MIMO-Kommunikationssysteme für Prüfanwendungen

Überblick

In diesem Dokument wird der grundlegende Aufbau von MIMO-Kommunikationssystemen (Multiple-Input-Multiple-Output) beschrieben. Des Weiteren werden die Schwierigkeiten der Synchronisation bei MIMO-Systemen aufgezeigt sowie eine Prüfarchitektur vorgestellt, die sich diesen Herausforderungen stellt.

Inhalt

Einführung

Dieses Tutorium gehört zur Reihe Grundlagen der Signalerzeugung von National Instruments. Jedes Tutorium dieser Reihe stellt grundlegende Konzepte der Basisband-I/Q-Signalerzeugung vor, u. a. Aufbau, Funktionen und Strategien.

Herausforderungen von Wireless-Kommunikationssystemen

Mit jeder Weiterentwicklung der Technologie sind Wireless-Kommunikationssysteme in der Lage, einen höheren Durchsatz zu erzielen als zuvor. Die Systeme nähern sich immer weiter dem theoretischen Durchsatzmaximum, wie es vom Shannon-Hartley-Gesetz spezifiziert wurde. Das Shannon-Hartley-Gesetz beschreibt die theoretische Obergrenze der Kanalkapazität (maximale Datenübertragungsrate ohne Übertragungsfehler) eines Übertragungskanals in Abhängigkeit von Bandbreite und Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SRV). Aktuelle Innovationen haben zudem dafür gesorgt, dass Wireless-Kommunikationssysteme einen höheren Durchsatz bei gleichzeitig besserer Spektraleffizienz erzielen. So hat der Einsatz von OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) zusammen mit Modulationsformaten höherer Ordnung (64-QAM) den Durchsatz des Standards IEEE 802.11g im Vergleich zum vorhergehenden Standard IEEE 802.11b wesentlich verbessert. Da Wireless-Systeme in immer mehr Bereiche Einzug halten, wächst der Druck auf die Industrie, die Kanalbandbreite noch effektiver zu nutzen, stetig. Eine der aktuellsten Innovationen in dem Bereich ist die Entwicklung von MIMO-Antennensystemen (Multiple-Input-Multiple-Output) zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnis sowie der Durchsatzrate. Diese Kommunikationsmethode findet ihren Einsatz im Standard IEEE 802.11n. Allerdings stellt die Komplexität dieser Technologie Prüfingenieure vor große Herausforderungen.
Dieses Dokument gibt Aufschluss darüber, wie MIMO in der Lage ist, die Kanalkapazität zu erhöhen. Des Weiteren wird darauf eingegangen, inwiefern die grundsätzlichen Eigenschaften eines MIMO-Systems für Herausforderungen bei Prüfanwendungen sorgen. Abschließend wird beschrieben, wie Anwender hybride Systeme aus PXI- und traditionellen Messgeräten implementieren können, um eine effiziente Prüfarchitektur für MIMO-Systeme zu erstellen.

Erhöhung der Spektraleffizienz

Kanäle in drahtlosen Kommunikationssystemen unterliegen grundsätzlichen Kapazitätseinschränkungen, die im wesentlichen von zwei Faktoren beeinflusst werden: der Bandbreite und dem Signal-Rausch-Verhältnis. Dies wird vom Shannon-Hartley-Gesetz für die Kanalkapazität reflektiert:


Abbildung 1: Shannon-Hartley-Gesetz für die theoretische Kanalkapazität

Laut dem Gesetz steigt die Kapazität linear zur Bandbreite an und unterliegt logarithmischen Veränderungen des SRV. Die Bandbreite wird zwar an späterer Stelle behandelt, nachfolgend wird jedoch der Einfluss des SRV auf den Durchsatz besprochen.

Modulationstyp vs. SRV

Das Signal-Rausch-Verhältnis eines digitalen Kommunikationskanals beeinflusst den Durchsatz eines Systems, da es die Auswahl des Modulationsformats einschränkt. Komplexe Modulationsformate höherer Ordnungen nutzen eine höhere Anzahl an Symbolen und können demzufolge eine höhere Anzahl an Bits pro Symbol implementieren. So sorgt die Verwendung eines 4-QAM- oder 4-PSK-Modulationsformats dafür, dass ein Kommunikationssystem zwei digitale Bits pro Symboldauer senden kann. Das Format 256-QAM unterstützt beispielsweise 8 bit pro Symboldauer. Dies bedeutet, je komplexer das verwendete Modulationsformat, desto höher der Systemdurchsatz, ohne dass die Kanalbandbreite beeinflusst wird. Modulationsformate höherer Ordnung können jedoch nur in Kanälen eingesetzt werden, die ein hohes SRV haben. Dies ist notwendig, da geringfügige Veränderungen der Signalphase und -amplitude in rauschintensiven Kanälen mit geringem SRV nicht genau festgestellt werden können. Verringert sich das SRV, ist der Einsatz eines Modulationsformats höherer Ordnung nicht mehr möglich. Die nachfolgende Abbildung zeigt Konstellationsdiagramme für Modulationsformate verschiedener Ordnungen:


Abbildung 2: Konstellationsdiagramme für Modulationsformate steigender Ordnungen

Es wird deutlich, dass die einzelnen Symbole der Kommunikationskanäle schwieriger auseinanderzuhalten sind, je höher die Ordnung (oder M-ary) des Modulationsformats ansteigt. Die obenstehenden Abbildungen zeigen den Einfluss des Kanalrauschens auf die verschiedenen QAM-Formate, jedes mit einem EB (Energy-per-Bit) von 30. Beim Modulationsformat 256-QAM ist das Kanalrauschen zu hoch. In diesem Fall ist der Empfänger nicht in der Lage, die Phase oder Frequenz des Basisbandsignals festzustellen, so dass die Übergänge nicht feststellbar sind. Dies bedeutet, dass das SRV eines Kanals den Systemdurchsatz begrenzt, da es beeinflusst, welche Modulationsformate eingesetzt werden können.

Symbolrate vs. Bandbreite

Der zweite Faktor, der laut Shannon-Hartley-Gesetz die Systembandbreite begrenzt, ist die Kanalbandbreite. Die Bandbreite eines Kanals ist eine lineare Funktion zur Symbolrate des Kanals. Wird die Symbolrate des Kanals erhöht, steigt auch der Durchsatz an. Allerdings erfordert dies gleichzeitig eine höhere Bandbreite. Dies wird in der folgenden Abbildung dargestellt:


Abbildung 3: Bandbreite vs. Symbolrate

Wie oben dargestellt, sorgt die Erhöhung der Symbolrate eines Kommunikationssignals nicht für eine Verbesserung der Kanaleffizienz. Stattdessen erhöht sich nur die belegte Bandbreite. Da das verfügbare Frequenzspektrum endlich ist, ist die Kanalbandbreite in der Regel begrenzt (siehe folgende Abbildung).


Abbildung 4: Zuordnungen im Frequenzspektrum

Die obige Abbildung zeigt, dass, je breiter ein Kanal ist, desto weniger Kanäle in ein bestimmtes Spektrum passen. Das bedeutet, dass höhere Symbolraten bei Kommunikationssystemen nicht für eine Erhöhung der Effizienz sorgen. Das Shannon-Hartley-Gesetz für die Kanalkapazität gibt einen groben Überblick über die theoretischen Begrenzungen eines Kommunikationssystems und nimmt an, dass ein Kanal das Frequenzspektrum optimal ausnutzt.
Erhöhung der Spektraleffizienz mit OFDM
OFDM-Systeme ermöglichen über Verbesserungen der Spektraleffizienz eine wesentliche Erhöhung der Kanaldurchsatzrate. Auf Grund dessen wird OFDM heutzutage in aktuellen Protokollen wie IEEE 802.11g (Wi-Fi) und IEEE 802.16 (WiMAX) genutzt. Mit OFDM-Systemen lässt sich der Kanaldurchsatz erhöhen, ohne dass die Kanalbandbreite oder die Ordnung des Modulationsformats erhöht werden müsste. Dies wird mithilfe von Digitalsignalverarbeitungsfunktionen erreicht, welche die Erstellung eines einzigen Kanals aus einer Reihe orthogonaler Unterträger ermöglichen. Die nachfolgende Abbildung zeigt den Frequenzbereich eines Kanals in einem OFDM-System:


Abbildung 5: Frequenzbereich überlappender OFDM-Unterträger

Wie in der oberen Abbildung zu sehen ist, sind die Unterträger orthogonal zueinander angeordnet, so dass die maximale Leistung eines Unterträgers der minimalen Leistung (Nulldurchgangspunkt) des daneben liegenden Unterträgers entspricht. In einem typischen System wird der Bitstream für einen Kanal über mehrere Unterträger gemultiplext. Die Unterträger werden über eine inverse Fast-Fourier-Transformation (IFFT) verarbeitet und in einem Stream gebündelt. Somit können mehrere Streams parallel übertragen werden, während gleichzeitig die relative Phasen- und Frequenzbeziehung zwischen den Streams beibehalten wird.
In einem typischen System können einige der Unterträger als Schutzband eingesetzt werden, um Interferenzen durch benachbarte Kanäle zu verhindern. Der nachfolgend dargestellte Frequenzbereich zeigt eine typische Spektralzuordnung eines WiMAX-Kanals:


Abbildung 6: Frequenzbereichsnutzung von WiMAX

Da die Unterträger einander überlappen können, ist es möglich, fast die doppelte Anzahl an Unterträgern in einer bestimmten Bandbreite unterzubringen.
Der Einsatz von OFDM-Kanälen erhöht den Kanaldurchsatz in erster Linie durch die Erhöhung der Spektraleffizienz. Durch das Überlappen von Unterträgern kann die Anzahl der Unterträger in einer bestimmten Bandbreite so gut wie verdoppelt werden. Zusätzlich bieten OFDM-Systeme zwei weitere Vorteile für Wireless-Systeme: geringere Multipath-Verzerrung und geringeres Symbolübersprechen. Da OFDM-Kanäle relativ schmalbandige Unterträger verwenden, sind sie in der Lage, jeden Unterträger mit geringen Symbolraten abzutasten, ohne die Durchsatzrate zu beeinträchtigen. Auf Grund dessen unterliegen diese Systeme nur einem geringen Symbolübersprechen, das in der Regel aufgrund der Übertragung über mehrere Signalwege mit höheren Symbolraten entsteht. Eine große Anzahl an Protokollen, die OFDM nutzen, implementieren ein kleines Ausblendeintervall (Fade Interval), das dafür sorgt, dass Bestandteile von Multipath-Signalen ausgeblendet werden, bevor das nächste Symbol auftritt.

Berechnung des theoretischen Kanaldurchsatzes

Wie bereits erwähnt, wird die maximale Kanaldurchsatzrate von Faktoren wie dem Signal-Rausch-Verhältnis, der Bandbreite und der Spektraleffizienz (OFDM) beeinflusst. Dies wird mathematisch vom Shannon-Hartley-Gesetz beschrieben, welches besagt, dass:


Abbildung 7: Shannon-Hartley-Gesetz für die theoretische SISO-Kanalkapazität (Single Input, Single Output)

Die obenstehende Gleichung geht von einem Kommunikationskanal mit einer Sende- und einer Empfangsantenne aus. Die Gleichung findet jedoch auch für Systeme mit MIMO-Antennen (Multiple Input, Multiple Output) Anwendung. In MIMO-Systemen kann eine größere Anzahl an Antennen zur Erhöhung des effektiven Signal-Rausch-Verhältnisses eingesetzt werden. Der Durchsatz eines optimal genutzten Kommunikationskanals kann in folgender mathematischer Gleichung dargestellt werden:


Abbildung 8: Shannon-Hartley-Gesetz für die theoretische MIMO-Kanalkapazität (Multiple Input, Multiple Output)

Der Kanaldurchsatz eines MIMO-Systems kann durch die Erhöhung der Antennenanzahl (Sender und Empfänger) wesentlich gesteigert werden. MIMO-Systeme stellen in der drahtlosen Kommunikation eine Innovation dar, da sie den Durchsatz steigern, ohne die belegte Bandbreite oder die Ordnung des Modulationsformats zu erhöhen. Aus diesem Grunde nutzen aufstrebende Wireless-Standards wie z. B. IEEE 802.11n den MIMO-Ansatz in Kombination mit OFDM, um eine signifikante Durchsatzerhöhung zu erreichen. Die Spezifikation ist dazu gedacht, einen Datendurchsatz von bis zu 600 Mbit/s bei einer 40-MHz-Bandbreite zu erreichen. Dies stellt eine deutliche Verbesserung gegenüber dem Standard IEEE 802.11g mit einem Durchsatz von 54 Mbit/s bei einer 20-MHz-Bandbreite dar. Der Einsatz mehrerer Antennen verbessert zwar die Systemeffizienz, stellt Anwender jedoch gleichzeitig vor deutliche technische Herausforderungen, was das Design und die Überprüfung von Systemen anbelangt.

Funktionsweise eines MIMO-Systems

MIMO-Antennensysteme werden eingesetzt, um das effektive Signal-Rausch-Verhältnis eines Systems zu verbessern, indem einzelne Bitstreams über mehrere Sendeantennen auf einen physikalischen Kanal übertragen werden. Dies wird als Raummultiplexing bezeichnet. Durch das Multiplexing des Nachrichten-Bitstreams über mehrere Kanäle lässt sich der Systemdurchsatz linear zur Anzahl der Sender erhöhen. OFDM nutzt einen ähnlichen Ansatz, indem es einen Bitstream über die Unterträger multiplext. Jedoch ist bei OFDM-Systemen die Symbolrate jedes Unterträgers proportional zu der Anzahl der Unterträger des Kanals. In MIMO-Systemen wird der Bitstream in mehrere Sender gemultiplext, ohne dass die Symbolrate jedes unabhängigen Senders verändert wird. Je mehr Sender hinzugefügt werden, desto höher die Durchsatzrate, ohne dass die Kanalbandbreite beeinträchtigt wird.

Raummultiplexing

Als Raummultiplexing wird ein Vorgang bezeichnet, bei dem ein Daten-Stream in einzelne Daten-Streams gemultiplext wird. Dies weicht wesentlich vom traditionellen Ansatz ab, bei dem mehr Ressourcen der begrenzten Bandbreite genutzt werden, um die Übertragungsrate zu erhöhen. Die folgende Darstellung zeigt ein Blockdiagramm für ein Raummultiplexverfahren:


Abbildung 9: MIMO-System nutzt Raummultiplexverfahren zur Erhöhung der Übertragungsrate

Wie in der Abbildung zu sehen ist, erfordert ein Raummultiplexverfahren mehrere Sende- und Empfangsantennen. Die Antennen senden und empfangen Daten-Streams mit dem selben physikalischen Kanal. Darin unterscheidet sich der physikalische Kanal eines MIMO-Systems von anderen Kommunikationskanälen.
Im Allgemeinen werden Kommunikationskanäle mit dem Vektoransatz dargestellt, d. h. Signale verfügen über eine Bandbreite, Amplitude, Frequenz und Phase. Mit dem traditionellen Vektoransatz würde ein System mit mehreren Sendern, das einen Teil des Spektrums nutzt, jedoch als Rauschen dargestellt.
Ein Ansatz für die Darstellung des physikalischen Kanals ist die Verwendung von Gleichungen, die das empfangene Signal als Funktion der Kanaleigenschaften betrachtet. Bei einem SISO-Kommunikationskanal kann die Beziehung wie folgt dargestellt werden:


Abbildung 10: Modell eines traditionellen Kommunikationskanals

In der obenstehenden Gleichung wird der empfangene Kanal als eine Funktion des Antennenempfangs, gesendeten Signals und AWGN (Additives weißes gaußsches Rauschen) dargestellt.

Bei MIMO-Systemen nutzen mehrere Sender denselben Teil des Frequenzspektrums. Bei einem traditionellen Kanal würde dies zu Interferenzen führen und der Empfänger würde ein Signal empfangen, das aus zwei gesendeten Signalen besteht. In MIMO-Systemen können Signalverarbeitungsfunktionen eingesetzt werden, um gesendete Streams zu rekonstruieren und sie einzeln zu dekodieren. Im Allgemeinen geht dies einfacher vonstatten, wenn mehrere Empfangsantennen eingesetzt werden. Grundsätzlich erfordert dieser Schritt in der Signalverarbeitung vom Empfänger das Abschätzen verschiedener Eigenschaften des Senders und des physikalischen Kanals. Diese Eigenschaften sind u. a. Verstärkung, Phase und Multipath-Effekte. Um diese Beziehung zu verallgemeinern, wird jede gesendete Kanalbeschreibung durch die Variable „h“ dargestellt. Demzufolge kann ein System mit der folgenden Gleichung dargestellt werden:


Abbildung 11: MIMO-Kanalgleichung

Zusätzlich können diese Gleichungen auch durch eine Matrix dargestellt werden:


Abbildung 12: Matrix-Darstellung eines MIMO-Kanals

So kann für ein 2x2-MIMO-System jede Sende- und Empfangsantenne mit der folgenden Gleichung dargestellt werden:


Abbildung 13: Erweiterte Matrix-Darstellung eines MIMO-Kanals

Wie in den obenstehenden Gleichungen dargelegt, ist der Empfänger in der Lage, ein Signal wiederherzustellen, welches eine Funktion des gesendeten Streams und der Kanaleigenschaften ist. Damit ein MIMO-System wie vorgesehen funktionieren kann, ist es wichtig, die Phasen- und Verstärkungseigenschaften jeder Kanaldeskriptorgruppe genau einzuschätzen.

Kanaleinschätzung

Die physikalischen Kanäle eines MIMO-Systems können mit folgender Gleichung dargestellt werden:


Abbildung 14: Matrix-Darstellung eines MIMO-Kanals

Wie in der Gleichung beschrieben, ist das empfangene Signal (Rx) eine Funktion des gesendeten Signals (Tx) und der Kanalbeschreibung (H). Um eine erfolgreiche Kommunikationsverbindung zu erstellen, ist es wichtig, H für jedes Sende-Empfangs-Paar genau zu charakterisieren. Wichtige Charakteristiken sind u. a. die Amplitude und relative Phase des empfangenen Signals. Somit kann jeder räumliche Stream so korreliert werden, dass er das gesendete Ursprungssignal genau einschätzen kann. Dies wird in der folgenden Abbildung dargestellt:


Abbildung 15: Konstellationsdiagramm für einen MIMO-Kanal

Alle gesendeten Streams können einem idealen Symbol im Konstellationsdiagramm zugeordnet werden. Wird jeder räumliche Stream in demselben physikalischen Kanal erzeugt, dann erscheint es, als würden die Symbole einander beeinträchtigen bevor sie voneinander getrennt werden. Somit wird deutlich, dass vor der Trennung der Symbole die Betrachtung des physikalischen Kanals mit dem Vektoransatz ([H] x [Rx]) unzureichend ist. Wird jedoch jeder Kanal einzeln eingeschätzt und in mehrere räumliche Streams aufgeteilt, ist es möglich, die augenscheinlich unvollständigen physikalischen Kanäle den gesendeten Streams zuzuordnen.

Dies zeigt, dass die Kanaleinschätzung für die Implementierung eines MIMO-Systems unerlässlich ist. Typische MIMO-Transceiver-Implementierungen müssen so entworfen werden, dass das Basisband und die RF-Untersysteme eng zwischen den Antennen synchronisiert sind. Dies ist nicht nur eine Herausforderung für das Systemdesign, sondern auch für MIMO-Prüflösungen. Die nachfolgenden Abschnitte geben einen Überblick über verschiedene Architekturen für die Gerätesynchronisierung in MIMO-Prüfsystemen.

Einsatz von Messgeräten in MIMO-Prüfanwendungen

Die genaue Überprüfung von MIMO-Transceivern stellt eine große Herausforderung für bestehende Prüfgerätearchitekturen dar. Neue Architekturen erfordern nicht nur anspruchsvolle Signalverarbeitungsalgorithmen zum multiplexen und demultiplexen von räumlichen Streams, sondern auch eine enge Synchronisation zwischen jeder Sende- und Empfangsantenne. Der nachfolgende Abschnitt beschreibt die Schwierigkeiten der Synchronisation und legt dar, wie ein hybrider PXI/Benchtop-Ansatz für die Synchronisation von Basisband und RF genutzt werden kann.

Basisbandsynchronisation

Der erste Schritt zur Synchronisation von RF-Signalen ist die Synchronisierung der Messgeräte für die Basisbanderzeugung und -erfassung. In einer typischen Prüfkonfiguration werden die Basisbandsignale mithilfe von Signalverlaufsgeneratoren und Hochgeschwindigkeits-Digitaloszilloskopen erzeugt und erfasst. Die nachfolgende Abbildung illustriert die Wichtigkeit der Basisbandsynchronisation für die Signalerzeugung und zeigt das Blockdiagramm eines konventionellen Modulators für die direkte Wandlung, wobei t der Taktverteilungsverzögerung zwischen den beiden D/A-Wandlern entspricht. Die diskreten Zeitsignale der In-Phase (I) und der Quadratursignale (Q), dargestellt durch I[n] bzw. Q[n], werden in analoge Signalverläufe I(t) bzw. Q(t-τ) umgewandelt.


Abbildung 16: Modulator mit I/Q-Laufzeitunterschied aufgrund von Taktverzögerungen

Der lokale Oszillator (LO) nutzt alle Basisbandsignale, I(t) und Q(t-τ), um RF-Ausgabesignale zu erzeugen. Phasenabweichungen zwischen I[n] und Q[n] resultieren demzufolge in Quadraturabweichungen in der RF-Ausgabe.
Die Programmierschnittstelle NI-TClk kann zusammen mit PXI-Signalgeneratoren von NI für die Synchronisation mehrerer Signalverlaufsgeneratoren mit einem gemeinsamen Referenztakt von 10 MHz eingesetzt werden. Des Weiteren können die Geräte mithilfe der folgenden drei VIs mit einem typischen Laufzeitunterschied zwischen den Steckplätzen von 100 ps synchronisiert werden.


Abbildung 17: Grundlegende Funktionen des NI-TClk-Treibers

Zusätzlich müssen Basisbandgeneratoren bestimmte Anforderungen an die Bandbreite erfüllen. Da die Spezifikation IEEE 802.11n Signale mit einer Bandbreite von 40 MHz umfasst, können mehrere PXI-5422-Signalverlaufsgeneratoren (200 MS/s, 80-MHz-Bandbreite) so synchronisiert werden, dass sie alle Basisbandsignale erzeugen. Bei Basisbandsignalen hoher Bandbreite ist eine enge Synchronisation zwischen den Messgeräten besonders wichtig.
Eine Möglichkeit zur Charakterisierung der Amplituden- und Phasengenauigkeit der erzeugten Signale ist die Messung der Error Vector Magnitude (EVM). Die EVM eines synchronisierten PXI-5422 liegt bei -57 dB. Dieser Wert ist absolut ausreichend für die Anforderungen von 802.11n-Prüfsystemen.
Die folgende Abbildung zeigt den EVM-Abfall, wenn der Wert τ eines 802.11n-Signals mit 40 MHz von 100 auf 1000 ps ansteigt.


Abbildung 18: EVM vs. I/Q-Laufzeitunterschied für ein 802.11n-Signal mit 40 MHz

Ein Laufzeitunterschied von mehreren hundert Nanosekunden sorgt für eine schwer zu erkennende, jedoch signifikante EVM im Messsystem. Laufzeitunterschiede im Bereich von Millisekunden können ein Messsystem für Prüfanwendungen unbrauchbar machen.
Diese Anforderungen an den Laufzeitunterschied gelten ebenso für die Basisbandsignalanalyse. Die Digitizer NI-PXI-5124 verfügen über integrierte Funktionen zur Synchronisation mehrerer Module und eignen sich somit für die Signalanalyse von MIMO-Geräten. Die Module bieten eine Auflösung von 12 bit, eine Abtastrate von 200 MS/s und ermöglichen eine Synchronisation innerhalb von 20 ps. Die EVM für diese Module liegt bei -48 dB und erfüllt somit die Anforderungen von Prüfanwendungen. Ein weiterer Vorteil für Prüfanwendungen liegt darin, dass der Signalgenerator PXI-5422 mit dem Signalanalysator PXI-5124 synchronisiert werden kann. Dies ist besonders nützlich für MIMO-Prüfsysteme, die eine simultane Signalerzeugung und -analyse erfordern.

Synchronisation des lokalen Oszillators

Eine enge Basisbandsynchronisation ist nur ein Aspekt, wenn es darum geht, jeden Sender eines MIMO-Systems genau zu synchronisieren. Wie bereits erwähnt, ist es bei MIMO-Systemen erforderlich, dass die Phase zwischen jeder Sendeantenne konstant bleibt. Bei der Synchronisation von Basisband-I- und -Q-Signalen sollte der Laufzeitunterschied so gering wie möglich sein, um Verzerrungen des RF-Signals zu verhindern. Bei der Synchronisation mehrerer RF-Signale sind Phasenabweichungen zwischen den RF-Signalen zwar tolerierbar, sie sollten jedoch ebenfalls so gering wie möglich gehalten werden.

Typische Prüfarchitekturen: Hybrider Ansatz

Eine Möglichkeit zur Sicherstellung der Basisband- und RF-Synchronisation ist eine hybride Prüfarchitektur, die sowohl PXI- als auch traditionelle Messgeräte umfasst. Bei dieser Architektur profitieren Anwender von den Synchronisationsfunktionen von PXI- und Benchtop-RF-Messgeräten mit einem Referenztakt von 10 MHz. Die nachfolgende Abbildung zeigt eine typische Prüfarchitektur eines MIMO-Systems:


Abbildung 19: Hybride MIMO-Prüfarchitektur mit PXI- und traditionellen Messgeräten

Wie in der Abbildung dargestellt, erfordert eine 2x2-MIMO-Konfiguration vier Kanäle mit synchronisierten Basisband-I- und -Q-Signalen. Die Basisbanderzeugung findet mit der PXI-Plattform statt, während zwei Benchtop-Vektorsignalgeneratoren einen gemeinsamen Referenztakt von 10 MHz zur Synchronisation der RF-Signale zur Verfügung stellen.

Software für IEEE-802.11n-Systeme

National Instruments empfiehlt für eine vollständige Signalerzeugungs- und -analyselösung für die Standards 802.11a/b/g/n die WLAN Test Suite von Lyocom. Wie bereits erwähnt, erfordern MIMO-Systeme starke Signalverarbeitungsfunktionen, um alle Eingangs-Streams der RF-Antenne zu synchronisieren. Die Digitalsignalverarbeitungsfunktionen der grafischen Programmierumgebung NI LabVIEW ermöglichen das Demultiplexing und die Analyse der gesendeten Original-Streams.
Die WLAN Test Suite von Lyocom wurde sowohl für den Stand-alone-Betrieb als auch den Einsatz in automatisierten Prüfumgebungen konzipiert. Die menübasierte Benutzeroberfläche verbindet eine intuitive Hardwaresteuerung mit einfach zu navigierenden Analysefunktionen und Anzeigeoptionen (siehe Abbildung). Die Test Suite kann über die umfassende LabVIEW-Programmierschnittstelle problemlos in automatisierte Prüfumgebungen integriert werden. Die Suite umfasst mehr als 100 umfassend dokumentierte VIs für eine große Auswahl an Prüfoptionen. Des Weiteren beinhaltet die Software verschiedene Beispielprogramme und Flussdiagramme, um die Anwendungsentwicklung noch weiter zu vereinfachen.


Abbildung 20: WLAN Test Suite von Lyocom

Fazit

MIMO-Kommunikationssysteme und insbesondere der Standard IEEE 802.11n stellen Prüfingenieure vor viele neue Herausforderungen, die jedoch mithilfe von hybriden PXI/Benchtop-Geräteplattformen gelöst werden können. Die Herausforderungen von MIMO-Systemen sind u. a.: Basisbandsynchronisation, RF-Synchronisation und anspruchsvolle Signalverarbeitungstechniken.
Weitere Informationen zu den Signalerzeugungs- und -erfassungsprodukten entnehmen Sie bitte der Seite ni.com/modularinstruments/d/. Informationen zur WLAN Test Suite von Lyocom finden Sie auf der Website der Firma www.lyocom.com.

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