儘管WiFi問世逾5年，卻從未停下發展腳步，陸續從IEEE 802.11b一路演進至今日的IEEE 802.11n，並引入MIMO技術，成為傳輸量暴增的一大助力。然而，水能載舟、亦能覆舟，MIMO雖具有高速傳輸優勢，但測試的考驗也更加艱難。本文即從測試角度出發，與讀者討論MIMO技術的測試關卡。
要說筆記型電腦大量具備無線網路上網功能，也是近5年的事。雖然當年採用的是IEEE 802.11b技術，理論上極速頂多11Mbit/s，而且大多須要透過昂貴的外加無線網路卡才可以上網，卻已在市場上造成極大轟動，因為終於可以擺脫有線的束縛，實現隨處上網的夢想。
稍後，在半導體龍頭英特爾(Intel)的鼓吹之下，內建無線網路功能的迅馳(Centrino)筆記型電腦更是隨處可見，並且採用更為複雜的正交分頻多工(OFDM)技術，理論傳輸速度可達54Mbit/s，訊號工作頻率亦由2.4GHz跳到5GHz，大幅提升傳輸速度及穩定性。
藉由無線上網帶來的便利性，一般民眾們都可以享受到科技進步所帶來的好處，然而對於網通製造產業而言，卻意謂著必須投入更多的資金來添購測試設備，以應付不斷成長的科技。
例如當年在802.11b時代，針對較簡單的直接序列展頻(Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS)/編碼調變技術(Complementary Code Keying, CCK)調變技術，也許用傳統功率表或頻譜分析儀即可完成發射測試，甚至連接收測試只要搭配特性比較好一些的無線網卡(俗稱Golden Unit)即可。然對11g/a採用複雜的OFDM技術，廠商就必須使用向量訊號分析儀(Vector Signal Analyzer, VSA)實際解調訊號，才能得知國際電子電機工程師協會(IEEE)規範中所定義的參數，如誤差向量幅度(Error Vector Magnitude, EVM)，並確實得知訊號的品質，上述並非一般由功率或頻譜可以得知。另外，還必須搭配可以產生OFDM訊號的訊號產生器，如向量訊號產生器(Vector Signal Generator, VSG)，才能確實執行接收測試。
無線網路的傳輸速度不斷被要求，縱使以OFDM技術為基礎的11g/a，速度還是無法與有線網路動輒100Mbit/s、1Gbit/s相提並論。加上一般大多是在室內的使用環境，牆壁或家具都很容易造成多路徑衰退現象，此外，為了避開其他眾多的無線通訊所產生的干擾，往往無法以最高速率傳輸。為了解決此一問題，大約3年前，採用多重輸入多重輸出(MIMO)的無線網路卡問世了，其時間甚至早於802.11n規格草案底定之前，顯示MIMO所帶來的效能提升確實充滿吸引力。
MIMO受歡迎 效能/考驗同時倍增
MIMO系統與傳統11a/b/g等無線區域網路(WLAN)通訊間最明顯的差異包括以下數點：MIMO可以在同一個時間、同樣的頻率，傳送不同的資料流，以11n為例，最多可傳送四組，而以往11a/b/g網路卡，即使有多根發射天線，最多也只是一組資料流。其基本架構如圖1。
圖1 MIMO基本架構
另外，MIMO的接收端，利用高階的數位訊號處理技術，可以收集發射機經由空中，從四面八方多路徑到達的訊號，經由解調過程，還原回原本的資料流。
至於基頻數位資料，則可以由以往11a/b/g的20MHz頻寬，一舉擴充到40MHz，在同樣的條件下，資料量瞬間有倍增的效果。
當然，MIMO還用了很多進階的數位調變及錯誤糾正技術，來達到高資料量及抗干擾的效果。假如單就資料傳輸量來比較，一個4×4的MIMO系統，傳輸量最高可達600Mbit/s，相對以往WiFi最高的54Mbit/s，可說是巨幅成長，甚至與有線網路比較，也相距不遠。
然而這麼多的優點，其實必須仰賴更好的實體層電路技術，例如MIMO須確認各個射頻(RF)發射路徑之間的獨立性，不互相干擾，至少保持20dB以上的隔離度(Isolation)。另外，也須確認基頻中I/Q訊號的性能，如振幅、相位誤差及群延遲(Group Delay)等。其他如低本地振盪器(Local Oscillator)之相位雜訊、極小的載波頻率偏移量與功率放大器的動態範圍，平均功率與峰值功率至少維持10dB等，都是不可忽視之處。而考量到高溫的影響，更多的主動元件，都會增加電路板的工作溫度。
相較而言，過往WiFi只是一組RF發射與接收電路，如今在同樣或甚至更小的電路板面積之下，要擺上兩組或最多到四組的電路，因此如何降低各RF電路之間的干擾，以及面臨電路元件增加，電路板整體功耗、瞬間電流增加所引起的寄生效應，都是工程師所要設法解決的。
不過，IEEE對規範的要求卻一點也無法妥協，根據802. 11n Draft規範，在64-QAM調變、5/6編碼速率，EVM不可超過-28dB，所以儀器廠商可否即時提供適當的測試設備工具(圖2)，也是很重要的。依照IEEE規範，量測設備都須忠實並快速量測MIMO參數，對於研發、品保人員或產線試量產，才能迅速得到發射、接收端電路的特性，如EVM、功率、頻譜、隔離度、頻率偏移量，本地振盪器(LO)洩漏、互補累積分布函數(CCDF)、誤包率(Packet Error Rate, PER)及靈敏度等重要參數。另外，還有一個特點，就是設備的擴充性，若使用者可以依照現有產品的需要，來搭配設備的數目，待將來市場規格升級，如從目前市場主流的2×2提升到3×3或4×4時，再添加新的測試設備即可。這樣的系統配置彈性可允許產品製造商將每一分資本支出都花在刀口上，進而達成提升產品競爭力的目標。
但即使MIMO測試設備已相當成熟，過往短短幾年來，在WLAN迅速演進的過程中，網通廠商皆已投入大量的資金購買測試設備，成本壓力恐怕很大，如果面對新的MIMO技術，還得捨棄現有儀器而完全採用新的設備，在現實環境下，必須承受非常大的壓力。因此如何在軟硬體方面加以研發，讓網通廠商繼續將舊設備延用在新產品的開發及生產，是儀器廠商與客戶之間互利共存的重要課題。
基於這樣的理念，目前已有業者免費提供量測軟體(圖3)，讓使用者可以搭配該公司過往專門用來測試WiFi訊號之設備，繼續延用來作MIMO訊號的量測。
圖3 MIMO測試軟體介面
產線/研發需求有別 量測軟體/設備分頭進行
所謂MIMO，一般認定待測物(DUT)至少會有兩支天線，但其實根據規範規定，也有所謂單一天線的訊號，即資料是以單一資料流來傳遞，這就很像傳統11a/g的訊號，也因為如此，使用單一之VSA儀器時，只要分析軟體加以修改，在不須修改設備硬體的情況下，可以輕易分析單一MIMO訊號，並得知DUT的重要實體層參數。如果網通廠商工程師想知道DUT在實際多天線工作時的特性，也可以經由軟體來進一步量測。
其實分析MIMO訊號與數學上解聯立方程組的過程非常類似：幾組發射端之資料流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，當然一般未知數不可以大於已知數，如果是這樣，則這個聯立方程組是永遠解不出未知數的。這就解釋為何市面上MIMO的產品，其發射端天線數絕不可能多於接收端天線數。
VSA在MIMO測試中的角色如同接收端天線，因此單一VSA理論上是無法解出二資料流(Two-stream)之MIMO訊息，來得到其EVM結果，但針對生產線的測試需求，其實是有技巧來克服這個問題，從而協助網通廠商的迫切需要。從測試的目的來說，生產線與研發工程人員的要求是不同的。研發的工作是在開發新產品，必須嚴格確認DUT各個功能是否符合當初設計的條件，測試速度並不重要；相對的，生產線要測試的是已經完成設計的DUT，主要目的是以最快的時間，找出組裝上的錯誤或有問題的元件。所以針對產線測試MIMO DUT的需求，可用一對多的功率合成器(Power Combiner)，將所有MIMO訊號匯集到單一VSA(圖4)來進行測試。
圖4 利用功率合成器將MIMO訊號匯集到單一VSA/VSG
在這樣的架構之下，如果是單一資料流(One-stream)訊號的測試自然沒有太大問題，但如果是多資料流，就可以利用產線測試軟體，要求DUT發射已知資料內容的封包。既然資料內容已知，意謂著理論上理想訊號在I/Q平面的星座圖位置已知，所以可以事先利用軟體產生理想訊號的參考位置，接著實際測試多資料流訊號，藉由與理想位置相比，即可換算出該訊號的EVM值，除此之外，還可以獲得其他如功率、頻譜、頻率偏移量等重要參數。
這是一個革命性的突破，因為網通廠商不必要因為MIMO新技術的開展，在生產線添購新設備，反而可以在不犧牲測試項目的情況下，繼續延用早期生產WiFi產品的設備。
另外有一個測試項目，是網通廠商在規畫測試流程時不得不正視的問題，即校正發射天線之輸出功率參數所花的冗長時間。以往測試WiFi產品時，由於只有一根發射天線，即使產線要花不少時間執行，一般還是會接受，但是當遇到多天線系統時，由於每一發射天線都必須執行測試，所耗費的時間是呈現幾倍數的成長。
從測試軟體關於功率的數據可知，量測軟體可在同一時間提供每一發射天線的功率數據，這個功能是以往傳統功率表或頻譜分析儀不可能達成的，因為所有發射訊號是重疊在一個相同的頻率，但VSA此時就充分展現其應用MIMO的特性了。
善用多重RF開關 有效符合MIMO量測所需
前文曾提及，MIMO的不同資料流，是在同一個時間、同樣的頻率來傳送。而接收機不會混淆的原因就在於，不同的資料流由於訊號調變的方式可以在數學上維持正交(Orthogonal)不相干的關係，因此VSA可利用此特性，直接讀取各個發射天線之輸出功率。既然有這個功能，產線工程師就可以同時執行所有發射天線之功率校正，不必在測試時間上予以妥協。
這樣的架構雖然已經可以得到大部分的MIMO參數，但相對於標準MIMO設備還是稍嫌不足。由於一個VSG在沒有多天線空間觀念之下，不可能打出多資料流MIMO訊號，因此在發射測試中的EVM參數，只能得到所有發射路徑的平均值；而在接收測試時，只可發射單一資料流的訊號。即便如此，正如前文所提，生產線主要的目的是找出組裝上的錯誤或有問題的元件，所以基於這樣的架構，仍能符合生產線的需要，同時考慮到網通廠商成本上的考量。另外，基於單一VSA儀器在生產線的使用，也可以搭配功率合成器及多組快速RF開關(圖5)，量測更多項目。
圖5 由單一VSA/VSG測試MIMO訊號搭配功率合成器及多組快速RF開關
使用多組快速RF開關的目的，是可以在不同的時間點，截取MIMO各發射路徑的訊號，整合到數位分析軟體後，就如同以標準MIMO測試儀器得到相同的結果(圖6)，不僅可以得到個別發射資料流的EVM，亦可以得到各發射路徑間的隔離度資訊。
圖6 不同的時間點抓取MIMO訊號，並在分析軟體中整合。
採用功率合成器及多組快速RF開關有另一重要目的，即可以在多天線啟動下，測試DUT是否可以正常工作，理論上，接收端每增加一支接收天線，系統可以增加約2dB接收增益；另外可以測試多天線系統啟動時，最大比例合成(Maximum Ratio Combining, MRC)功能是否正常，必須多組開關搭配工作才可測試。
目前市場上已經有儀器廠商整合這些元件，方便客戶使用(圖7)，除了基本元件以外，還具備觸發功能，可以偵測輸入訊號出現後，立即啟動固態開關模組，以連續迅速抓取各天線訊號，並以數位訊號處理器(DSP)軟體進行MIMO訊號分析。
圖7 利用MPTA內含的功率合成器及多組快速RF開關，可搭配WiFi設備執行MIMO訊號測試。
當然，使用者採用這種架構還要注意一些事項：例如各個MIMO封包的內容要相同，否則在不同時間點所得到的各資料流，其間無任何關聯，還是無法解出訊號。而在各發射路徑間，如果有任何延遲現象的誤差會被忽略，因為分析軟體會將其視為同一時間點的訊號。且由於單一測試設備只有單一訊號發射源，所以仍然不支持多資料流之接收測試。
初期採用MIMO的無線網路卡，由於技術層次過高、耗電量大、規範未底定、無適當的測試設備，因此價格高且品質不一。近年來這些問題已一一克服，再加上英特爾的鼓吹，新一代搭配3×3 MIMO架構之迅馳筆電已在2008年第三季上市，可以想見網通市場將颳起一陣MIMO旋風，基於802.11n MIMO的筆電、網路卡將成為市場主流，甚至相關數位家庭設備也將陸續出現。
儀器廠商在這一波技術革新過程中，針對研發或產線工程師的期待，也持續推出各種符合需求的方案，以協助網通廠商提升技術層次或降低生產成本，達成互利共存、永續經營的目標。
