如何實(shí)現(xiàn)無(wú)線局域網(wǎng)的MIMO與功率放大器的測(cè)試？

是德科技與您分享MIMO技術(shù)和相關(guān)應(yīng)用。我們將一起和您探討MIMO技術(shù)的發(fā)展，MIMO的分類并探究MIMO技術(shù)的本質(zhì)，是不是在任何信道條件下多天線系統(tǒng)都可以帶來(lái)速率的提升?MIMO技術(shù)都有哪幾類，區(qū)別是什么等問(wèn)題。文末有MIMO術(shù)語(yǔ)供參考。

MIMO是什么?

MIMO 是multi-input multi-out put 系統(tǒng)的縮寫(xiě)，從字面上來(lái)看任何具有多個(gè)發(fā)射和多個(gè)接收天線的無(wú)線系統(tǒng)都可以稱為MIMO。除了MIMO之外，還有single-input multiple-output (SIMO)，multiple-input single-output (MISO) 這些只在發(fā)射端或接收端有多個(gè)天線的準(zhǔn)多天線系統(tǒng)。相信大家都理解時(shí)分復(fù)用、頻率復(fù)用和碼分復(fù)用的概念，MIMO與傳統(tǒng)的單天線系統(tǒng)相比多個(gè)發(fā)射和接收天線為無(wú)線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者打開(kāi)了一個(gè)新的維度--空間自由度。信號(hào)在多對(duì)收發(fā)天線間經(jīng)歷不同的信道衰落，如果這些衰落的統(tǒng)計(jì)特性互相獨(dú)立，就相當(dāng)于在通信系統(tǒng)中引入了多個(gè)傳輸通道。這和增加系統(tǒng)傳輸帶寬幾乎可以達(dá)到同樣的效果。上世紀(jì)90年代貝爾實(shí)驗(yàn)室一篇介紹 ‘MIMO V-BLAST’技術(shù)的論文引發(fā)了學(xué)術(shù)界MIMO技術(shù)研究的熱潮，20多年后MIMO以及大規(guī)模MIMO(Massive MIMO)仍是一個(gè)活躍的研究領(lǐng)域。

802.11ax MIMO 測(cè)試解決方案www.keysight.com.cn/cn/zh/products/wireless-network-emulators/wlan-device-testing/802-11ax-mimo-test-solution.html"802.11ax 測(cè)試解決方案提供了即時(shí)可用的軟件，能夠完成從 SISO 到 8x8 MIMO 的全方位測(cè)試，獲得所需要的 802.11ax 測(cè)試參數(shù)。"

在 MIMO 術(shù)語(yǔ)中，"輸入" 和 "輸出" 是相對(duì)于無(wú)線信道來(lái)說(shuō)的。在這些系統(tǒng)中，多臺(tái)發(fā)射機(jī)同時(shí)將其信號(hào) "輸入" 到無(wú)線信道中，然后同時(shí)將這些信號(hào)組合從無(wú)線信道 "輸出" 到多臺(tái)接收機(jī)，從而獲得性能增益。在一個(gè)實(shí)際的下行通信系統(tǒng)中，單一基站 (BS) 包含連接到多根天線的多臺(tái)發(fā)射機(jī)，單一移動(dòng)站 (MS) 包含連接到多臺(tái)接收機(jī)的多根天線。在上行鏈路中也可以使用這種相同的配置。圖 1 給出了幾種基本的多天線組合圖，這些方框圖使用多根天線將無(wú)線系統(tǒng)中的每臺(tái)發(fā)射機(jī)連接到每臺(tái)接收機(jī)。每個(gè)箭頭表示兩根天線之間所有信號(hào)路徑的組合，包括直接視線 (LOS) 路徑 (應(yīng)當(dāng)存在一個(gè))，以及由于周?chē)h(huán)境的反射、散射和折射產(chǎn)生的大量多徑信號(hào)。例如，單路輸入單路輸出 (SISO) 是無(wú)線電廣播、電視廣播以及早期第一代蜂窩電話的傳統(tǒng)配置。這種單一信道包括無(wú)線鏈路上出現(xiàn)的 LOS 路徑和所有多徑。單路輸入多路輸出 (SIMO) 和多路輸入單路輸出 (MISO) 配置需要在發(fā)射機(jī)或者接收機(jī)上使用單天線。將上行數(shù)據(jù)從具有單天線的移動(dòng)設(shè)備傳輸?shù)桨瑑筛陨咸炀€的蜂窩基站或者無(wú)線局域網(wǎng) (WLAN) 接入點(diǎn)時(shí)，SIMO 情形可能非常有用。另外，MISO 情形可以表示采用發(fā)射分集進(jìn)行下行數(shù)據(jù)傳輸?shù)呐渲谩?

圖 1 還給出了一種 2x2 MIMO 配置，在此配置中，在具有兩個(gè)獨(dú)立發(fā)射信道的發(fā)射機(jī)處放置兩根天線，在具有兩個(gè)獨(dú)立接收信道的接收機(jī)處放置兩根天線。在本應(yīng)用指南中，將以此配置作為主要示例進(jìn)行討論。顯然，使用其他多天線對(duì)組合的 MIMO 配置還有很多，例如 3x3 和 4x4。MIMO 操作并不需要發(fā)射機(jī)和接收機(jī)處的天線數(shù)目相同，即一個(gè)位置的天數(shù)數(shù)目可以多于另一位置的天線數(shù)目，例如 MxN 配置，其中 M 與 N 不相等，M 為發(fā)射天線數(shù)，N 為接收天線數(shù)。

對(duì)于所有的無(wú)線通信系統(tǒng)而言，無(wú)論是3GPP UMTS這樣的移動(dòng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，還是像WLAN那樣的無(wú)線局域網(wǎng)，除了通過(guò)高階調(diào)制或更大的信號(hào)帶寬這樣傳統(tǒng)的方式來(lái)提高數(shù)據(jù)速率以外，還可以通過(guò)多天線技術(shù)來(lái)提高信道的容量。作為未來(lái)移動(dòng)通信的必選項(xiàng)目，MIMO已經(jīng)引起了更多的關(guān)注，而對(duì)于MIMO系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)和測(cè)試，也成為通信行業(yè)的熱點(diǎn)及難點(diǎn)。本文在介紹MIMO的基本原理以及在MIMO不同移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)表現(xiàn)形式的基礎(chǔ)上，介紹R&S公司提供的相應(yīng)測(cè)試解決方案，可以滿足不同客戶、不同標(biāo)準(zhǔn)及不同階段的MIMO系統(tǒng)測(cè)試需求。

2 MIMO基本原理

根據(jù)不同的傳輸信道類型，可以在無(wú)線系統(tǒng)中使用相應(yīng)的分集方式。目前，主要的分集方式包括時(shí)間分集(不同的時(shí)隙和信道編碼)、頻率分集(不同的信道、擴(kuò)頻和OFDM)以及空間分集等。多天線系統(tǒng)利用的就是空間方式，而MIMO作為典型的多天線系統(tǒng)，可以明顯提高傳輸速率。而在實(shí)際的無(wú)線系統(tǒng)中，可以根據(jù)實(shí)際情況使用一種或者多種分集方式。

為了實(shí)現(xiàn) Gb/s 級(jí)鏈路吞吐量，新的制式使用更高帶寬、多路輸入多路輸出(MIMO)、空時(shí)編碼和高階正交頻分復(fù)用(OFDM)調(diào)制制式，這對(duì)無(wú)線元器件的線性、帶寬和功耗提出了新的要求。以802.11 ac為例，該標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建在 802.11 n 的高吞吐量性能之上，旨在應(yīng)對(duì)新應(yīng)用模型的挑戰(zhàn)。802.11 ac 繼續(xù)在 802.11 a/n 5 GHz 頻段下工作，是在高吞吐量 802.11 n 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)之上建立起來(lái)的，并主要在以下四個(gè)方面做出了改進(jìn)：更寬的信道帶寬(最佳 160 MHz 帶寬);更高階的 MIMO(最高 8*8);多用戶 MIMO(最多 4 個(gè)用戶);更高階的調(diào)制(可支持 256 QAM)。

設(shè)計(jì)驗(yàn)證工程師必須確保其針對(duì) 802.11 ac 的設(shè)計(jì)能夠在各種條件下運(yùn)行良好，驗(yàn)證其設(shè)備在要求最嚴(yán)格的 MIMO 空間復(fù)用模式下仍符合性能要求。驗(yàn)證MIMO發(fā)射機(jī)的工作性能需要一臺(tái)多通道信號(hào)分析儀，用以解調(diào)多流波形并測(cè)量 EVM 和其它物理層參數(shù)。802.11 ac MIMO 發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)和驗(yàn)證需要對(duì)多通道 MIMO 空間復(fù)用信號(hào)進(jìn)行誤差矢量幅度(EVM)測(cè)量。測(cè)試解決方案應(yīng)提供快速的測(cè)量方法，并保證極高的置信度。802.11 ac 標(biāo)準(zhǔn)更高階的調(diào)制形式和更寬的帶寬要求 EVM 測(cè)量較以往更為準(zhǔn)確，而測(cè)試解決方案提供的剩余 EVM 應(yīng)超過(guò)這些要求。隨著設(shè)備的演進(jìn)，測(cè)試解決方案也應(yīng)該逐步改進(jìn)，對(duì) MIMO 設(shè)備的測(cè)試支持能力也要從單、雙通道40 MHz 擴(kuò)展至三、四通道 160 MHz 的水平。

新制式為通信系統(tǒng)架構(gòu)師和射頻功率放大器設(shè)計(jì)人員帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。設(shè)計(jì)人員必須確定現(xiàn)有 3G 設(shè)計(jì)和未來(lái) 4G 運(yùn)行環(huán)境的性能差異，以及 3G 設(shè)計(jì)是否需要重新設(shè)計(jì)，或者新的供應(yīng)商是否合格。硬件也必須滿足或超出性能標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，例如 ACPR、EVM 或吞吐量(如 BLER、BER 和 PER)，同時(shí)滿足內(nèi)部產(chǎn)品設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。由于智能手機(jī)和其他先進(jìn)無(wú)線器件對(duì)電池的依賴程度極高，如何通過(guò)設(shè)計(jì)獲得最高的效率十分關(guān)鍵。射頻功率放大器具有特別重要的作用。選擇和設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)的適合功率放大器是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

面臨的挑戰(zhàn)

功率放大器是無(wú)線通信系統(tǒng)中決定整體性能和吞吐量的關(guān)鍵元件，并且具有固有的非線性。非線性產(chǎn)生的頻譜再生會(huì)導(dǎo)致相鄰信道干擾和違反監(jiān)管機(jī)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)的帶外輻射，還會(huì)引發(fā)帶內(nèi)失真，降低通信系統(tǒng)的誤碼率(BER)質(zhì)量和數(shù)據(jù)吞吐量。

圖1 至 4 是根據(jù)分量載波組合位置劃分的不同傳輸體系結(jié)構(gòu)(例如數(shù)字基帶階段、射頻混頻器之前的模擬波形階段、通過(guò)混頻器后但在功率放大器之前或者通過(guò)功率放大器之后)。圖 1-4 顯示，集成 RFIC SoC、CMOS 芯片組和基站體系結(jié)構(gòu)分別以不同的方式實(shí)現(xiàn)了各自的設(shè)計(jì)目標(biāo)，但這些體系結(jié)構(gòu)具有共同的挑戰(zhàn)――寬帶功率放大器設(shè)計(jì)，這也是射頻工程師面臨的最普遍挑戰(zhàn)。

另一個(gè)挑戰(zhàn)是在峰均功率比(PRPR 或波峰因數(shù))與功率附加效率(PAE)之間取得折中。新的正交頻分多路復(fù)用傳輸制式，例如 3GPP LTE、LTE-Advanced 和 802.11ac，，具有高峰均功率比。偶發(fā)的較高峰值功率電平導(dǎo)致功率放大器嚴(yán)重鉗位、影響整個(gè)波形的頻譜模板一致性、EVM 和 BER。在較低功率下運(yùn)行功率放大器是降低這種非線性的一個(gè)方法。

但是，這意味著功率放大器需要在長(zhǎng)期飽和功率以下回退很多。換句話說(shuō)，功率放大器在大多數(shù)時(shí)間都處于資源浪費(fèi)的狀態(tài)。這導(dǎo)致極低的效率，通常低于 10%。(超過(guò) 90% 的直流功率轉(zhuǎn)化為熱能并流失)。對(duì)于基站來(lái)說(shuō)，這會(huì)限制服務(wù)區(qū)域范圍，增加服務(wù)提供商的資本和運(yùn)營(yíng)支出。同時(shí)，這還會(huì)降低手機(jī)的服務(wù)質(zhì)量(QoS)和電池壽命，導(dǎo)致客戶不滿和收入下滑。線性化可以讓功率放大器在高功率附加效率(PAE)區(qū)間運(yùn)行，接近飽和點(diǎn)且不會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的信號(hào)失真，從而降低了成本。

數(shù)字預(yù)失真(DPD)是一個(gè)經(jīng)濟(jì)高效的線性化方法。目前，市場(chǎng)可提供 2G/3G 制式的全套商用現(xiàn)貨(COTS)芯片組和 IP 來(lái)滿足此需求。但是，很多情況下這些商用數(shù)字預(yù)失真方法無(wú)法滿足 4G 要求。以下總結(jié)了當(dāng)今物理層通信設(shè)計(jì)人員面臨的數(shù)字預(yù)失真挑戰(zhàn)。

解決方案

工程師向 4G 過(guò)渡需要一個(gè)快速可行的解決方案，以實(shí)現(xiàn) 4G 通信系統(tǒng)的數(shù)字預(yù)失真。各個(gè)知識(shí)層面的工程師都可以使用這個(gè)解決方案，并且方案的設(shè)備要求極低。工具套件必須精確、避免依賴某一特定廠商的芯片組或硬件方案來(lái)實(shí)現(xiàn)初期建模，并且能夠?qū)⒍ㄖ茢?shù)字預(yù)失真融入基帶設(shè)計(jì)中，從而保持較小的BOM表。此外，它必須能夠與一系列其他工具連接，以進(jìn)行硬件驗(yàn)證。

增加了數(shù)字預(yù)失真功能――W1716 DPD Builder 的 Agilent SystemVue 平臺(tái)是滿足上述條件的解決方案之一。該軟件提供帶有向?qū)е甘镜暮?jiǎn)單易用型用戶界面，能夠讓用戶對(duì)大功率和小功率功率放大器、收發(fā)機(jī)集成電路甚至自動(dòng)增益控制模塊的 4G記憶 效應(yīng)進(jìn)行快速建模和校正。

W1716 DPD 旨在幫助無(wú)線系統(tǒng)架構(gòu)師使用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的通用商用測(cè)試設(shè)備進(jìn)行早期的體系架構(gòu)和元件分析。專有數(shù)字預(yù)失真解決方案需要工程師僅僅為了進(jìn)行4G可行性研究就要在方案成熟前做出一系實(shí)施決定。使用 W1716 DPD，無(wú)線架構(gòu)師可以在數(shù)分鐘內(nèi)評(píng)測(cè)一個(gè)元件在保持硬件靈活性和充分的 4G 測(cè)量信心的前提下能夠多大程度被線性化。安捷倫實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)憑借了以下關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)：強(qiáng)大且易用的安捷倫數(shù)字預(yù)失真算法、開(kāi)放、不依賴于特定廠商或技術(shù)的數(shù)字預(yù)失真與功率放大器硬件設(shè)計(jì)方法、高性能且靈活的安捷倫儀器、真實(shí)且符合標(biāo)準(zhǔn)的波形(例如 LTE 和 LTE-Advanced，帶有 CFR)進(jìn)行表征。

CFR 補(bǔ)充并改善了數(shù)字預(yù)失真的效果。當(dāng)代通信系統(tǒng)中高頻譜效率的射頻信號(hào)具有高達(dá) 13 dB 的峰均功率比(PAPR)。CFR 可預(yù)處理信號(hào)以降低信號(hào)峰值，同時(shí)不會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的信號(hào)失真。通過(guò)降低峰均功率比，CFR 支持功率放大器在更高的功率電平下更高效率地工作，并且不會(huì)引發(fā)頻譜模板和誤差矢量幅度標(biāo)準(zhǔn)違規(guī)。CFR 直接作用于信號(hào)，而數(shù)字預(yù)失真校正功率放大器的非線性，支持信號(hào)功率的進(jìn)一步提升。

Agilent PXI 模塊化數(shù)字預(yù)失真儀器

與其他數(shù)字預(yù)失真方法不同，安捷倫的數(shù)字預(yù)失真方案從設(shè)計(jì)人員的角度出發(fā)，提供功能靈活的內(nèi)置寬帶建模工局，可連接至可配置的儀器(例如安捷倫模塊化 PXI 系列)(圖 5)。

此設(shè)置中，任意波形發(fā)生器配有用于 LTE-A 和 802.11ac 的 SystemVue，可以提供測(cè)試元件所需的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，運(yùn)行安捷倫矢量信號(hào)分析(VSA)軟件的 M9392A 捕獲信號(hào)，以測(cè)量功率放大器的非線性。使用 SystemVue 以及 M9330A 和 M9392A 可以控制并實(shí)現(xiàn)整個(gè)數(shù)字預(yù)失真設(shè)計(jì)流程的自動(dòng)化。

對(duì)運(yùn)行中的模擬功率放大器應(yīng)用數(shù)字預(yù)失真

圖 6 顯示的是記憶多項(xiàng)式數(shù)字預(yù)失真器的結(jié)構(gòu)圖。第一步是理解功率放大器行為背后的物理機(jī)制，并提取數(shù)字預(yù)失真系數(shù)。第二步是構(gòu)建預(yù)失真器模型，以便在第一步的基礎(chǔ)上精確捕獲靜態(tài)非線性和記憶效應(yīng)。標(biāo)記為“預(yù)失真器訓(xùn)練”的反饋路徑(模塊 A)輸入為 (n)/G，輸出為 z?(n)，其中 G 是預(yù)期功率放大器小幅信號(hào)增益。實(shí)際預(yù)失真器是反饋路徑的完全復(fù)制(A 的副本)，輸入和輸出分別為 x(n) 和 z(n)。理想狀況下，(n) = Gx(n)，其中 z(n) = z?(n)，誤差項(xiàng) e(n) = 0。根據(jù) y(n) 和 z(n)，該結(jié)構(gòu)可以讓我們直接找出模塊 A 的參數(shù)，進(jìn)而生成預(yù)失真器。算法在誤差能量 ║e(n)║2 最低時(shí)收斂。

使用 SystemVue W1716 DPD 功能表征真實(shí)的功率放大器硬件是一個(gè)簡(jiǎn)單直接的、只需幾分鐘的過(guò)程。測(cè)量設(shè)置和步驟如圖 7 所示。注意，基于仿真的數(shù)字預(yù)失真提取方法也使用相同的流程。本應(yīng)用指南中暫不討論該方法。

數(shù)字預(yù)失真建模流程步驟：

1. 通過(guò) W1716 DPD 向?qū)в?jì)算并將數(shù)字預(yù)失真激勵(lì)波形(例如 LTE-Advanced、802.11ac 或定制波形)下載至 M9330A 任意波形發(fā)生器?；鶐我獠ㄐ伟l(fā)生器輸出 I 和 Q 模擬電壓，來(lái)驅(qū)動(dòng) Agilent N5182A MXG 信號(hào)源的基帶輸入。之后，MXG 輸出一個(gè)調(diào)制的射頻波形作為功率放大器的激勵(lì)，激勵(lì)信號(hào)帶有之前設(shè)定的平坦度和校準(zhǔn)。注意，大型基站功率放大器可能需外部前置放大器來(lái)驅(qū)動(dòng)至 1 dB 壓縮點(diǎn)。

2. 使用 M9392A 矢量信號(hào)分析儀捕獲原始輸入信號(hào)和功率放大器放大之后的信號(hào)，并通過(guò) 89600 VSA 軟件傳回 SystemVue。注意，功率放大器輸出信號(hào)進(jìn)入 M9392A 前可能需要衰減，以避免損環(huán)或造成分析儀過(guò)載，或降低其校準(zhǔn)性能。

3. W1716 DPD 工具可以根據(jù)時(shí)間對(duì)應(yīng)并比較捕獲的輸出波形與線性標(biāo)度的輸入波形，以獲得代表被測(cè)件特性的 EVM 歷史記錄。根據(jù)上述差異可以提取數(shù)字預(yù)失真模型，然后通過(guò)仿真進(jìn)行驗(yàn)證。此時(shí)，您可以獲得一個(gè)在斷開(kāi)測(cè)量?jī)x器后仍可使用的“臟(dirty)功率放大器”模型。

4. 為了在硬件中進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)原始激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)失真并再次下載到信號(hào)發(fā)生器上，以再次測(cè)試功率放大器。使用與步驟 2 相同的物理連接并捕獲線性化后的DPD+功率放大器響應(yīng)。

5. 分析并繪制捕獲響應(yīng)的圖形。