隨著無線系統(tǒng)對更高數(shù)據(jù)速率和更大覆蓋范圍的需求不斷增長，工程師們采用多天線技術(shù)來實現(xiàn)分集、復(fù)用和波束成形來提高頻譜效率和信噪比，以提升系統(tǒng)性能。

天線數(shù)量的增加也帶來了測試系統(tǒng)的復(fù)雜性，尤其在需要對多個射頻通道進行嚴格相位控制的情況下。此時，構(gòu)建一個能產(chǎn)生多路、同步且保持相位相干性的信號系統(tǒng)變得尤為關(guān)鍵。

本文將介紹三種常見的相位相干射頻信號生成策略，并探討它們在多天線系統(tǒng)測試中的應(yīng)用與差異。

【什么是相位相干】

如果兩個信號始終具有恒定的相對相位，則它們就是相干的。圖 1a 顯示了兩個相位變化的非相干信號，圖 1b 顯示了具有固定相對相位的相干信號。

在表征相控陣天線等多通道組件時，需要精確控制各通道之間的相位關(guān)系（圖 1c）。對于數(shù)字調(diào)制信號，相位相干性既指基帶發(fā)生器之間的定時同步，也指射頻載波之間的相位相干性（見圖 1d）。

圖1. 兩個信號間的相位關(guān)系

【相位相干對多天線系統(tǒng)的影響】

現(xiàn)代無線系統(tǒng)，無論是商業(yè)應(yīng)用還是航空航天和國防領(lǐng)域，多會使用多天線技術(shù)來提升整體系統(tǒng)性能，包括空間分集、空間復(fù)用和波束成形。

空間分集

在無線通信系統(tǒng)中，多徑效應(yīng)會導(dǎo)致無線電信號通過兩條或多條路徑到達接收機天線。當多徑信號到達接收機時，這些信號會根據(jù)其相對相位進行增強或者減弱的組合?？臻g分集提供了一種解決多徑干擾的方法。通過使用兩根或多根天線，可以提高無線鏈路的質(zhì)量和可靠性。通過信道切換、信號加權(quán)、時間延遲或發(fā)射分集來實現(xiàn)這一點，如圖 2 所示。

圖2. 用于接收機和發(fā)射機的空間分集技術(shù)

為了模擬空間分集測試的多徑信號，需要一個信號發(fā)生器和一個信道模擬器來模擬接收分集測試的多徑場景（圖 3a）。為了進行發(fā)射分集測試，需要多個信號發(fā)生器和一個信道模擬器（圖 3b）。為了準確模擬多徑場景，必須同步兩個信號發(fā)生器的基帶并對齊兩個載波的相位。

圖3. 空間分集測試設(shè)置

空間復(fù)用

空間復(fù)用是 MIMO 系統(tǒng)中的關(guān)鍵傳輸技術(shù)，它將原始數(shù)據(jù)拆分為多個獨立的數(shù)據(jù)流，并通過多個發(fā)射天線在同一信道中同時傳輸這些數(shù)據(jù)流。為了在接收端恢復(fù)原始數(shù)據(jù)，MIMO 系統(tǒng)需要估計信道的逆特性，并利用信道估計算法進行信號檢測。

圖4. 2x2 MIMO系統(tǒng)框圖

圖 4 表示一個 2x2（兩個發(fā)射機和兩個接收機）MIMO 示意圖，其中兩個符號（b1 和 b2）同時傳輸，使數(shù)據(jù)吞吐量翻倍。一個簡單的公式如下：

其中 r 表示接收信號，s 表示源信號，h 表示無線信道響應(yīng)。

接收機可以使用訓(xùn)練序列算法進行信道估計（上文中的 h 矩陣）。使用以下公式通過信號處理恢復(fù)發(fā)射信號（s1 和 s2）：

上述計算使用時序?qū)R的信號和一個公共本振 (LO) 對多通道信號進行上變頻和下變頻。由于大多數(shù)商用信號發(fā)生器都配有獨立的基帶發(fā)生器和 LO，因此該技術(shù)增加了模擬多通道射頻信號和信道矩陣的測試挑戰(zhàn)。

為了模擬用于空間復(fù)用性能測試的 MIMO 多徑信號，需要多個信號發(fā)生器和信道模擬器來模擬多徑場景，并注入加性高斯白噪聲 (AWGN) 以模擬所需的信噪比 (SNR)。圖 5 展示了一個典型的 5G NR基站的MIMO 2x4 性能測試方案，該測試引入了多徑衰落和AWGN來模擬真實的無線信道環(huán)境。

圖5. 5G NR gNB 2x4 MIMO性能測試及信道仿真

天線陣列 - 波束成形

天線陣列是一組用于發(fā)射或接收信號的天線單元。相干驅(qū)動的天線單元之間具有適當?shù)南辔谎舆t，可以形成信號波束。相控陣天線在波束成形網(wǎng)絡(luò) (BFN) 中使用移相器來產(chǎn)生沿特定方向傳播的均勻波前。均勻波前使得一組低方向性天線單元在發(fā)射或接收應(yīng)用中表現(xiàn)得像一個高方向性天線。通道之間的相位延遲決定了天線的方向圖，如圖 6 所示。

圖6. 相控陣天線通過調(diào)整相干天線之間的相位來形成波束

圖 7 展示了以特定間距使用多個天線元件的影響。隨著天線元件數(shù)量的增加，間隔增加半個波長，天線波束寬度會變窄（圖 7a 至 7d）。通過對每個天線上的信號施加 90 度相移，可以改變波束的方向，如圖 7e 所示。通過以不同的量改變元件之間的相移，可以將波束控制在一定方向上。為了模擬此類多通道信號，需要精確控制發(fā)射機和接收機測試中通道之間的相位差。

圖7. 天線方向圖與天線元件數(shù)量

【生成多路相位相干信號】

測試多天線系統(tǒng)（例如空間分集、空間復(fù)用和天線陣列）需要能夠提供具有穩(wěn)定相位關(guān)系的多個信號的測試系統(tǒng)。為了模擬多通道測試信號，測試信號之間的相位必須相干且可控。生成多通道相位相干信號的不同策略，對多天線系統(tǒng)的測試會有不同的影響。

- 獨立本振

在信號發(fā)生器之間實現(xiàn)一定相位穩(wěn)定性的最簡單方法是鎖定 10 MHz 頻率參考。圖 8 顯示了兩臺信號發(fā)生器，具有同步的基帶發(fā)生器，使用一個觸發(fā)信號和一個共用的 10 MHz 時基。

圖8. 具有公共參考時鐘的兩臺信號發(fā)生器

相位漂移

信號發(fā)生器具有獨立的振蕩器，每個振蕩器都帶有鎖相環(huán) (PLL)。這會導(dǎo)致信號發(fā)生器之間出現(xiàn)相位漂移。大多數(shù)情況下，PLL 可以將相位漂移鎖定在環(huán)路帶寬或 PLL 環(huán)路濾波器的限制范圍內(nèi)。然而，PLL 無法完全跟蹤高階響應(yīng)。

在 MIMO 測試系統(tǒng)中，由于接收機可以通過自適應(yīng)均衡器消除線性誤差，因此通道間的緩慢相位漂移問題并不大。共享公共頻率參考的測試通道可以提供可接受的系統(tǒng)級測試性能。

相位噪聲

不相關(guān)的相位噪聲會導(dǎo)致參考鎖定信號發(fā)生器之間的相位誤差。在 PLL 的環(huán)路帶寬內(nèi)，頻率參考對相位噪聲性能的影響最大。在環(huán)路帶寬之外，PLL 的振蕩器決定相位噪聲。通過使用高質(zhì)量穩(wěn)定的參考源和低相位噪聲的儀器，可以改善相位漂移和相位誤差。

PLL 在其環(huán)路帶寬范圍內(nèi)能夠抑制相位噪聲，但在帶寬之外，相位噪聲由壓控振蕩器（VCO）本身主導(dǎo)。因此，使用低相位噪聲的參考源和信號發(fā)生器是構(gòu)建高保真相位相干系統(tǒng)的關(guān)鍵。

- 共享本振

為了最大限度地減少相干性誤差源，多個信號發(fā)生器會使用一個公共本振。圖 9 展示了兩臺信號發(fā)生器，它們被設(shè)置為相位相干測試系統(tǒng)。系統(tǒng)獲取頂部信號發(fā)生器的本振，將其分頻，并將其用作兩個信號發(fā)生器的本振輸入（參見紅線）。在這種配置下，兩個信號發(fā)生器的射頻路徑完全相干。完全相干配置顯示在圖 9 的右側(cè)，可以看到兩個信號發(fā)生器之間的相位差小于 1 度。

圖9. 具有公共本振的兩個相位相干射頻通道的設(shè)置

相移

即使使用共享本振（LO），由于連線長度和連接器差異，不同通道之間仍可能存在靜態(tài)時間偏移和相位偏移。這些不一致會導(dǎo)致通道間的相位關(guān)系失真。為了確保測量結(jié)果反映的是被測設(shè)備（DUT）本身的特性而非測試系統(tǒng)引入的誤差，需要對這些偏移進行校正。如圖10所示，可使用帶寬較寬的示波器對多個矢量信號發(fā)生器（VSG）之間的靜態(tài)時間偏移和相位偏移進行測量。

圖10. 使用示波器測量通道、時間和相位偏差

- 直接數(shù)字合成

直接數(shù)字合成 (DDS) 通過生成數(shù)字形式的時變信號，然后進行數(shù)模轉(zhuǎn)換來產(chǎn)生模擬波形。DDS 架構(gòu)提供了實現(xiàn)低相位噪聲、快速頻率切換以及極高頻率調(diào)諧分辨率的最佳途徑。

DDS 在每個頻率的輸出之間保持固定的相位關(guān)系。同步需要使用公共參考時鐘進行初始時鐘對齊，如圖 11 所示。對相位累加器進行同步復(fù)位（綠線所示）可實現(xiàn)相位對齊，可以在每次頻率更新時應(yīng)用此復(fù)位。相位的同步復(fù)位為每個通道產(chǎn)生固定且可重復(fù)的相位關(guān)系。

圖11. 兩個DDS共享一個高頻參考時鐘

針對不同的應(yīng)用場景和用戶需求，Keysight的信號源產(chǎn)品（MXG - N5186A、VXG - M9484C、G系列緊湊型信號發(fā)生器 - AP5042A）提供了全面的多通道、相位相干功能。

圖12. G系列AP5042A 多通道矢量信號發(fā)生器

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