使用多輸入多輸出（MIMO）發(fā)射和接收天線方案的空間分集確實在IEEE 802.11a（5 GHz Wi-Fi）中起飛，但由于它現(xiàn)在對LTE和5G無線變得越來越重要，設計師需要仔細研究它的工作原理，以及數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）在實現(xiàn)最佳設計中的關(guān)鍵作用。

無線通信鏈路設計人員在實現(xiàn)項目的多重目標時通常面臨挑戰(zhàn)。首先，它們必須達到最小誤碼率（BER）。與此同時，他們必須努力降低功耗并節(jié)省帶寬。當然，這些目標有些矛盾：提高BER的最簡單方法是提高功率，因為這樣做會增加信噪比（SNR）;此外，使用更多帶寬通常是提高BER的一種方法。

在系統(tǒng)級，提高性能和實現(xiàn)這些目標的目標通常始于壓縮比特流的復雜數(shù)據(jù)編碼方案。添加錯誤檢測和糾正。但是，一旦完成數(shù)據(jù)操作，滿足鏈路目標的負擔就落在發(fā)送側(cè)放大器和天線以及接收側(cè)天線和前端上。

為了提高性能，工程師可以利用三種多樣性技術(shù)中的一種或多種：

時間分集：用最簡單的術(shù)語來說，這意味著重復多次消息，包括交錯消息，如圖1所示。

圖1：在時間分集中，消息重復一次或多次以克服信道中的噪聲，作為冗余的形式;它經(jīng)常與其他消息交錯。 （圖片由Saad Foroughi Farsani，Azad University of Najafabad提供，來自Slideshare.net）

頻率分集：使用更多帶寬或信道，包括跳頻和擴頻技術(shù)，可以克服噪聲部分頻譜;參見圖2.

圖2：在頻率分集中，消息在兩個或多個通道上同時或連續(xù)傳輸，以避免頻譜中的噪音。 （圖片由Telekomunikasi Dasar提供，來自Slideshare.net）

空間分集：使用兩個或更多天線，在發(fā)送側(cè)或接收側(cè)，或兩者，以提供更多的物理路徑用于無線鏈路;見圖3.

圖3：在空間分集中，消息在兩條或更多條物理路徑上傳輸，以提高性能與本地噪聲，以及避免物理障礙。 （圖片由Telekomunikasi Dasar提供，來自Slideshare.net）

雖然前兩種技術(shù)已被廣泛使用多年，但由于技術(shù)原因，空間多樣性滯后。然而，最近，它已經(jīng)引起了相當多的關(guān)注：它已經(jīng)被LTE設備使用，并且是無線手機和網(wǎng)狀網(wǎng)絡的5G無線標準MIMO（多輸入/多輸出）空間分集的一部分;參見圖4.

圖4：在基本MIMO系統(tǒng)中，在數(shù)據(jù)鏈路的發(fā)送端和接收端都使用多個天線;這里顯示每端有兩個天線。 （圖片由Telecomhall.com提供）

請注意，MIMO拓撲不必是對稱的，并按發(fā)射和接收天線的數(shù)量進行分類：3×3 MIMO各有三個，而a 3×2版本有三個發(fā)射天線和兩個接收天線。

一個命名說明：它可能有點違反直覺，但MIMO中的“輸出”術(shù)語并不是指發(fā)射機輸出;相反，它指的是從接收器前端到信號鏈的輸出，因此它是鏈路的輸出。類似地，“輸入”指的是發(fā)射機PA和無線電鏈路的輸入，而不是接收機的輸入。

MIMO基礎(chǔ)

MIMO是一種提高鏈路性能的技術(shù)（兩點之間的SNR改善，功率要求降低）。使用MIMO和空間分集提供了幾個優(yōu)點：

通過控制發(fā)送到每個天線或由每個天線接收的信號的相對信號定時（相移），鏈路可以產(chǎn)生靜態(tài)波束形成甚至是動態(tài)的波束轉(zhuǎn)向。 （相移使用多個波前之間的相長干涉和相消干涉的原理來將能量引導到所需方向。）這種波束控制允許發(fā)射器聚焦在期望的接收器上（通過發(fā)射器波束控制）或接收器聚焦在期望的接收器上（通過接收器）因此，潛在地最小化干擾，噪聲源和物理障礙的影響。

即使不考慮干擾，波束成形也允許發(fā)射機瞄準接收機（反之亦然），因此使用較少發(fā)射功率，同時仍然為預期的接收器提供足夠的功率;它可以減輕鏈路多路徑的負面影響。

MIMO還可以提高其他信道和鏈路的整體系統(tǒng)性能，因為它可以減少不需要的區(qū)域中不必要的射頻能量。

如果MIMO是一個好主意，為什么不經(jīng)常使用它？基本的分集天線布置已經(jīng)用于消費產(chǎn)品，例如無線Wi-Fi路由器，以提高性能并最小化RF死點;但移動應用還需要考慮波長尺寸，電路復雜性，處理要求和成本等因素。

例如，為了有效，多個天線需要間隔至少四分之一波長（在1GHz，波長為30cm，因此λ/4約為7.5cm）。因此，在較低頻率下，MIMO僅適用于固定（靜止）情況。然而，使用2.4 GHz，5.4 GHz及更高頻段（5G進入數(shù)十GHz）的頻段使其適用于智能手機和智能設備（如網(wǎng)狀網(wǎng)絡節(jié)點）等便攜式設備，因為λ/4會降低。

此外，MIMO需要更多電路。在發(fā)送方面，它需要額外的PA，耦合器和天線;在接收方面，它還需要額外的天線，前端耦合器和低噪聲放大器（LNA），盡管有些MIMO設計使用單個LNA，在天線之間切換。

第三個因素是與非MIMO相比，MIMO在發(fā)射機處需要更多的處理能力來管理多個波束和天線，并且在接收機處需要更多的處理能力來理解接收信號的混雜。這種功率轉(zhuǎn)化為更高的功耗。

盡管存在這些因素，但值得注意的是MIMO的變體已成功應用于非5G/非網(wǎng)狀應用，如長距離大氣無線電鏈路。它也是相控陣雷達的基礎(chǔ)，數(shù)百個天線經(jīng)過精心的相位控制，以電子方式控制雷達。在這種情況下，發(fā)射機天線和接收機天線是相同的物理組件，并通過發(fā)射/接收開關(guān)連接到PA和LNA。

MIMO可以簡化

MIMO不必是對稱的，具有相同數(shù)量的發(fā)射和接收天線。一種稱為SIMO的專用變體 - 單輸入，多輸出 - 使用多個接收器天線，但發(fā)射器上只有一個天線;參見圖5.這可用于預期接收器由于其位置或環(huán)境RFI引起的接收問題。

圖5：減少 - MIMO系統(tǒng)的復雜性變體使用發(fā)射機處的單個天線和接收機處的多個天線（SIMO）;或者發(fā)射機上有多個天線，接收機上有一個天線（MISO）。 （來源：維基百科）

由于MIMO固有的復雜性，一些應用程序選擇使用另一種稱為MISO（多輸入，單輸出）的簡化版本。該分集拓撲僅在發(fā)射器處具有多個天線，但在接收器處不具有多個天線。這樣做似乎并不比SIMO簡單，但事實并非如此。 MISO實際上減少了MIMO拓撲的電路和處理負擔，遠遠超過簡單的“一半”，并且遠不如SIMO復雜。

為何與眾不同？這是由于傳輸信號與接收信號的固有特性。從信號理論的基本原理以及實際實踐中，我們知道傳輸給定信號比接收信號更容易。原因在于傳輸是一個很大程度上是確定性的過程，在已知且相當溫和的環(huán)境中具有已知信號，噪聲和失真問題最小。

相反，接收是一個困難的過程。接收器面臨許多挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)與在未知甚至惡劣的RF環(huán)境中捕獲和理解大部分未知信號有關(guān)。接收信號有許多可能類型的損傷：信道噪聲，抖動，失真，衰落，多徑，載波調(diào)諧移位和甚至基于多普勒的漂移，當然還有低信號電平和差的信噪比。

MISO版本的MIMO識別出實現(xiàn)難度的這種差異，因此強調(diào)更復雜的發(fā)射機，但保留了單天線接收機。這為電路和信號處理中最小的額外投資提供了最大的性能提升。同時，如果需要，可以將MISO方法升級到完整的MIMO，而無需重新設計發(fā)射機，因此可以將其視為從標準單天線設計到完整MIMO方法的一個步驟。

正確的組件使MISO和MIMO變得更容易

由于MISO是MIMO的一個有吸引力的子集，并且還可以用作全功能MIMO拓撲的一部分，因此供應商推出了模擬前端（ AFE）可以幫助實現(xiàn)它的IC。

構(gòu)建MISO系統(tǒng)時的許多問題之一是保持時序?qū)R并消除各個通道之間的相移（時序變化對應于相移和相移產(chǎn)生）光束轉(zhuǎn)向模式的變化）。因此，設計系統(tǒng)以確保處理器與多個發(fā)送DAC之間的時間延遲一致且相等是至關(guān)重要的。

極端情況下，在高性能相控陣雷達系統(tǒng)中，甚至是分鐘由于互連RF電纜的不同溫度系數(shù)，信道之間的相移會嚴重降低性能。如果DAC等關(guān)鍵組件具有幫助滿足它的功能，則有助于此時序要求。

MISO/MIMO友好型IC的一個示例是16-/14-/11-bit的LTC2000A系列， 2.5 Gsamples/s DAC（圖6）。這些DAC的單（1.25 Gsample/s模式）或雙（2.5 Gsample/s模式）同步LVDS接口使用625 MHz DDR數(shù)據(jù)時鐘支持高達1.25 Gbits/s的數(shù)據(jù)速率。

圖6：凌力爾特公司的LTC2000A系列16/14位/11位，2.5 Gsample/s DAC非常適合MIMO和MISO設計，因為它包含一個用于校正時序?qū)R不匹配的寄存器在多個發(fā)送信道之間。 （圖片由凌力爾特公司提供）

首先，這些DAC具有出色的光譜純度，是此類設計的“必備”。器件具有以下特性：

80 dBc SFDR（無雜散動態(tài)范圍），輸出頻率為70 MHz;

SFDR超過68 dBc，從DC到1000 MHz;

>從DC到1000 MHz的78 dBc雙音IMD（互調(diào)失真）;

對于65 MHz輸出，在1 MHz偏移處小于-165 dBc/Hz附加相位噪聲

該系列中的所有DAC都包含一個內(nèi)部寄存器，允許系統(tǒng)通過DAC調(diào)整（微調(diào)）數(shù)據(jù)延遲。對于LTC2000A，最大時序失配調(diào)整是采樣時鐘周期的0.4個周期，在多DAC設計中需要（圖7）。

即使設計名義上符合匹配通道的目標 - 在通道時間到皮秒之內(nèi)，發(fā)射路徑中的每個DAC都可以進行微調(diào)，以消除由于熱漂移等因素造成的任何殘余失配或變化。

圖7：LTC2000A系列專為MIMO和相關(guān)系統(tǒng)而設計，其中單個FPGA驅(qū)動多個DAC及其發(fā)送通道。 （圖片由凌力爾特公司提供）

鑒于GHz速率MISO或MIMO設計的復雜性，評估或演示板非常重要。 LTC的DC2191A演示電路支持LTC2000 DAC，DAC驅(qū)動其LT5579上變頻混頻器，請參見圖8. DAC IF（中頻）輸出電路針對DC至500 MHz范圍內(nèi)的模擬頻率進行了優(yōu)化，同時電路開啟LO（本地振蕩器）輸入針對1000 MHz至4300 MHz的頻率進行了優(yōu)化，RF輸出電路針對2200 MHz至2600 MHz的頻率進行了優(yōu)化。

圖8：DC2191A演示電路用于演示LTC2000A DAC，并與Altera Stratix IV演示板配合使用;演示電路還包括一個LT5579上變頻混頻器，用于產(chǎn)生輸出RF信號。 （圖片由凌力爾特公司提供）

Altera Stratix IV演示板用于向DC2191提供數(shù)據(jù)，這對板通過USB端口連接到PC。與LTC提供的演示軟件一起，演示設置可用于創(chuàng)建復雜波形，然后將它們加載到FPGA中，以使用PC作為控制器來測試DC2191和DAC（圖9）。

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圖9：隨DC2191A演示提供的軟件允許用戶通過USB連接的PC創(chuàng)建復雜的波形，然后將它們加載到FPGA中以測試DC2191和LTC2000 DAC。 （圖片由凌力爾特提供）

結(jié)論

提供更高的數(shù)據(jù)速率和可靠的傳輸，并且在更高頻率下這樣做是一項日益嚴峻的挑戰(zhàn)。為了取得成功，設計人員采用時間，頻率和空間分集技術(shù)。后一種拓撲結(jié)構(gòu)（通常稱為MIMO）用于多輸入，多輸出，已用于大型固定安裝以及5 GHz Wi-Fi，但現(xiàn)在作為移動LTE和5G手機的一部分受到越來越多的關(guān)注作為網(wǎng)狀網(wǎng)絡設計。

在典型的實現(xiàn)中，在發(fā)送器或接收器處或在數(shù)據(jù)鏈路的兩端使用多個天線。雖然MIMO和更簡單的天線分集變體提供了改進的SNR，BER和動態(tài)波束成形，但MIMO系統(tǒng)的設計需要密切關(guān)注沿多個發(fā)送通道的信號時序，因此它有助于識別具有架構(gòu)和內(nèi)部功能優(yōu)化的專用DAC用于MIMO發(fā)射器。