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未来宽频无线网路将更仰赖多天线MIMO、波束成形等先进射频技术，以提升资料速率、网路容量及服务品质。虽然在射频设计中加入多个天线可显着改善使用者体验，但系统设计验证工作将变得相当复杂。利用PXI平台搭配对应的自动化程序，将可降低设计验证的困难度。
消费者对无线通讯服务的需求正持续升温，因而推动着无线标准不断推陈出新。
此外，无线网路新增的装置数量，正呈现指数成长，而且消费者不断要求更高的资料速率、服务品质，不论身在世界那个角落，都希望能享有稳定的无线网路连线。为满足市场期待，业界正热烈探讨5G及IoT技术，以及它们会用什么方式来持续利用现有的基础设施。5G标准尚在制订阶段，大约还要好几年时间才会进入商业部署。LTE 4G蜂巢式网路已逐渐成为市场主流，而LTE-Advanced等下一代标准，则即将步入部署阶段。
LTE-A及802.11n、802.11ac等无线LAN标准，可提升多天线技术的资料速率、容量及服务品质。虽然在射频设计中加入多个天线可显着改善使用者体验，但设计验证工作将变得相当复杂。
多天线设计提升无线传输率
许多不同产业都需用到多天线设计。在蜂巢式及无线网路应用中，多天线设计可提升峰值资料速率、容量并改善服务品质。
在蜂巢式及WLAN中，诸如接收分集(Diversity)、空间多工多重输入多重输出(MIMO)、波束成形及多用户MIMO(MU-MIMO)等多天线技术使用多个天线传送及/或接收资料，理论峰值资料速率在LTE-A下行链路高达1Gbit/s，而在802.11ac系统则高达6.93Gbit/s。LTE-A、802.11ac、甚至是5G在进一步强化后，调变机制更高阶、多天线技术更密集、并且传输频宽更宽。
在蜂巢式网路中，载波聚合透过高达100MHz的更宽传输频宽，结合多个子载波(CC)。CC若分属不同频段则称为波段间载波聚合，此时各频段中使用多个天线传送资料。3GPP第12版定义CC的组合上限为3个不同频段。
增强型多天线技术
图1以简易图示呈现蜂巢式及无线区域网路(WLAN)通讯系统使用的多天线技术。
图1 多天线技术简易示意图路径接收分集(Path Diversity)具备在发射器或接收器端使用多个天线来改善讯号稳定性，或是提升接收器正确接收传输资料的能力。传送接收分集使用多个发射器搭配单一接收器(MISO)，而接收器接收分集则使用多个接收天线搭配单一发射器(SIMO)。这些技术可在通道衰减状况下用来改善讯号品质。
空间多工(Spatial Multiplexing)是一种用来改善频谱利用率的MIMO技术，可提升单一用户的资料传输率或多名使用者的系统容量。MIMO技术使用二或更多个传送及接收链进行通讯，并且在发射器及接收器都包括有多个天线。不同部分的使用者资料同时传送到多个接收器。MU-MIMO让资料可以在相同频谱内透过空间分布式传输同时发送至多名使用者，用来与多个装置进行通讯。
波束成形(Beamforming)利用多个天线在相位与振幅上的偏移，对射频讯号进行指向式传输。同一讯号同时从二或更多个空间分离的传输点传送出去。相长同相讯号加总在接收器产生同调功率增益。波束成形在增加讯号稳固性及提升接收器讯噪比(SNR)方面具有与接收分集类似的效果，同时还能将系统中其他装置造成的干扰降到极限。由于结合了波束选择性、干扰管理及同调讯号增益，这在现代无线通讯系统中相当引人注意。
多天线设计测试挑战
多天线设计的验证极富挑战性。设计工程师必须考量如何分析多个传送或接收链，以及量测系统的通道间效能。加入波束成形技术使得这些测试变得更加复杂，通常还需增加相位同调测试系统，以达到准确的通道间振幅与相位讯号产生及量测的要求。主要测试挑战包括：
.波束成形应用等更高阶MIMO所需的复杂测试配置.可验证并以图形呈现射频天线之多天线效能的能力.多通道测试系统的成本及占用的空间
建构多通道相位同调测试系统
相位同调通道是多通道测试系统的重要元件。两个讯号若在任何时候都有固定相对相位则称为同调：
要建构完全相位同调系统，需执行多个同步化处理：
.时脉同步.通道时间及相位同步
这样看起来似乎蛮简单，但实际上要达成却是相当困难。模组化PXI平台可满足扩充性、尺寸及精确同步等方面的要求，是多通道同步系统的理想方案。讯号可用闭锁参考讯号进行时间校准。如图2所示，PXI 10MHz背板时脉是用来进行时间校准并且同时启动所有动作。时脉同步可确保波形播放或波形撷取同步启动。
图2 用于背板时间同步处理之PXI 10MHz时脉共同参考时脉提供某种程度的时间同步，但相位同步不包括在内。
就相位校准而言，讯号必须在任何时候都有固定相对的相位，同调则是讯号间的统计属性。若要达到真实相位同调量测的目的，可在讯号源或分析仪通道间共用共同的本地振荡器(LO)，使得所有通道都共用相同的相位属性。在图3中，单一主控合成器是用来实现稳定的相位关系。
图3 具有通用合成器之多通道相位同调讯号源相位同调系统校验
通道间的振幅及相位偏移会对多通道效能造成重大影响。若未进行校验，波束成形讯号会衰减，而且量测结果会有问题。即使是使用共用LO，仪器通道间仍然会存在一些静态时间及相位时脉偏差。另外，缆线、连接器及讯号调节也会导致固定振幅及相位偏移。对这些偏移进行补偿可确保任何测得的差异都是源自于待测装置而非测试设备。
常用于传统多重通道讯号源的校验技术，主要是利用多通道示波器来量测讯号产生系统的通道间效能，如图4左所示。但整个过程需进行手动操作，而且需要多个步骤，才能计算出多个频率的通道间延迟，既耗时又昂贵。
图4 多通道相位同调校验方法比较透过自动化例行程序来进行讯号源通道间校验，可以有效解决上述问题。这种自动化例行程序使用讯号分析仪萃取讯号资料，并且计算各通道间的时序及相位时脉偏差。在这种情况下，已知参考讯号系在各个讯号源上运作，并且馈入4路式被动功率合并器。接着将合并讯号馈送到一个讯号分析仪进行分析。利用这种自动化例行程序，得以在多通道讯号产生期间对修正进行计算、储存、并且备妥套用(图4右)。这种方法只需用到一个分析仪便可以更轻松、更快速且节省成本地进行自动化例行程序。
验证射频天线设计
一旦建置真正的相位同调系统，您便可专注于验证射频天线设计所需的关键测试。
在测试多天线发射器系统时，您必须在杂讯及干扰环境下分离多个讯号成分，以达成MIMO复原。从检视各天线元件的射频讯号寻找任何基本射频功率或时序缺陷开始进行是很有帮助的(表1)。其次，检视解调变结果，包括IQ星座图、EVM结果度量、检测到的资源分配、特定UE的RS权重、特定细胞的RS权重和缺陷，以及特定UE和通用的广播天线波束场型。时间及相位准确同步的多通道VSA系统可分析多个天线元件的跨通道效能及累积EVM。
接收器测试主要是为了可以在整个接收器上进行效能量测。会影响接收器效能的因素有许多，当MIMO测试使用多个接收器时，这会面临特殊的挑战。通常有必要对MIMO系统进行模拟。多通道VSG系统可以模拟复杂的MIMO及波束成形波形，其中跨载波排程高达8×8 MIMO。波段间载波聚合若与8×8 MIMO结合，可能会有多达16固同步讯号产生器。一但您的多通道同步讯号模拟环境建置完成，接着便可分别在各接收器链进行标准量测，而且还可以验证MIMO效能。
随着无线标准持续演进，含MIMO及波束成形之增强型多天线设计会变得更加常见，设计验证上会产生庞大的需求。新的5G标准会包括艰难许多的要求，例如毫米波频率高达80GHz、传输频宽高达3GHz、调变机制更密集、以及用来实施如大规模MIMO之类技术的天线更多。这些都会为需要宽频、多通道、相位同调测试技术带来更大的需求。配置多通道相位同调量测系统虽然传统上会有很大的困难度，现今具有相位同调功能的模组化仪器已提供需要的同步化、密度、未来扩充能力、以及可以让工程师快速地更加深入洞察其设计的工具。
(本文作者任职于是德科技)
