攸關無線網卡性能　MIMO測試不可輕忽

雖然IEEE 802.11n規範尚未正式底定，但依照草稿所設計出來的多重輸入多重輸出(MIMO)無線上網設備，如無線網卡或無線路由器，在各晶片商的推波助瀾之下，過去1年在市面上已算相當普遍了，幾乎成了個人電腦的標準配備。然而，近來設備價格的下降，以及為了節省零件成本，再加上工程師對於新的MIMO技術並不熟稔，因此即使採用相同的基頻晶片，最終完成的產品，性能可能大相逕庭。為此，將針對MIMO重點技術及測試驗證方法作一說明。
 

從觀念上理解，MIMO技術目的在於希望增加資料的傳輸速率，將以往傳統的無線網卡(採用11a/b/g規範)想像成是一條二線道的高速公路，只要把二線道擴成四線道，車流量馬上加倍，就如同將傳統11a/b/g的20MHz通道頻寬，擴充成MIMO常用的40MHz頻寬，即可提升傳輸速率。此外，若原本的高速公路上方再蓋一條高速公路，就如同無線網路卡由原先使用一根天線，擴充到二根天線，也可增快傳輸速率。而根據IEEE 802.11n規範，最多可支持到四根天線，所以當合併這二項技術，想像無線傳輸速度可由以往的54Mbit/s(11a/g)，一舉躍升到600Mbit/s。
 

然而，追求高速傳輸仍有其衍生問題，如零件成本、電路複雜度及耗電瞬間增加等挑戰，雖然IEEE 802.11n規範所要求的項目眾多，在此篇文章將列出幾項重點項目說明。
 

發射功率測試重頻率響應
 

表面上似乎只要令待測物發射額定的輸出功率，再以功率電表量測即可，但事實上針對MIMO規範，須特別注意功率電表的頻率響應。MIMO的基頻調變頻寬可達40MHz，此規格遠超過一般功率電表的範圍，為避免量測的失真，理論上應該要選擇頻寬大的電表，但其價錢昂貴。另一項選擇是採用向量訊號分析儀(Vector Signal Analyzer, VSA)，因其高動態量測頻寬(至少60MHz以上)，可以精確得到功率值，雖然儀器價格較高，但也由於具有數位解調功能，可以得到更多屬於數位通訊專有的測試項目。當然也有很多人認為一般頻譜分析儀內含的功率量測功能，即可測試MIMO訊號的功率，但事實上是不夠的，即使很高檔的頻譜分析儀，在輸入端負責降頻的混波器(Mixer)，頻率響應最多約10MHz，依然會有失真現象。
 

即使使用正確的儀器，量測時也要注意MIMO訊號在時域上的封包(Packet)特性(圖1)。標準的訊號是以封包的型式傳遞，封包與封包之間存在長短不一的間隔(Gap)，在這段期間，待測物不發射訊號，因此儀器使用上必須排除這段時間的影響，這時要搭配觸發(Trigger)的功能，才可以補捉到正確的訊號，否則功率的讀值會非常不穩定。

圖1　一般的MIMO封包示意圖，此圖包含二個不同的天線能量。

檢視CCDF有助了解輸出訊號品質

從圖1MIMO訊號在時域上的表現，可觀察到能量的分布變化相當劇烈，能量可由最高峰值至一般平均功率處變化達10dB以上，這是因為MIMO訊號採用正交分頻多工(OFDM)技術的原因，事實上其他採用OFDM調變的訊號，如11g/a或全球微波存取互通介面(WiMAX)訊號，都有這樣的現象。
 

將各功率值與其出現的機率，作一統計分布圖(圖2)，一般稱之為互補累積分布函數(Complementary Cumulative Distribution Function , CCDF)，基本上理想的訊號就如同高斯曲線，最高的峰值功率與平均功率約差10dB，通常也將這個數值稱為峰值因數(Crest Factor)。

圖2　正常MIMO-OFDM訊號之互補累積分布函數

有兩種原因可能會讓峰值變小，進而使輸出訊號失真(圖3)，一為訊號功率過高，輸出功率已超過待測物所設計的數值，造成訊號呈現飽和的狀況；另外一項因素則是功率放大器(PA)頻率響應不夠快。試想PA要讓訊號在短短的數微秒中，變化達10dB以上，對本身的設計或外部電源的供應都是一大挑戰。而影響MIMO輸出訊號的品質有很多原因，最常見的就是功率問題，若能仔細觀察CCDF圖就能省下許多時間，以發現訊號品質問題所在。

圖3　因訊號功率過高，導致互補累積分布函數圖向左呈現飽和狀態。

多對一功率合成器仍導致頻譜失真

MIMO訊號與傳統通訊設備相比，最大的差異在於運用不同的空間，在同樣的頻率(或稱通道)傳送不同的資訊。由於不同的天線是在相同的頻率同時發射訊號，所以頻譜分析儀必須分別量測個別天線訊號，以得到個別的結果，只是如此一來，無法同一時間觀察多天線運作時的瞬間狀態，因此儀器廠商鼓勵使用MIMO專用設備，藉由兩部以上向量訊號分析儀同步量測，得到最真實的MIMO訊號。
 

在生產線測試階段，因考量儀器成本，多數廠商都是將待測物的所有天線透過多對一的功率合成器，將所有MIMO訊號匯集到單一頻譜分析儀或向量訊號分析儀(圖4)，以進行測試。此時若待測物發射的是多重資料流(Multi-stream)訊號，產線測試時較沒問題，但如果發射單一資料流(One-stream)訊號則須注意只允許其中一根天線發射訊號，否則頻譜將會失真(圖5)，這是因為各天線載有相同的訊號，然而彼此間因相位的關係，由部分建設性與破壞性干涉所造成。

圖4　利用功率合成器將MIMO訊號匯集到單一VSA/VSG。

圖5　左圖為單一天線發射的頻譜；右圖為因不同天線發射單一資料流並強迫合併量測，導致頻譜失真現象。

直流洩漏影響接收端效能

直流洩漏在802.11n規範上，也稱為發射機中心頻率洩漏，主因在於電路板上的高頻訊號源(一般是指本地振盪器)，因電磁干擾(EMI)屏蔽的效果不佳，導致高頻訊號洩漏至其他線路，並在混波器與正常的訊號加乘在一起(圖6)，由於兩者頻率相同(都來自於同一個訊號源)，根據旋波相乘的公式，除了產生影響不大的二倍頻訊號之外，最重要的就是產生直流成分。這個直流成分不僅降低訊號訊號的動態範圍、訊號雜訊比，也增加封包間屬於間隔的耗電，這樣的結果，也會影響接收端的效能。

圖6　洩漏訊號經由混波器產生干擾。

然而，這麼重要的參數，卻很難用傳統頻譜分析儀以頻譜遮罩(Spectrum Mask)的測試找出問題，如圖7是針對具有直流洩漏訊號所得到的頻譜遮罩測試，結果是過關的，因為沒有任何頻率點超過遮罩的限制，此刻若以向量訊號分析儀針對封包前緣進行頻譜分析，便可發現問題所在(圖8)。

圖7　具有直流洩漏的訊號仍可通過頻譜遮罩測試。

圖8　封包前緣頻譜

MIMO訊號總共分成三種格式(圖9)，在封包的前緣，無論是STF(Short Training Field)或LTF(Long Training Field)，基本上都是用來作為收發之間同步用的，特別是在前方第二個8微秒(即L-LTF或HT-LTF1)，還要作為通道估算之用，這時所有基於正交分頻多工調變的所有次載波(Sub-carrier)會以相同的能量出現，因為向量訊號分析儀的設計是以時域連續抓取訊號。以往傳統頻譜分析儀的原理，是開啟某一頻率範圍，稱為解析頻寬(Resolution Bandwidth)用以偵測訊號能量，再以掃描方式連續掃出特定頻段的能量而得到頻譜訊息；但向量訊號分析儀是以快速的取樣，補捉一段連續時間的訊號，再以傅立葉分析得到頻譜。向量訊號分析儀只要計算通道估算期間在中心頻率所出現的能量，再相對於所有次載波的能量值，就可了解直流洩漏。因為所有發射路徑都可能有不同程度的直流洩漏，因此規範中也要求分別量測。另外，在這段時間所得到的所有次載波的能量值，也正是IEEE規範所要求的頻譜平坦性(Spectral Flatness)測試。

圖9　MIMO訊號格式圖，其接收機以L-LTF或HT-LTF1估算通道。

隔離度測試以避免訊號干擾
 

由於MIMO具有多重發射路徑，各路徑間如果有不適當的干擾，必定會造成輸出訊號品質的衰退，因此工程師有必要測試各路徑彼此的隔離度(Isolation)，亦即是各個路徑之間的影響程度，以確保輸出品質。測試時，一般是發射某一路徑的訊號，再去量測其餘路徑的能量，若隔離度好的話，測量出的能量應該很小，藉此得到隔離度的數值，但是對MIMO訊號而言，這樣的測試仍是不夠。MIMO的設計為充分利用到空間多路徑的好處，訊號流的配置，除了標準的直接對應(Direct Mapping)，也支援空間擴展(Spatial Expansion)方式，讓每根發射天線，採用特定的空間矩陣，都可以發射不同的資料流。當單一發射路徑工作時，其溫度、耗電量與瞬間電氣特性與多重發射路徑工作時都不相同，如果想求得所有發射路徑工作中彼此的影響程度，最簡單又正確的方法，就是由待測物發射直接對應的多重資料流訊號，透過專門測試真實MIMO的向量訊號分析儀系統，可得到各資料流分量在各路徑的分布狀況，藉此得到隔離度資訊(圖10)，而這樣的訊息較符合MIMO特性要求。

圖10　觀察資料流在不同向量訊號分析儀的能量差值即可得到其隔離度。

EVM為調變特性測試關鍵
 

數位通訊調變特性的優劣，最直接的表現就是觀察誤差向量幅度(Error Vector Magnitude, EVM)，因為它在最終調變的I/Q平面上展現實際解調的結果(圖11)，IEEE特別為MIMO不同的調變特性，定義各個規範(表1)。

圖11　MIMO訊號中64-QAM之星座圖

MIMO訊號的解調過程，如同數學上解聯立方程組：有幾組發射端之資料流(Data Stream)，就彷彿有幾個未知數；而接收端有幾組接收天線，就好像是有幾組已知數，一般未知數是不可以大於已知數，否則此聯立方程組將會無解。向量訊號分析儀在MIMO測試中的角色如同接收端天線，工程師若要得到MIMO訊號的誤差向量幅度，其所要安排同時運作的向量訊號分析儀數目，絕對不可少於資料流總數。雖然在生產線上因成本的考量，有時會以單一向量訊號分析儀檢測MIMO訊號，但往往必須要求待測物發射特定的訊號，或犧牲部分量測參數。
 

接收機測試不可輕忽VSG數目
 

相對於傳統通訊系統苦於多路徑干擾所造成的訊號衰退現象，MIMO設計運用空間多路徑的訊息，也因此較具優勢。在驗證接收的品質方面，也必須依規範，由儀器端發射單一或多重資料流的訊號，提供給待測物測試，主要是採用封包錯誤率(PER)的標準，通常業界會選擇使用向量訊號產生器(Vector Signal Generator, VSG)，因為不僅可以精確設定封包的數目，也可以搭配不同的通道模型，模擬待測物在真實使用環境下的狀況，一般會採用TGn通道規範測試。至於使用向量訊號產生器時，測試誤差向量幅度須留意向量訊號產生器的數目絕不可少於資料流總數，MIMO的解聯立方程組才得以成立。
 

採用MIMO通訊技術的產品，近幾年在市場上已經愈來愈多，除了依照802.11n規範的產品普遍之外，新的WiMAX與長程演進計劃(LTE)也同樣運用MIMO的技術，然而對於多數工程師來說，這仍是陌生的領域。因此，如何掌握MIMO的工程技巧與測試方法，將是決定未來產品可否在業界脫穎而出的重要關鍵。
 

(本文作者為筑波科技工程部協理)