多输入多输出收发器系统的无线通信设计

经过多年作为理论方法和学术主题，多输入多输出(MIMO)收发器系统正在获得重要的设计注意力和支持组件。该技术已被用于一些最新的4G代和下一代LTE(长期演进)蜂窝标准，以提供所需的吞吐量和性能，以及Wi-Fi IEEE 802.11n标准。

MIMO方法背后的原理是在基站甚至用户手机上使用多个半独立天线和发送/接收信道，以克服不可避免的信号路径问题，如噪声，衰落和多径。实际上，MIMO在这些问题上实现了“柔术”。它采用先进的硬件和软件将它们从之前被认为是无线弱点转变为显着的优势和优势。

MIMO与分集系统

MIMO比分集天线系统复杂得多，复杂得多。使用多个天线以获得更好的信号覆盖是一项成熟的技术;通常这是在接收器上完成的，但也可以在发射器上完成，发射器可能不在同一位置。 (请注意，为了避免混淆，业界现在将基本单天线系统称为单输入，单输出或SISO。)

在基本天线分集接收机设计中，使用两个或更多天线，间隔为至少四分之一波长。每个天线的信号都送到RF低噪声放大器(LNA)，然后组合信号。这种组合可以通过不同的方式完成，其复杂性，成本和收益的规模越来越大。

在最简单的方法中(图1a)，添加或组合两个(或更多)放大的天线信号。这个想法是一个天线可能处于局部“死区”，而另一个天线将提供足够的信号。或者，如果问题是低SNR而不是低接收功率，接收能量的信号部分将线性增加，但来自多个天线的随机噪声将仅增加其均方根(RMS)值，因此将会有SNR净增加。

在天线分集的选择版本中(图1b)，连续测量每个天线的SNR，系统选择具有最佳SNR的天线输出，同时阻止其他天线到达接收器。最后，在交换分集方法(图1c)中，使用一个天线直到其SNR低于某个预设阈值，然后系统切换到备用天线。

虽然多样性是一种有效且相对低成本的提高系统性能的方法，但它在可实现的方面存在局限性。相比之下，MIMO需要更多的电路和嵌入式软件(以及信号分析和处理算法)，但可以产生更好的性能和一致性。

MIMO架构和复杂性

MIMO系统使用多个天线，接收器前端和发送路径，而不仅仅依赖于多样性设计中的多天线。这在天线和系统处理器之间创建了多个完整的接收/发送路径。然后，处理器的任务是管理这些多路径以获得最佳系统性能。具有两个通道(用于发送和接收路径)的基本MIMO系统称为2×2设计(图2);一些高级基站每个使用多达8个通道，给定8×8指定。注意，MIMO不必是对称的。例如，可以具有带有两个发送通道和一个接收通道(2×1指定)的系统。

图2：2 x 2 MIMO系统完全复制了从处理器到天线的接收和发送通道电路。

当然，以上是对实现完整MIMO架构的现实的简化。完整的MIMO设计有三个主要模块：预编码，空间复用和分集编码：

在基本的“单层”预编码中，每个发射天线广播相同的信号，但具有相位和增益预调整以补偿路径延迟，多径和其他伪像，目的是最大化接收器处的有用信号功率。由于MIMO系统具有多个接收天线，因此预编码数据被分成用于不同天线的若干流。

空间复用使用的信息是多个发射天线。高速信号被分成多个较低速率的信号流，并且每个信号流由不同的天线发送，但是在相同的频率信道中。多个接收器天线中的每一个看到不同的空间特征;因此，接收器可以将这些流分成并行通道。

分集编码利用了以下事实：多个天线路径的衰落特性通常是独立的，至少在某种程度上是独立的。它与单个流而不是多个流一起使用，并且使用诸如OFDMA(正交频分多址)的全或近正交编码技术利用空时编码对信号进行编码，支持空间复用和分集编码。

由于每个天线对于信号相位是独立且可单独控制的，因此MIMO系统可用于波束成形，其中聚合天线方向图被动态移位以在一个或多个接收机天线处产生最大性能(例如，选择一条不褪色的道路)。类似地，接收器天线阵列可以是波束形成的，以聚焦来自具有更好SNR和更低失真或衰落的方向的信号。

MIMO需要大量硬件

与SISO或分集天线系统相比，MIMO是硬件和软件密集型的。当然，它需要复杂，复杂的算法来管理和动态调整数据流，并对多个并行通道进行编码和解码。这需要功能相对较强的处理器，通常作为FPGA实现。

MIMO还对模拟和混合信号硬件提出了很高的要求。它需要完全独立的多通道，用于从天线到A/D转换器的接收链，以及从D/A转换器到天线的发送路径。

ADI公司的AD9361(图3)是一款宽带2×2收发器，具有关键参数的“即时”用户可编程性。它将RF前端与灵活的混合信号基带部分(具有12位ADC和DAC)和集成频率合成器相结合，通过为处理器提供可配置的数字接口简化了设计。它的工作频率范围为70 MHz至6.0 GHz，可调带宽为200 kHz至56 MHz。

图3：ADI公司的AD9361是一款双通道收发器，用于MIMO设计，具有带宽，可调性和性能参数，包括用户可设置性，针对软件定义进行了优化无线电(SDR)应用。

另一款专注于MIMO的IC是Maxim Integrated Products的MAX2839(图4)，这是一款直接转换，零中频，基带到RF收发器，适用于2.3至2.7 GHz频段的802.16e MIMO移动WiMAX应用。它的双接收器具有优于40 dB的信道间隔离，并且还包括单个发送器通道。其他功能模块包括VCO，频率合成器，晶体振荡器和基带/控制接口。它需要用户提供的RF带通滤波器，晶体，RF开关，PA，天线和一些无源元件。

图4：Maxim的MAX2839针对2.3至2.7 GHz 802.16e MIMO移动WiMAX应用进行了优化，具有两个接收器通道，具有 40 dB的通道间隔离。

除了这些IC之外，MIMO设计的RF信道还需要多个接收器LNA，发射器功率放大器(PA)及其相关控制电路以及多个天线。目前，这些不适用于多通道单元，但仅适用于单通道/每包装格式(某些小众应用除外)。然而，这些相对简单的器件的封装很小甚至是芯片尺寸，因此房地产占用空间非常小，而敏感，低功率和高功率的RF信号路由也得到了缓解，因为它们可以靠近放置他们各自的天线。