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标题: MIMO测试基础 [打印本页]

作者: admin 时间: 2014-10-13 13:05
标题: MIMO测试基础

通信市场以及语音和数据服务基本技术都在不断演变。客户总是期望更高的无线带宽，而服务供应商也想出售除语音外具有高价值的服务。此外，数字信号处理技术成本的下降，使得高带宽的宽带无线系统已经使用到我们一刻也不能离身的手机，PDA和笔记本电脑上。

基于调制方案的无线宽带的首选技术称为正交频分复用（OFDM）。OFDM技术用在许多单输入单输出（SISO）的无线标准，同时也可以用于多输入多输出（MIMO）无线配置。使用OFDM技术的标准包括WiMAX，LTE技术，WLAN和DVB。相比其他无线技术，OFDM技术有许多好处，其中包括一个主要特点，就是能有效克服多径问题。

本文主要分析一些关键参数和测试方案，以验证基于OFDM的MIMO系统性能。

MIMO和OFDM基础

典型的MIMO配置包括2x2（两个发射器和两个接收器) 的系统。同理4×4系统有4个发射器和4个接收器，等等。 MIMO的发射机传输多个使用相同频率信道的OFDM信号。我们在接收端面临的挑战是能够重新获得4个独立的无线电信号。因此，MIMO允许多次使用相同的带宽，具有更高的频谱效率。

1. 通过4个独立的OFDM载波，并把他们彼此叠加，MIMO技术允许传输的信息多达相同带宽单载波的3.5倍。

例如，如果一个MIMO发射器在相同的频率上传送两个信号，每个信号通过略微不同的路径到达接收器。每个信号相对于原来传输信号的偏离，主要是由于多径失真造成的。两台接收机都是接收原始信号的混合物。

OFDM技术是一种有效的调制方案，对其他射频干扰能够进行有效抑制。因为WLAN部署在无管制的ISM频段，所以这一特点是十分重要的。同时OFDM技术在恶劣的多径环境中也很好地工作。

最现代的通信系统每次使用一个载波传输一个符号。要想获得更高的数据吞吐量只能通过增加符号率。但是，符号速率越快，每个符号的持续时间就越短。在有多个信号路径存在的环境中，总会存在一个临界点，简单的增加数据传输速率已不是一种选择，因为由于符号间干扰会丢失“额外数据”的任何增益，只有在单一路径下高的符号率才能正常工作，如利用微波线路传输的线性特征，而在存在多径干扰问题的情况下必须控制符号率。

OFDM技术利用每个载波的符号率低的特点以减少多径干扰，但通过使用多个载波来增加数据速率。

OFDM技术在多个载波上同时传送多个符号，而不是一次只传送一个单一符号。该子载波分布在精心挑选的倍数频率上，因此它们是“正交”的，以便保证相邻子载波互相间无干扰。由数学只是可知，载波的频率间隔等于符号率时就保证为正交。

正如任何数字广播一样，符号结构反应在时间上。在WiMAX（802.16e）和LTE中，正交频分多址（OFDMA技术）用来实现接入该系统的用户数目的动态变化。每个OFDMA的时间增量都是由符号长度决定。例如，我们可以设置一个前导符号，然后是下行链路映射，希望能收到的一些信息，过渡间隙，传输上行突发的信息，然后是另一个周期重新启动前的发射间隙。WiMAX技术可以在上行和下行链路突发之间使用时分双工或频分双工。

因此，在每一个OFDMA符号周期，多个符号并行传播。事实上，WiMAX技术可以在每个OFDM符号周期上传送128至2048符号。纵轴标示子信道数目。子信道并不是实际的物理信道，而是每一个OFDM符号周期内传送的一组并行信号。周期内WiMAX信号如何构造和工作是由符号映射定义的。符号映射基本上是一个二乘二矩阵，垂直方向是并行符号，水平方向是这些符号的时间偏移量。

OFDM，一种多载波调制技术，可以将一个高速的数据流分成多个子载波上并行传输的若干个低速数据流。此方案大大减少了并行子载波的数据传输速率，从而增加了符号周期。这种类型的数字调制方案创造出一个看起来近似噪声的时域波形。使用OFDM方案的多载波波形具有很高的峰值平均比率（PAR）。

OFDM使用反向快速傅里叶变换（IFFT），使得高速数据流分解成许多低速并行数据流。然后进行IFFT使这些低速数据流分布到带宽上作为独立的子载波。每个低速子载波可以使用添加到发送符号的保护带宽，保护带宽时间足够长以抑制造成符号间干扰的最严重的多径反射。从根本上说，目的是降低符号速率，同时通过IFFT传输低速并行符号而不是高速符号序列来保持高数据速率的传输。

测试基础

现在有两种基本的MIMO信号测试系统：发射机/接收机系统和信道质量。

在发射机侧，子载波信号随机相位可产生瞬时功率水平，导致放大器叠加，造成暂时的失真和最终符号错误。信号具有较高的PAR率可能会导致在传输过程中难以预测的放大器叠加。OFDM信号，特别是其动态和类似噪音的性质，使放大器叠加问题很难判决。

当放大器工作在其线性区域内，对于每1分贝输入的增加，依赖于增益的输出端也相应增加。由于放大器输出功率的增加，最终会使得输出功率的增加小于相应输入功率增加。此时放大器已处于叠加失真状态。由于放大器此时工作在非线性区域，会产生谐波及互调效应。最终，当输出功率随输入功率增加而不再有任何相应增加时，放大器已处于叠加失真。此刻放大器处于饱和状态。

尽管叠加和非叠加OFDM信号的特征存在明显不同，但在时域测量增益叠加并不明显。叠加和非叠加OFDM信号特征的不同在频域也许会更明显。

知道信道的信号质量也至关重要。信道模拟器可以仿真设备在小区边缘的性能，可以加入噪音，或仿真在特定速率下信道的状态。例如，一致性测试就是验证在特定信道中设备的工作情况。

为了充分体现接收器的性能，标准发射机，如矢量信号发生器（VSG）和信道仿真机，可用于在不同的条件下接收机测试。相反，不同条件下发射机的性能可以使用信道模拟器和校准接收器进行验证，如矢量信号分析仪（VSA）。

了解信道可以操控每个发射器的相位和振幅，以便形成一个波束。要正确形成波束，发射机需要知道信道特点。这一过程被称为信道探测。一个已知信号发送到可建立信道环境概貌的移动设备。然后电话将信道的特点发回到发射机。发射机可以使用正确的相位和幅度调整来形成针对移动设备的波束。这就是所谓的闭环MIMO系统。为了形成波束，需要调整每个发射器的相位和振幅。

信道可以由一个矩阵H表示。信道矩阵可以通过两个转置（Tx和Rx）和缩放操作进行表示。这一过程被称为奇异值分解（SVD）。奇异值分解表示的缩放矩阵就是所谓的奇异值。最大奇异值与最小值的比例称为矩阵条件。如果接收路径获得相同的信号噪声，那么矩阵的条件将一致。如果一条路径上信号的信噪比非常低，那么矩阵的条件将是很高的。这可以说明接收机的动态范围，如一条路径的幅度可能很高（缩放向量近似1）和另一条路径的幅度非常低（缩放向量非常小）。

另外信道响应测试值得检查，看看是否是一个特定数据流造成的问题。一个通用的衡量方法是监测矩阵条件数，直到有一个非常大的值，然后切换到监督实际奇异值来理解矩阵解法。

移动无线电信号的小规模变化与移动无线信道的脉冲响应直接相关。脉冲响应是宽带信道特征及包含所有必要同于仿真或分析通过信道任何类型无线电传输的信息。

系统源于这样一个事实，即移动无线信道可以建模成具有时变脉冲响应的线性滤波器，接收机空间位置的运动导致时间变化。信道的滤波器性质由与任何时刻抵达的多个波形振幅和延时的总和造成的。

脉冲响应是表征信道特征非常有用的参量，可用于预测和比较特定的移动信道条件下各种移动通信系统和传输带宽的不同性能。

仪表选择

在花费大量资金选择测试设备之前仔细规划未来情况是十分重要的。

现代信号格式例如WiMAX，相比早期商业化OFDM系统，如DVB-H标准或WLAN，可以看到复杂性成指数规律增长。虽然许多仪器今天还在大量的微处理器上进行测量，但这并不是一种可持续的测量模型。仪表需要利用最新的DSP技术采取更高形式的测量处理架构来更加迅速、有效和容易地条调制或解调复杂信号，产生精确和可重复的测量。

尽管现在许多MIMO系统是一个2x2配置，市场指标显示更高的配置已经迫在眉睫。即使现在WLAN和WiMAX都采用4×4的配置，以便知确定购买测试设备时，由简单的升级WiMAX矩阵C 4×4的配置或更高方案是否是一种重要的考虑。

一个重要考虑就是带宽，WiMAX和WLAN的带宽高达40MHz，相比传统的蜂窝通信技术WLAN和WiMAX标准提供一个显著增加的数据传输速率。在无线连接的未来，数据传输速率和移动性都将增加。

另一个考虑是波束赋形的研究，现在主要围绕发展高配置的无线电设备，以真正地为客户提供最大限度的服务。8x8甚至16x16无线配置正领导商业宽带无线研究的方向。

2.Keithley的MIMO射频测试系统对于最复杂和艰巨的射频系统也是灵活和可扩展的，其中包括最多8x8 MIMO配置。

因此，选择可用于SISO测试系统的VSGs和VSAs需要认真考虑，但可以很容易地与其他单元联合组成的最高16x16 的MIMO系统。

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