經過多年作為理論方法和學術主題，多輸入多輸出（MIMO）收發器系統正在獲得重要的設計注意力和支持組件。該技術已被用于一些最新的4G代和下一代LTE（長期演進）蜂窩標準，以提供所需的吞吐量和性能，以及Wi-Fi IEEE 802.11n標準。

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在這些問題上實現了“柔術”。它采用先進的硬件和軟件將它們從之前被認為是無線弱點轉變為顯著的優勢和優勢。

MIMO與分集系統

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

在基本天線分集接收機設計中，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，其復雜性，成本和收益的規模越來越大。

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”，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），連續測量每個天線的SNR，系統選擇具有最佳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低于某個預設閾值，然后系統切換到備用天線。

雖然多樣性是一種有效且相對低成本的提高系統性能的方法，但它在可實現的方面存在局限性。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），但可以產生更好的性能和一致性。

MIMO架構和復雜性

MIMO系統使用多個天線，接收器前端和發送路徑，而不僅僅依賴于多樣性設計中的多天線。這在天線和系統處理器之間創建了多個完整的接收/發送路徑。然后，處理器的任務是管理這些多路徑以獲得最佳系統性能。具有兩個通道（用于發送和接收路徑）的基本MIMO系統稱為2×2設計（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送通道和一個接收通道（2×1指定）的系統。

圖2：2 x 2 MIMO系統完全復制了從處理器到天線的接收和發送通道電路。

當然，以上是對實現完整MIMO架構的現實的簡化。完整的MIMO設計有三個主要模塊：預編碼，空間復用和分集編碼：

在基本的“單層”預編碼中，每個發射天線廣播相同的信號，但具有相位和增益預調整以補償路徑延遲，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系統具有多個接收天線，因此預編碼數據被分成用于不同天線的若干流。

空間復用使用的信息是多個發射天線。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利用空時編碼對信號進行編碼，支持空間復用和分集編碼。

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系統可用于波束成形，其中聚合天線方向圖被動態移位以在一個或多個接收機天線處產生最大性能（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或分集天線系統相比，MIMO是硬件和軟件密集型的。當然，它需要復雜，復雜的算法來管理和動態調整數據流，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。

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轉換器的接收鏈，以及從D/A轉換器到天線的發送路徑。

ADI公司的AD9361（圖3）是一款寬帶2×2收發器，具有關鍵參數的“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合，通過為處理器提供可配置的數字接口簡化了設計。它的工作頻率范圍為70 MHz至6.0 GHz，可調帶寬為200 kHz至56 MHz。

圖3：ADI公司的AD9361是一款雙通道收發器，用于MIMO設計，具有帶寬，可調性和性能參數，包括用戶可設置性，針對軟件定義進行了優化無線電（SDR）應用。

另一款專注于MIMO的IC是Maxim Integrated Products的MAX2839（圖4），這是一款直接轉換，零中頻，基帶到RF收發器，適用于2.3至2.7 GHz頻段的802.16e MIMO移動WiMAX應用。它的雙接收器具有優于40 dB的信道間隔離，并且還包括單個發送器通道。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，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應用進行了優化，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設計的RF信道還需要多個接收器LNA，發射器功率放大器（PA）及其相關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。