多輸入多輸出收發(fā)器系統(tǒng)的無線通信設(shè)計

經(jīng)過多年作為理論方法和學(xué)術(shù)主題，多輸入多輸出（MIMO）收發(fā)器系統(tǒng)正在獲得重要的設(shè)計注意力和支持組件。該技術(shù)已被用于一些最新的4G代和下一代LTE（長期演進）蜂窩標(biāo)準(zhǔn)，以提供所需的吞吐量和性能，以及Wi-Fi IEEE 802.11n標(biāo)準(zhǔn)。

MIMO方法背后的原理是在基站甚至用戶手機上使用多個半獨立天線和發(fā)送/接收信道，以克服不可避免的信號路徑問題，如噪聲，衰落和多徑。實際上，MIMO在這些問題上實現(xiàn)了“柔術(shù)”。它采用先進的硬件和軟件將它們從之前被認(rèn)為是無線弱點轉(zhuǎn)變?yōu)轱@著的優(yōu)勢和優(yōu)勢。

MIMO與分集系統(tǒng)

MIMO比分集天線系統(tǒng)復(fù)雜得多，復(fù)雜得多。使用多個天線以獲得更好的信號覆蓋是一項成熟的技術(shù);通常這是在接收器上完成的，但也可以在發(fā)射器上完成，發(fā)射器可能不在同一位置。 （請注意，為了避免混淆，業(yè)界現(xiàn)在將基本單天線系統(tǒng)稱為單輸入，單輸出或SISO。）

在基本天線分集接收機設(shè)計中，使用兩個或更多天線，間隔為至少四分之一波長。每個天線的信號都送到RF低噪聲放大器（LNA），然后組合信號。這種組合可以通過不同的方式完成，其復(fù)雜性，成本和收益的規(guī)模越來越大。

在最簡單的方法中（圖1a），添加或組合兩個（或更多）放大的天線信號。這個想法是一個天線可能處于局部“死區(qū)”，而另一個天線將提供足夠的信號。或者，如果問題是低SNR而不是低接收功率，接收能量的信號部分將線性增加，但來自多個天線的隨機噪聲將僅增加其均方根（RMS）值，因此將會有SNR凈增加。

在天線分集的選擇版本中（圖1b），連續(xù)測量每個天線的SNR，系統(tǒng)選擇具有最佳SNR的天線輸出，同時阻止其他天線到達接收器。最后，在交換分集方法（圖1c）中，使用一個天線直到其SNR低于某個預(yù)設(shè)閾值，然后系統(tǒng)切換到備用天線。

雖然多樣性是一種有效且相對低成本的提高系統(tǒng)性能的方法，但它在可實現(xiàn)的方面存在局限性。相比之下，MIMO需要更多的電路和嵌入式軟件（以及信號分析和處理算法），但可以產(chǎn)生更好的性能和一致性。

MIMO架構(gòu)和復(fù)雜性

MIMO系統(tǒng)使用多個天線，接收器前端和發(fā)送路徑，而不僅僅依賴于多樣性設(shè)計中的多天線。這在天線和系統(tǒng)處理器之間創(chuàng)建了多個完整的接收/發(fā)送路徑。然后，處理器的任務(wù)是管理這些多路徑以獲得最佳系統(tǒng)性能。具有兩個通道（用于發(fā)送和接收路徑）的基本MIMO系統(tǒng)稱為2×2設(shè)計（圖2）;一些高級基站每個使用多達8個通道，給定8×8指定。注意，MIMO不必是對稱的。例如，可以具有帶有兩個發(fā)送通道和一個接收通道（2×1指定）的系統(tǒng)。

圖2：2 x 2 MIMO系統(tǒng)完全復(fù)制了從處理器到天線的接收和發(fā)送通道電路。

當(dāng)然，以上是對實現(xiàn)完整MIMO架構(gòu)的現(xiàn)實的簡化。完整的MIMO設(shè)計有三個主要模塊：預(yù)編碼，空間復(fù)用和分集編碼：

在基本的“單層”預(yù)編碼中，每個發(fā)射天線廣播相同的信號，但具有相位和增益預(yù)調(diào)整以補償路徑延遲，多徑和其他偽像，目的是最大化接收器處的有用信號功率。由于MIMO系統(tǒng)具有多個接收天線，因此預(yù)編碼數(shù)據(jù)被分成用于不同天線的若干流。

空間復(fù)用使用的信息是多個發(fā)射天線。高速信號被分成多個較低速率的信號流，并且每個信號流由不同的天線發(fā)送，但是在相同的頻率信道中。多個接收器天線中的每一個看到不同的空間特征;因此，接收器可以將這些流分成并行通道。

分集編碼利用了以下事實：多個天線路徑的衰落特性通常是獨立的，至少在某種程度上是獨立的。它與單個流而不是多個流一起使用，并且使用諸如OFDMA（正交頻分多址）的全或近正交編碼技術(shù)利用空時編碼對信號進行編碼，支持空間復(fù)用和分集編碼。

由于每個天線對于信號相位是獨立且可單獨控制的，因此MIMO系統(tǒng)可用于波束成形，其中聚合天線方向圖被動態(tài)移位以在一個或多個接收機天線處產(chǎn)生最大性能（例如，選擇一條不褪色的道路）。類似地，接收器天線陣列可以是波束形成的，以聚焦來自具有更好SNR和更低失真或衰落的方向的信號。

MIMO需要大量硬件

與SISO或分集天線系統(tǒng)相比，MIMO是硬件和軟件密集型的。當(dāng)然，它需要復(fù)雜，復(fù)雜的算法來管理和動態(tài)調(diào)整數(shù)據(jù)流，并對多個并行通道進行編碼和解碼。這需要功能相對較強的處理器，通常作為FPGA實現(xiàn)。

MIMO還對模擬和混合信號硬件提出了很高的要求。它需要完全獨立的多通道，用于從天線到A/D轉(zhuǎn)換器的接收鏈，以及從D/A轉(zhuǎn)換器到天線的發(fā)送路徑。

ADI公司的AD9361（圖3）是一款寬帶2×2收發(fā)器，具有關(guān)鍵參數(shù)的“即時”用戶可編程性。它將RF前端與靈活的混合信號基帶部分（具有12位ADC和DAC）和集成頻率合成器相結(jié)合，通過為處理器提供可配置的數(shù)字接口簡化了設(shè)計。它的工作頻率范圍為70 MHz至6.0 GHz，可調(diào)帶寬為200 kHz至56 MHz。

圖3：ADI公司的AD9361是一款雙通道收發(fā)器，用于MIMO設(shè)計，具有帶寬，可調(diào)性和性能參數(shù)，包括用戶可設(shè)置性，針對軟件定義進行了優(yōu)化無線電（SDR）應(yīng)用。

另一款專注于MIMO的IC是Maxim Integrated Products的MAX2839（圖4），這是一款直接轉(zhuǎn)換，零中頻，基帶到RF收發(fā)器，適用于2.3至2.7 GHz頻段的802.16e MIMO移動WiMAX應(yīng)用。它的雙接收器具有優(yōu)于40 dB的信道間隔離，并且還包括單個發(fā)送器通道。其他功能模塊包括VCO，頻率合成器，晶體振蕩器和基帶/控制接口。它需要用戶提供的RF帶通濾波器，晶體，RF開關(guān)，PA，天線和一些無源元件。

圖4：Maxim的MAX2839針對2.3至2.7 GHz 802.16e MIMO移動WiMAX應(yīng)用進行了優(yōu)化，具有兩個接收器通道，具有 40 dB的通道間隔離。

除了這些IC之外，MIMO設(shè)計的RF信道還需要多個接收器LNA，發(fā)射器功率放大器（PA）及其相關(guān)控制電路以及多個天線。目前，這些不適用于多通道單元，但僅適用于單通道/每包裝格式（某些小眾應(yīng)用除外）。然而，這些相對簡單的器件的封裝很小甚至是芯片尺寸，因此房地產(chǎn)占用空間非常小，而敏感，低功率和高功率的RF信號路由也得到了緩解，因為它們可以靠近放置他們各自的天線。