檢驗實際的WiMax MIMO測試－jcjin的心情筆記

隨著都會區域Wi-Fi專案紛紛取消，WiMax開始成為眾人注目的焦點。WiMax能夠克服都會區域和長途應用中Wi-Fi的所有缺點，業界已有多家晶片供應商提供了WiMax晶片解決方案，除此之外，多家業者早已投入巨資以促進WiMax產業發展。

儘管最近有大量新聞報導基礎建設的準備工作有所延遲，但WiMax設計似乎仍不斷地向前發展。而且大多數設計是依據Wave-2規格，採用多輸入多輸出(MIMO)實現方案。

MIMO和WiMax結合後可提供更高的資料傳輸速度，然而卻增加了混合設備的軟硬體複雜性。設計面臨的挑戰將是在充分發揮MIMO優勢的同時降低成本。該成本不僅是材料清單，還包括了設計相容性、可靠設備和量產這些設備的相關費用，以及錯失市場相關的機會成本，而開發測試和製造測試的影響也成為WiMax發展成敗的因素。

在無線通訊和網路連線等競爭激烈的市場中，上市時間至關重要。錯失一個月的市場機會就可能損失一半的期望收益。因此開發必須以極快的速度完成，最終產品必須在第一次就開發成功，製造也必須相當精確，製造缺失必須在產品推出前被發現，而測試成本不能影響到未來在需求降低或利潤削減時的產品定價。當系統變得越趨複雜，開發測試和製造性測試必須同時達到較為嚴苛的相容等級，這聽來確實不可置信。

還記得多徑天線接收問題嗎？一個波直接到達接收天線，另一波從牆上反彈回來，這兩個波有可能形成建設性的合波還是破壞性的干擾呢？不管在哪種情況下，波的幅度不是上升就是下降，因而影響訊息雜訊比(SNR)和誤差率(BER)。相反的，MIMO則利用了多徑訊號好的一面。

MIMO將一個寬頻訊號分成兩個平行的位元串流，每個位元串流透過獨立的射頻天線發送。在無線通道的另一端，用兩個接收機和天線接收訊號，施以高度發展的數位訊號處理，獨立位元串流被復原並組合起來形成原始的寬頻訊號。

這兩個訊號使用相同的通道，然而這被結合後的寬頻訊號卻具有比原先多上2倍的位元速率，換句話說，無需增加通道頻寬就可以將資料傳送速度最多提高到2倍。依此類推，每端使用三個接收機和三副天線就可以將資料傳送速度提高到三倍；四個接收機和四副天線可以提高到四倍。Wave 2 WiMax規格最多可實現4x4的架構。

實際使用時可能無法達到這些最大值。例如3x3的架構所提供的速度可能稍高於2x2，但即使這樣也還取決於大量外部因素。儘管如此，MIMO確實無需增加通道頻寬就能有效地提高吞吐量。

OFDM和EVM

在MIMO之前已有另外一種創新的方法可實現在一個無線載波上傳送更多的位元，這就是正交頻分多工(OFDM)。OFDM使用先進的調變技術在載波頻寬內產生正交(非干涉)子載波，每個子載波都能發送資料，這個概念有點類似於將射頻載波做成平行的資料匯流排。事實上，Wi-Fi和WiMax其實都使用了不同形式的OFDM技術，然而OFDM需要使用創新的測試方法，傳統的功率計和頻譜分析儀無法跟上這個速度。

正因為如此，業界導入了誤差向量幅度(EVM)的概念。從品質上來看，EVM代表的是誤差向量，定義為測量訊號與訊號群中理想無誤差點之間的差異。

EVM擷取訊號，並提供大量的分析，可取代一連串的增量型測量而不會影響測試完整性。我們經常發現，在傳統測試時，能滿足功率頻譜密度規格的設備，當再使用EVM測試時，將顯示出性能不足的結果。

在Wi-Fi MIMO(即802.11n)的開發工作中已經遇到了許多與WiMax MIMO相關的挑戰。增加額外無線裝置和天線所引起的成本增加可能是線性的，但測試成本不是，它不只是簡單的乘法運算，額外的無線裝置和電路走線有可能引起更多的干擾。路徑長度差異還會造成群延遲，使誤差逼近極限。

為了完整地檢驗設計，驗證最壞情況下的結果仍然滿足規格要求，應該使測試環境盡可能接近實際，允許那些能影響位元錯誤率的損傷和其它通道干擾的存在。測試系統供應商已經開發出單盒(single-box)測試器，該測試器包含了向量訊號產生器(VSG)、向量訊號分析儀(VSA)以及測試演算法，可充分發揮EVM的優勢。這種盒子不僅適用於開發測試，經過少許修改還能用於生產測試。但在3x3 MIMO設計中，必須對三對發送器接收器進行評估，而且每對收發器必須同時被啟動。

LitePoint公司已開發出生產測試解決方案，透過將IQmax 500改造成更適合生產使用的IQmax 100，並將它與IQfact特定晶片軟體整合，該方案結合了通用平台的優點以及研發測試。

圖：WiMAX使用不同形式的OFDM，需以創新方式來測試寬頻訊號，因為寬頻訊號被劃分成兩個訊號並透過Tx1和Tx2發送。