克服MIMO無線區(qū)域網(wǎng)路生產(chǎn)測(cè)試新挑戰(zhàn)

輸入與多重輸出(MIMO)技術(shù)可說是自數(shù)字通信問世以來，無線通訊技術(shù)最重要的下一個(gè)發(fā)展。許多新的無線通信標(biāo)準(zhǔn)都包含MIMO選項(xiàng)，但目前為止，最引人矚目的標(biāo)準(zhǔn)就屬美國(guó)電子電機(jī)工程師協(xié)會(huì)(IEEE)的802.11n無線區(qū)域網(wǎng)路(WLAN)標(biāo)準(zhǔn)了。雖然這項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)目前仍處于草案階段，但市面上已經(jīng)可以買到具有MIMO優(yōu)點(diǎn)的Pre-802.11nWLAN設(shè)備。各方評(píng)論這項(xiàng)設(shè)備的結(jié)果顯示，MIMO技術(shù)確實(shí)可行，運(yùn)用這項(xiàng)技術(shù)，不需增加頻寬或輸出功率，即可大幅提高WLAN設(shè)備的資料速率和范圍。

MO的好處也不是平白享有，不用付出代價(jià)的。若要具備MIMO的能力，就必須在通訊連結(jié)的兩端使用多組發(fā)射器和接收器，除了會(huì)為產(chǎn)品增加成本和帶來額外的復(fù)雜度以外，也可能對(duì)生產(chǎn)和終程測(cè)試的成本造成極大的影響。另外，為了得到MIMO系統(tǒng)可以提高效能的好處，發(fā)射器和接收器本身的效能也必須大幅優(yōu)于我們對(duì)現(xiàn)有正交分頻多工(OFDM)WLAN標(biāo)準(zhǔn)(如802.11g)的期待。伴隨新的效能要求而來的是，所使用的生產(chǎn)測(cè)試系統(tǒng)必須克服新的挑戰(zhàn)，才能確保產(chǎn)品符合品質(zhì)及效能要求的目標(biāo)。而最值得關(guān)注的一點(diǎn)，則是有無可能在發(fā)射器和接收器的數(shù)目變成兩倍、三倍、甚至四倍，而且規(guī)格要求更嚴(yán)格的情形下，依然把測(cè)試成本控制在802.11a/g系統(tǒng)的水準(zhǔn)?

生產(chǎn)測(cè)試方法的比較

AN制造商可以選擇MIMO測(cè)試要使用的測(cè)試設(shè)備類型和供應(yīng)商，為了避免增加測(cè)試時(shí)間，有必要謹(jǐn)慎地選擇可以維持品質(zhì)又能限制測(cè)試成本的方法。過去據(jù)以選擇傳統(tǒng)測(cè)試用的設(shè)備所依循的論點(diǎn)依舊適用于MIMO(參考資料2、3)，然而，除了要維持可接受的測(cè)試時(shí)間以外，也有必要測(cè)試待測(cè)裝置(DUT)是否具有夠高的MIMO效能。測(cè)試方法通常有四種選擇：

●傳統(tǒng)方法-黃金樣品(GoldenRadio，GR)、頻譜分析儀加功率錶

●GR加支援單一頻道的單機(jī)式測(cè)試儀(OneBoxTester，OBT)

●支援單一頻道的OBT

●支援多頻道的OBT或多部OBT

多年來，WLAN生產(chǎn)都嘗試使用傳統(tǒng)的測(cè)試方法，早年之所以會(huì)採(cǎi)行這種方法純粹是因?yàn)闆]有專用的WLAN測(cè)試儀器。這種方法有一些缺點(diǎn)，包括發(fā)射器(TX)的測(cè)試涵蓋范圍差，以及GR的支援性有限等。既沒有簡(jiǎn)單的方法可以驗(yàn)證TX的品質(zhì)，而且因?yàn)槭褂玫氖翘厥獾臏y(cè)試模式，所以GR的方法也只適用于裝置類型相符的測(cè)試。

類型的裝置或新的標(biāo)準(zhǔn)出現(xiàn)時(shí)，通常會(huì)採(cǎi)用GR的方法，部分原因是未必會(huì)有適用的測(cè)試設(shè)備可以解調(diào)出新的信號(hào)。在生產(chǎn)初期使用GR還能驗(yàn)證通信協(xié)定和媒體存取控制器(MAC)，而經(jīng)過一段時(shí)間后，隨著產(chǎn)量的提高，通常可以轉(zhuǎn)向使用OBT，而逐步停用GR。

于傳統(tǒng)的測(cè)試方法，使用GR加單一部OBT確實(shí)有一些優(yōu)點(diǎn)。OBT應(yīng)該可以提供高效能的解調(diào)能力，以便測(cè)試所有重要的TX參數(shù)，除了功率和頻譜量測(cè)以外，還包括誤差向量的值(EVM)、載波洩漏、以及頻譜平坦度等。運(yùn)用OBT可以準(zhǔn)確地校準(zhǔn)GR的輸出，且可以使用GR，在模擬的MIMO條件下量測(cè)接收器的靈敏度。這樣做需要使用一個(gè)簡(jiǎn)單的頻道模擬網(wǎng)路，或只要直接將DUT的接收器(RX)連接到GR的TX，加上適當(dāng)?shù)乃p就行了。至于如何使用支援單一頻道的OBT來量測(cè)多個(gè)MIMO頻道的問題仍需要加以解決，足夠的測(cè)試涵蓋范圍和可接受的測(cè)試時(shí)間是很重要的，本文稍后會(huì)加以探討。

從生產(chǎn)測(cè)試的角度來看，採(cǎi)用單一部OBT是最簡(jiǎn)單的方法，完全沒有使用GR的缺點(diǎn)，而且可以提供傳統(tǒng)方法具備的所有其它重要的量測(cè)能力。然而，必須要去瞭解的是：要用什么方法才能維持測(cè)試時(shí)間在可接受的范圍，且能涵蓋所有的MIMO測(cè)試項(xiàng)目。

理論上，支援多頻道的OBT或多部OBT應(yīng)該能解決上述所有的問題，但代價(jià)是成本較高。如果可以觸發(fā)OBT來同時(shí)量測(cè)或產(chǎn)生多個(gè)信號(hào)，那么測(cè)試時(shí)間就可以與非MIMO的裝置近似。由于多頻道的產(chǎn)生器或分析儀可以測(cè)試出DUT真實(shí)的MIMO效能，因此可以涵蓋完整的MIMO測(cè)試項(xiàng)目。這種方法的最大問題在于測(cè)試的成本，舉例來說，具有三組頻道的DUT會(huì)需要使用一部含三個(gè)頻道的產(chǎn)生器和分析儀，或三部連接在一起的OBT，以進(jìn)行適當(dāng)?shù)挠|發(fā)測(cè)試。對(duì)某些WLAN制造商來說，可能無法接受這么高的測(cè)試設(shè)備成本，尤其是如果這種方法的優(yōu)點(diǎn)又無法證明成本增加是值得的話。

表1列出了上述每一種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，表格最左邊這一欄是制造商在架設(shè)生產(chǎn)線時(shí)，通常會(huì)考慮的幾個(gè)主要因素，其重要性依序遞減。

表1：生產(chǎn)測(cè)試方法的比較

最佳的WLANOBT設(shè)計(jì)

由表1可以看出，如果可以解決速度上的限制，則使用單一部OBT進(jìn)行MIMO測(cè)試是最好的方法。為了說明其可能性，有必要先來看看OBT的內(nèi)部架構(gòu)。

WLANOBT的量測(cè)時(shí)間大部分都花在擷取資料的傳送上面，而非信號(hào)處理上面，因此，有必要設(shè)計(jì)一個(gè)可以限制傳送到信號(hào)處理器的資料量和傳送頻率的內(nèi)部架構(gòu)。我們可以定義一些有助于設(shè)計(jì)出最佳OBT的原則：

1.避免透過區(qū)域網(wǎng)路(LAN)，或是OBT內(nèi)建或個(gè)人電腦(PC)外接的通用序列匯流排(USB)來傳送擷取資料(例如I/Q取樣)。理想上，信號(hào)處理器應(yīng)該要能直接存取擷取存儲(chǔ)器的內(nèi)容。

2.盡可能從單一次擷取到的資料中執(zhí)行最多次的量測(cè)，包括所有多頻道的MIMO量測(cè)。

3.選用專為快速處理OFDM信號(hào)而設(shè)計(jì)的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)。

4.盡可能將最多的信號(hào)處理工作丟給具有“即時(shí)”處理能力的硬件，如FPGA可程式化邏輯晶片。

5.盡可能簡(jiǎn)化功率量測(cè)的演算法，并將頻譜量測(cè)最佳化，以善用DSP的運(yùn)算資源，同時(shí)僅執(zhí)行符合原始IEEE規(guī)格的頻譜量測(cè)。

6.將OBT內(nèi)的頻率和功率切換速度最佳化。

7.OBT的產(chǎn)生器要能迅速地選擇和產(chǎn)生封包。

8.確保OBT的功率準(zhǔn)確度規(guī)格夠好，不需要在測(cè)試機(jī)臺(tái)內(nèi)再使用功率錶。

這些標(biāo)準(zhǔn)都達(dá)到后，就有可能以非常有效率的方式，在最理想的測(cè)試時(shí)間內(nèi)，量測(cè)WLANDUT。除此之外，只要運(yùn)用適當(dāng)?shù)念l道連結(jié)硬體，就可以測(cè)試MIMODUT，且測(cè)試時(shí)間只會(huì)略微增加一點(diǎn)點(diǎn)。

快速的MIMO量測(cè)

所述，因MIMODUT內(nèi)有額外的發(fā)射器和接收器，且MIMO有特定的測(cè)試要進(jìn)行，因此需要執(zhí)行一些額外的量測(cè)。所需的測(cè)試方法不僅要能執(zhí)行額外的測(cè)試，還要能維持量測(cè)的正確性。使用多部OBT可以達(dá)到這樣的目的，然而，這種方法的成本對(duì)許多制造商來說可能太高了。另一種方法是使用單一部OBT，并設(shè)計(jì)一種方法來連接DUT和OBT，目標(biāo)是要將量測(cè)速度最佳化并兼顧量測(cè)的正確性。有兩種做法可供參考：

●功率分配器/結(jié)合器(PowerSplitter/Combiner)

使用功率分配器/結(jié)合器，將每一個(gè)MIMO頻道與OBT相連接(圖1中的上圖)。這種結(jié)合的方法對(duì)某些制造商而言，或許會(huì)有吸引力，因?yàn)橹灰诿總€(gè)頻道上使用特定且已知的payload資料，可能就可以提供虛擬的EVM量測(cè)，能大致看出每個(gè)TX的效能。然而，也可能無法判定因頻道隔離度不佳或暫態(tài)變化造成MIMO效能變差的狀況，另外，也無法檢查RX路徑的MIMO效能。

●切換矩陣(SwitchMatrix)

使用切換矩陣的方法(圖1中的下圖)可避免這些缺點(diǎn)，但是否也能避免測(cè)試時(shí)間大幅增加的問題?使用這種方法也還不清楚可以量測(cè)出多真實(shí)的MIMO效能，至于測(cè)試時(shí)間的問題則可以回過頭參考OBT的架構(gòu)。記?。簻y(cè)試時(shí)間與擷取資料的處理方式比較有關(guān)，而非處理資料的時(shí)間，瞭解這一點(diǎn)以后，合理的下一步就是要確保取樣到的所有MIMOTX信號(hào)都要出現(xiàn)在DSP的存儲(chǔ)器中。這樣一來，所需的額外測(cè)試時(shí)間就只會(huì)受限于DSP的能力了。這種方法可能可以測(cè)出真實(shí)的MIMO效能，如頻道的隔離度和EVM，另外，也可能可以測(cè)試RX頻道的隔離度。其做法有兩種：一是將由DUT擷取到的原始MIMO資料傳到外部進(jìn)行處理，以計(jì)算出頻道的隔離度;二是觀察一個(gè)沒有輸入信號(hào)之頻道的接收信號(hào)強(qiáng)度指示器(RSSI)或封包錯(cuò)誤率(PER)，而另一個(gè)頻道則連接到產(chǎn)生器，藉此測(cè)定隔離度。

圖1：使用單一部OBT進(jìn)行MIMO測(cè)試的另一種選擇

MIMO特有的測(cè)試

●校準(zhǔn)與調(diào)校

如同802.11a/b/gWLAN裝置一樣，MIMO裝置也需要校準(zhǔn)或調(diào)校。其做法是先在預(yù)先定義好的特定條件下量測(cè)DUT的原始效能、將測(cè)試資料儲(chǔ)存在測(cè)試機(jī)臺(tái)或伺服器中、然后將這份資料處理過的版本下載到DUT中。每一家晶片商都有自己偏好的校準(zhǔn)方法。目前觀察到的一般趨勢(shì)是，隨著新裝置的出現(xiàn)，所執(zhí)行的校準(zhǔn)次數(shù)已變得愈來愈少，預(yù)計(jì)這樣的趨勢(shì)還會(huì)持續(xù)，最終有可能會(huì)免除所有的校準(zhǔn)，以便徹底改善每個(gè)裝置的總體測(cè)試時(shí)間。

●參數(shù)測(cè)試

一旦MIMODUT成功完成校準(zhǔn)程序后，就應(yīng)該進(jìn)行完整的測(cè)試，且通過測(cè)試的機(jī)率應(yīng)該要相當(dāng)高。這個(gè)階段所要執(zhí)行的測(cè)試需經(jīng)過審慎的挑選，以便能檢測(cè)出最多已知的生產(chǎn)問題。許多測(cè)試項(xiàng)目與802.11a/b/gWLANDUT是一樣的，另外再加入一些適當(dāng)?shù)臏y(cè)試，以確保產(chǎn)品具有夠高的MIMO效能：

表2：MIMO的測(cè)試項(xiàng)目

●測(cè)試時(shí)間的考量

圖2所示為利用一部OBT來測(cè)試802.11a/g裝置時(shí)，每個(gè)項(xiàng)目所花的典型量測(cè)時(shí)間。

圖2：測(cè)試典型的802.11a/g裝置時(shí)每個(gè)項(xiàng)目所花費(fèi)的時(shí)間比例

2.11a/gDUT的總測(cè)試時(shí)間通常介于50和80秒之間，取決于所採(cǎi)用的測(cè)試計(jì)畫和設(shè)備。您可能會(huì)猜想說：除非每個(gè)MIMO頻道都個(gè)別使用一套測(cè)試設(shè)備，否則測(cè)試時(shí)間會(huì)與頻道數(shù)成正比增加，另外還要再加上一些執(zhí)行MIMO特有測(cè)試的時(shí)間。不過，實(shí)際的情形是，測(cè)試時(shí)間完全取決于測(cè)試儀器的架構(gòu)，以及在儀器中所設(shè)定的測(cè)試方式。由圖2可以看出，功率和頻譜量測(cè)是佔(zhàn)據(jù)總測(cè)試時(shí)間最大宗的兩項(xiàng)，RX校準(zhǔn)和靈敏度測(cè)試居次，剩余的其它測(cè)試僅佔(zhàn)了總測(cè)試時(shí)間的一小部份而已。

一步的瓶頸分析可以得知，只要將OBT的架構(gòu)設(shè)計(jì)最佳化，盡可能減少在OBT內(nèi)傳送大塊的資料，或是在某些情況下，透過LAN或USB將大塊的資料從OBT送到PC中執(zhí)行進(jìn)一步處理的必要，就可以大幅改善測(cè)試時(shí)間的問題。顯然，測(cè)試時(shí)間并非全然取決于要執(zhí)行的測(cè)試有多少，而是OBT如何擷取資料以及如何將它傳送到數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)中。

結(jié)語

落實(shí)MIMOWLAN產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)，就必須在生產(chǎn)制造的過程中，量測(cè)會(huì)影響MIMO效能的每一項(xiàng)因素。這不僅需要進(jìn)行所有傳統(tǒng)的WLAN量測(cè)，以確保每一個(gè)MIMO頻道都能正確地運(yùn)作，還必須檢查頻道間的串訊(或隔離度)。不難瞭解如果測(cè)試計(jì)畫無法驗(yàn)證特定的MIMO效能，那么一些可能嚴(yán)重影響MIMO能力的生產(chǎn)問題或許就無法被檢測(cè)出來了。需要有健全完整的測(cè)試方法和技術(shù)，才能確保新的MIMOWLAN產(chǎn)品的品質(zhì)、可靠度及效能。

最佳的OBT架構(gòu)，才有可能提供802.11a/b/g和MIMO裝置所需的測(cè)試計(jì)畫，既能避免測(cè)試時(shí)間大幅增加，又能確保足以涵蓋MIMO特有的各項(xiàng)測(cè)試。