则会增加9到10 dB。在个别MIMO 发射器的输出端进行的量测看起来会与传统的装置很类似（除非有使用空间通道波束成形的功能）。如果信号是合在一起的，例如当它们抵达接收天线时的情形，功率的分佈会更复杂，特别是在前导资讯的部份。需要特别注意的是信号在MIMO通道估测之前和期间的稳定度。 图8：CCDF 在WLAN 封包不同部份的变化情形。 802.11a 信号的功率攀升方式（power ramp）尚未有清楚的定义，但振幅在前导信号开始处即已稳定下来是很重要的。在第一个training symbol 之前的期间也很重要，因为无中频（zero IF）接收器如果紧接在封包之前感应到一个信号，可能会出现校准不良的情形。 ＿频谱 为了避免出现不想要的相位阵列波束成形效应，在送出相同的信号时，会在发射器之间插入小的週期性延迟（cyclic delay）。使用单一通道分析仪来量测合在一起的信号时，所得到的频谱图不是具有高于相对等之802.11a 信号的峰值，就是有明显不平坦的频率响应。图9 的例子来自于一部标准的扫频式频谱分析仪，可以注意到圈起之处就是前导短训练序列的峰值。 图9：功率频谱密度量测出现的峰值，因天线间的交互作用而凸显出来。 除了最高功率的装置以外，这种情形可能不会构成频谱安规的问题，但会对频谱噪音波罩（spectrum emission mask）量测造成影响，因为这项量测是利用最高的频段内（inband）峰值来设定参考位准所进行的，其影响是会提高波罩限制线。闸控式频谱分析是一种功能强大的方法，可以找出信号丛发期间的问题。图18尝试将两组发射器的输出组合在一起，最底下的轨迹就是信号合在一起的结果，频谱中下降点（圈起处）的位置和深度容易受到通道间的时序偏移和平衡所影响。使用合适的测试模式，或藉由量测适当的preamble symbol，或许可以应用这个原理，使用单一输入分析仪来进行简单的交叉通道量测。25 ns 的时间延迟会在20 MHz 宽的信号上造成180 度的相位偏移，或是让图10 中的下降点出现40 MHz 的反覆区间。 图10：将中间有小的週期性延迟的两组信号（上方和中间）组合在一起，会得出明显不平坦的频率响应结果。 将RF 屏蔽拿掉，检查装置之MIMO training symbol 期间的前导资讯部份，展现的则是另一项简单的交叉通道测试。在图11 中，众多圆圈显示的是交错的次载波从一个通道洩漏到另一个通道的情形。这项量测使用的是Hanning FFT 时窗，以提高频率响应的解析度，在training symbol 具有週期性本质的情况下，这是很好的选择。 图11：在长训练序列期间量测到的不想要跨通道耦合。 ＿自动关联（auto-correlation） 自动关联可以分析信号中重复的成份，例如802.11 传统前导结构中的800 ns 和3.2μs 反覆区间，也可以用来检查交互耦合。图12 的信号是图6 的量测中所使用的相同交错式多频信号，在自动关联量测中，峰值的比率大小代表的是通道间总体的交互耦合程度。这些结果的复数系数（经由切换刻度显示出来－请参见插图）可以提供信号间相位关系的资讯。 图12：对图6范例中使用的频率交错式信号进行自动关联量测的结果，峰值的相对大小与频道耦合的强度有关。 ＿频率与相位稳定时间、EVM 如果前导结构是正确的，可以使用89600 VSA 软体执行一般的802.11a EVM 量测。信号需要有至少28μs 的时间长度，但不一定得是标准的封包，这表示可以在传统系统相容的封包上量测相位、频率和振幅的稳定时间及EVM，进行时可选择 <802.11a/g>，并将 设为1。有时候，可能需要解调振幅在前导序列部份会改变的信号。 表2：使用单一输入信号测试仪器所能进行的量测。 ■2. 双通道量测 双通道量测可以进行更完整的MIMO 无线电分析。交叉通道量测可验证信号间的频率和时序关系，也可以显示出每个个别通道的误差如何累加在一起，降低发射器和接收器的空间通道效能。产生信号时，时序对齐和共用本地振盪器的需求与6.2.1 节所讨论的类似。透过个别的组件量测RF 相位关系时，使用共用的本地振盪器将是最容易的方式，会需要採用向量网路分析所使用的方法，在测试连接点进行相位校准。若要确保量测的稳定一致性，就需要特别留心RF 匹配的问题。相反地，在生产线上测试完整的发射器时，要求可能反而没这么高。可执行多通道发射器量测的硬件有三种，如表3 的摘要所列。 表3：多重通道量测硬件选项摘要。 示波器数字转换器的解析度为8 位元，与EVM 等量测的残留误差（residual error）没有直接的关联。如果信号有经过超次取样，就可以提高有效的位元数，此时主要的限制会在于仪器本身的噪音底线。就其可以分析的信号类型而言，示波器显然是非常弹性的工具。若是RF 信号，虽然任何旁生的噪音信号都可能会变成膺频（aliased），混入量测结果中，但仍然可以直接使用高性能示波器进行量测。取样率和记忆体深度决定了可用的撷取时间长度，就同样的记忆体容量来说，取样率为2 或4 GSa/s（视机种而定）在可用的记忆体深度上会相差一大截，而量测速度则会随着取样点数减少而加快。 接收器测试 MIMO 接收器处理的是丛发信号中两个主要的部份：通道估测和分开多重通道的资料。在接收器设计的过程中，可以利用发射器测试一章中所介绍的设备，在RF 和（Z）IF 频率分别分辨出丛发信号的这两个部份。图13 显示了测试配置介接点的可能组合，89600 VSA 可以搭配逻辑分析仪以及类比撷取硬件使用。 接收器测试的运作方式取决于控制DUT 的应用软件，一般而言，会使用一些测试模式执行参数测试，这样会比跑完一般的关联计算与资料传输程序来得有效率。在单一通道测试中，RF 位准是主要的控制参数，最重要的衡量指标是灵敏度，也就是在特定的调变速率下，达到指定之封包错误率效能所需的RF 信号位准。若要进行更完整的测试，则需加入相邻通道、噪音和其它干扰。 在多重通道的无线电系统中，接收器测试也是先从同样的单一通道测试开始进行，再将信号源轮流切换到每一个接收器输入端。当进入到MIMO 运作流程时，结果若要有意义，就必须先定义测试通道，也就是要设定通道间的耦合系数，如第一节中所述，这些对决定通道的容量十分重要。在RF-DSP 的设计中，有很多的测试通道需要加以验证，即使是专为802.11n 工作小组所提出的MATLAB® 程式也只能提供一部份而已。 图13：接收器测试的大致配置方式，可以使用示波器或VXI 硬件来测试降频路径的模拟效能。系统测试需要使用特定厂商的软件，对无线电系统的设计者来说，此举可以取得详细的效能资讯和进行完整的控制。 |
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■1.单一信号源
利用RF信号分配器（signal splitter），可以使用几种方法，透过单一信号源来同时测试多个输入信号。其优点是速度快且不需要使用额外的硬件，但适用性取决于基频电路的运作，而基频电路的运作又会因晶片厂商而异。这种方式无法测试无线电系统因使用空间多工技术而增加的容量。 ＿提高SISO 无线电系统的灵敏度 若将一个标准的单一通道OFDM 信号先馈入一个单独的接收器输入端，则应该会同时提高所有的无线电输入灵敏度位准，所提高的量取决于独立的接收路径数目。实际的提升程度将视硬件配置方式，以及输入信号经过数字转换后，所使用的信号结合方法而定。若作业得当，设计者将可以依据理论上的计算值以及自己进行的装置量测结果，得出预期之提升程度的规格。 Keyhole 方法 第二种方法称为keyhole 方法1，可用来测试MIMO 通道的还原过程，此时DUT 需 要进入特殊的测试模式下运作。如果我们考虑使用交错式多频信号来进行通道估测的话，可以设计一个不论系统应该有多少个发射器，都能提供相同位准的测试信号。若将此信号送入所有的接收器输入端，则无线电系统就可以计算出所有的通道系数，此时应该可以发现通道容量并没有比SISO 的方式增加。进行这项计算时，均值化过的通道系数应该为1 或0，只要出现偏离1 和0 的情形（因无线电硬件的不完美或接收器输入端的杂讯而发生），就可以判断无线电系统的效能如何。 2.多重信号源 考虑使用单机独立运作仪器提供的多重信号源时，必须瞭解基频信号的时序对齐的必要性，以及是否需要使用共用的本地振盪器。举例来说，如果有个别的本地振盪器（LO），表示可以进行相邻通道测试以及MIMO 测试。 |
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