本文介绍了一款宽带MIMO（多路输入多路输出）信道探测仪，它是基于多端口网络分析仪和快速开关而构建的，二者分别由笔记本电脑中的应用软件进行控制。该信道探测仪具有多种功能，可以配置频率带宽、发射天线和接收天线的数量等系统参数。唯一不便的是，在测量过程中信道必须保持稳定。
喀他赫纳科技大学实验室对4x4 MIMO系统进行了测量，以测试信道探测仪的性能。所选频段为2.4 GHz~2.5 GHz。校准后系统的幅度和相位噪声非常低，幅度噪声最大值为1.5×10-2dB，相位噪声最大值为0.1度。此外，由于只使用一台网络分析仪，它还避免了旁路相位噪声。
介绍
最近几年，MIMO系统受到极大的关注。实践证明，通过在发射机和接收机上使用多个天线可以提高频谱效率，并且有可能获得较高的数据发射率。这些系统得益于空间分集，由此可见，（信号或数据的）传播环境对提高MIMO的容量具有特殊作用。因此研究这些系统的不同环境及如何有效地使用系统非常重要。
为了在不同环境中提高容量，人们已经做了许多理论性的研究，但是对于最终可达到的真实容量，只有通过实验的结果才能做出评估。为此，研究者对MIMO信道进行了大量的实际测量。
许多参考文献中阐述了信道探测仪的各种配置：如使用窄带信道探测仪，每个发射天线可发射间隔为2kHz的连续波；使用发射机和接收机上的矢量分析仪和虚拟阵列测量MIMO信道。由于发射机、接收机与矢量分析仪使用同轴电缆连接，所以发射机和接收机之间的距离受到电缆损耗的限制。虚拟阵列的问题是，由于测量需要的时间较长，所以很难保证信道在测量过程中保持不变。有些配置使用了两个矢量分析仪和同轴开关。但是，使用两个矢量分析仪会引起旁路相位噪声。另一种方法是发射伪随机的噪声序列，以便测量复杂的激励响应。还有一个常用的信道探测器是RUSK ATM，其发射机和接收机阵列都带有快速射频开关，每个发射机可连续发射周期性多频信号。这种信道探测仪使用了光纤同步发射机和接收机，远程链接时还可以使用两个铷参考。
本文介绍的信道探测仪是在通过笔记本电脑控制的快速开关和多端口网络分析仪（NA）的基础上构建的。由于只使用一台信号分析仪，从而避免了旁路噪声问题。这种信道探测仪的独特之处主要在于使用了光纤链路，以避免同轴电缆的损耗；因此，发射机和接收机之间的距离仅受限于产生路径损耗的组件。这套系统使用快速开关和多端口网络分析仪代替虚拟阵列，从而减少了测量时间。
这种信道探测仪支持不同的系统配置，能够对网络分析仪所支持的任何频率进行测量。但是必须保证信道固定不变。测量过程的快慢取决于网络分析仪和其他系统组件。这种信道探测仪的优点是，大多数实验室和研究中心都有多种类型的网络分析仪，因此可以有效地利用现有资源。
MIMO信道理论
在由M根发射天线和N个接收天线组成的MIMO系统中，接收到的信号可写作：
(1)
其中r是接收信号的Nx1矢量；s是表示发射信号的Mx1矢量；G是一个NxM矩阵，表示从每个发射天线到每个接收天线的信道传输；n表示Nx1噪声矢量。
均衡分配的发射功率带有信噪比（SNR）（用ρ表示），其最大理论容量可表示为：
(2)
其中IN是单位矩阵NxN，t表示转置共轭函数。对G进行标准化后得到H以便去除路径损耗，因此，上式可归一化为Frobenius函数：
(3)
也可通过对由奇异值分解（SVD）的每个独立子信道求和，计算出容量。
每个子信道的功率增益可根据相关矩阵HHH（N=M时）或HHH（N子信道（K）的数量可通过M、N的最小值和可解析的多通道组件的数量得出。如果是平均功率分配，则可根据下式算出容量：
(4)
如果是宽带模式，可对所有测量频率取平均值来计算容量：
(5)
其中F表示测量频率的数量，f1和f2分别表示初始频率和最终频率。
系统描述
基于网络分析仪的宽带MIMO测量系统是对窄带测量的扩展。这种新系统可以执行宽带测量，而且极大地提高了模块和相位的噪声电平。测量设备的重要组件是通过笔记本电脑控制的网络分析仪和快速开关（见图1）。
众所周知，对于只使用一台网络分析仪的测量设备，其主要优势在于：相位噪声低（系统是锁相的，所以没有旁路相位噪声）、成本低和功能多；这是因为可以选择任意频段。不方便的是发射机（图2a）和接收机（图2b）之间的距离受限，这是由于使用了同轴电缆，因而会产生较高的衰减。在我们的测量系统中，为了解决这一问题采用光纤链路来取代同轴电缆。光纤链路的衰减约为0.4 dB/km，于是，发射机和接收机之间的距离只受路径损耗一种因素的限制。若在链路两端引入放大器，则它们之间的距离还可以进一步增大。设备系统的各个组成部分如图2所示。
