隨著射頻元器件和子系統(tǒng)以及高密度數(shù)字信號(hào)處理電子器件的快速發(fā)展，多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)正引起廣泛關(guān)注，因?yàn)樵摷夹g(shù)可通過(guò)多路復(fù)用來(lái)提高數(shù)據(jù)速率，或通過(guò)空間分集使系統(tǒng)性能至少提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。鑒于相控陣?yán)走_(dá)、波束賦形和測(cè)向系統(tǒng)等各種電子戰(zhàn)和雷達(dá)應(yīng)用正在廣泛采用MIMO系統(tǒng)，而應(yīng)用此類(lèi)MIMO系統(tǒng)必須克服與信道間相位和幅度同步等相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)難題，才能一致地接收和處理每個(gè)輸入/輸出采集或生成的數(shù)據(jù)。因此，德州奧斯汀NI總部的兩位技術(shù)大神Shivansh Chaudhary以及Eddie Rodriguez試圖通過(guò)本文告訴你應(yīng)對(duì)多通道相位相干系統(tǒng)測(cè)試挑戰(zhàn)應(yīng)該往哪些方向使勁

他們認(rèn)為，每個(gè)通道的精確相位和振幅同步對(duì)多通道相位相干系統(tǒng)的測(cè)試和驗(yàn)證提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。為了高效地測(cè)試這些系統(tǒng)，測(cè)試和測(cè)量設(shè)備必須提供同等或更高的信號(hào)相干精度，并能夠?qū)ο辔?、時(shí)間、頻率和幅度進(jìn)行完全控制。

本文三大主旨

• 本文將概述測(cè)試多通道相位相干測(cè)量和生成系統(tǒng)的挑戰(zhàn)和要求，并介紹這些要求如何體現(xiàn)在測(cè)試儀器設(shè)計(jì)規(guī)范中。

• 另外，本文還將介紹使用商用軟件定義的模塊化儀器來(lái)開(kāi)發(fā)多通道相位相干測(cè)試系統(tǒng)的操作步驟，以及實(shí)時(shí)校準(zhǔn)的詳細(xì)過(guò)程，以實(shí)現(xiàn)相位和幅度的精細(xì)對(duì)準(zhǔn)。

• 最后，本文介紹了一個(gè)下一代多通道相位相干測(cè)試系統(tǒng)示例，包括驗(yàn)證系統(tǒng)是否滿(mǎn)足要求的測(cè)試。

相位一致性這一屬性適用于兩個(gè)或更多數(shù)量的信號(hào)，是指在肉眼可辯的時(shí)間內(nèi)信號(hào)之間的相對(duì)相位保持恒定。圖1顯示了具有相同頻率的兩個(gè)通道的相位一致性概念圖。圖2顯示了兩個(gè)不同頻率的通道的相位一致性，其中信號(hào)在每N個(gè)周期內(nèi)具有指定的相位關(guān)系。在實(shí)現(xiàn)相位相干之后，可以使用相位對(duì)準(zhǔn)方法來(lái)補(bǔ)償相干信號(hào)之間的恒定相位差。

在實(shí)際的MIMO測(cè)試系統(tǒng)中，無(wú)線(xiàn)電硬件應(yīng)能夠跨多個(gè)通道采集和生成相位相干和相位對(duì)準(zhǔn)的信號(hào)。許多現(xiàn)代電子戰(zhàn)系統(tǒng)利用多通道相位相干系統(tǒng)執(zhí)行無(wú)源雷達(dá)系統(tǒng)的測(cè)向等任務(wù)，或在抗干擾通信中提供多徑冗余。例如，相控陣?yán)走_(dá)使用數(shù)百個(gè)相位相干的發(fā)射/接收（Tx / Rx）模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)快速電子束轉(zhuǎn)向，通過(guò)改變饋送組件的相應(yīng)信號(hào)的相對(duì)相位，使有效輻射圖的陣列在期望的方向上被增強(qiáng)，在不期望的方向上被抑制。

合成孔徑干涉雷達(dá)（InSAR）等地理定位系統(tǒng)采用若干相位相干接收機(jī)，通過(guò)精確地定位發(fā)射或反射信號(hào)的位置來(lái)檢測(cè)地震和洪水等事件的位置。除了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性增加外，多通道相位相干系統(tǒng)中緊密同步和精細(xì)對(duì)準(zhǔn)也是國(guó)防與航空航天行業(yè)的嚴(yán)苛測(cè)試要求之一。

構(gòu)建多通道相位相干系統(tǒng)的測(cè)試系統(tǒng)的主要難題是相干信號(hào)的相位對(duì)準(zhǔn)。此外，系統(tǒng)需要能夠在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)維持相位一致性和對(duì)準(zhǔn)。然而，由于溫度、熱膨脹、電纜長(zhǎng)度不匹配、不相關(guān)相位噪聲、ADC采樣時(shí)鐘、相位噪聲和量化噪聲等的影響，相位會(huì)發(fā)生漂移。在微波頻率下，電纜長(zhǎng)度、放大器和濾波器之間的細(xì)微差異甚至也會(huì)導(dǎo)延遲或相移，從而破壞原有的關(guān)系。

對(duì)于多信道設(shè)計(jì)工程師來(lái)說(shuō)，組件的相位穩(wěn)定性、非線(xiàn)性AM/PM效應(yīng)和群延遲變化都會(huì)引起相位失配。測(cè)向和波束賦形相關(guān)的許多應(yīng)用要求通道之間的相位關(guān)系保持恒定，相位漂移不超過(guò)1°。

測(cè)試多通道相位相干系統(tǒng)

以下部分將討論使用模塊化軟件設(shè)計(jì)的儀器方法來(lái)應(yīng)對(duì)多通道相位相干系統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)發(fā)挑戰(zhàn)的技術(shù)。多通道系統(tǒng)面臨的第一個(gè)挑戰(zhàn)是通過(guò)創(chuàng)建一致且可靠的觸發(fā)機(jī)制來(lái)確保所有通道同時(shí)開(kāi)始采集或生成數(shù)據(jù)。通常，通道之間的對(duì)準(zhǔn)要求時(shí)間差小于1ns，而在實(shí)際應(yīng)用中，布線(xiàn)往往成為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的障礙。測(cè)試系統(tǒng)中的長(zhǎng)電纜使得觸發(fā)時(shí)間需要加上較長(zhǎng)的傳播時(shí)間，每米同軸電纜的傳播時(shí)間約5ns，因而需要簡(jiǎn)化觸發(fā)器分配。

鑒于由偏移和抖動(dòng)引起的延遲和時(shí)序不確定性，分配必要的時(shí)鐘和觸發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)多設(shè)備同步并非易事。而基于PXI的模塊化儀器平臺(tái)就非常適合用來(lái)應(yīng)對(duì)這些復(fù)雜性。PXI架構(gòu)允許設(shè)計(jì)人員利用PXI的獨(dú)特功能來(lái)實(shí)現(xiàn)高級(jí)多設(shè)備同步，例如觸發(fā)總線(xiàn)、星型觸發(fā)器和公共系統(tǒng)參考時(shí)鐘。

一種同步方法是NI-TClk，該技術(shù)使用另一個(gè)時(shí)鐘域來(lái)實(shí)現(xiàn)采樣時(shí)鐘的對(duì)準(zhǔn)以及觸發(fā)器的分配和接收3。多通道相位相干測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員可以使用這種方法將一開(kāi)始沒(méi)對(duì)準(zhǔn)但鎖相至公共參考時(shí)鐘的采樣時(shí)鐘進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)各個(gè)設(shè)備的準(zhǔn)確同步觸發(fā)。

圖3顯示了基于八個(gè)矢量信號(hào)收發(fā)器（VST）的8 x 8 MIMO配置，每個(gè)VST能夠在單個(gè)18槽機(jī)箱中生成和采集1 GHz瞬時(shí)RF帶寬信號(hào)，并使用NI TClk和一個(gè)共享的PXI參考時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)偏斜低于500 ps的緊密同步。

實(shí)現(xiàn)相位的一致和對(duì)準(zhǔn)

大多數(shù)傳統(tǒng)射頻儀器、分析儀或發(fā)生器都允許共享參考時(shí)鐘（通常為10 MHz），有時(shí)會(huì)共享起始觸發(fā)。雖然共享這些時(shí)鐘信號(hào)足以保證同步的信號(hào)采集和生成，但無(wú)法保證相位一致。例如，兩個(gè)矢量信號(hào)分析儀之間只共享10 MHz參考時(shí)鐘的情況。

在這種情況下，兩個(gè)分析儀將從公共的10 MHz時(shí)鐘獨(dú)立地導(dǎo)出其本地振蕩器。在短時(shí)間內(nèi)，信號(hào)可能看起來(lái)具有恒定的相位差，但隨著時(shí)間的推移，每個(gè)通道的相位將會(huì)發(fā)生漂移。這是因?yàn)槊總€(gè)LO獨(dú)立于10 MHz參考時(shí)鐘導(dǎo)出，而且在合成每個(gè)LO時(shí)引入的鎖相環(huán)（PLL）噪聲對(duì)于每個(gè)通道都是獨(dú)立的。因此，僅共享10MHz參考時(shí)鐘的多通道RF系統(tǒng)將會(huì)出現(xiàn)明顯的通道間相位偏斜。

實(shí)現(xiàn)相位相干和對(duì)準(zhǔn)的更好方法是從單個(gè)PLL導(dǎo)出所有通道共享的單個(gè)LO，如圖4所示。當(dāng)直接共享LO時(shí)，每個(gè)下變頻器具有相同的相位噪聲4。

請(qǐng)觀察圖5a中使用兩種不同的同步方法時(shí)的通道間偏斜。藍(lán)色線(xiàn)表示的是當(dāng)每個(gè)分析儀僅共享10 MHz參考時(shí)鐘而不共享LO時(shí)的相位差。紅色線(xiàn)表示每個(gè)下變頻器信號(hào)鏈之間直接共享本地振蕩器時(shí)每個(gè)通道之間的相位差。從圖中可以看出，直接共享LO要比僅共享10 MHz參考時(shí)鐘表現(xiàn)出明顯更緊密的相位對(duì)準(zhǔn)。

測(cè)量直接共享LO的好處的另一種方法是查看通道間相位誤差的直方圖，如圖5b所示。對(duì)于僅共享10 MHz參考時(shí)鐘的情況，可以看到相位變化的范圍明顯較寬（六西格瑪置信度水平大于1°）。而在直接共享LO的情況下，置信度水平在0.2°以?xún)?nèi)。

實(shí)時(shí)在線(xiàn)處理

實(shí)時(shí)處理對(duì)于測(cè)試電子戰(zhàn)系統(tǒng)的許多方面都很重要。對(duì)于涉及波束賦形或測(cè)向的測(cè)試應(yīng)用，如無(wú)源雷達(dá)，由于信道特性變化迅速，實(shí)時(shí)計(jì)算信道矩陣是很重要的。由主機(jī)處理器處理RF采樣信號(hào)不僅速度非常慢，而且還會(huì)消耗數(shù)據(jù)處理能力和總線(xiàn)帶寬。相反，我們可以將采樣信號(hào)轉(zhuǎn)移到板載FPGA，或通過(guò)高帶寬PXI總線(xiàn)傳輸?shù)筋~外的FPGA協(xié)處理器上進(jìn)行在線(xiàn)信號(hào)處理。

對(duì)于許多測(cè)試應(yīng)用，存儲(chǔ)和播放信號(hào)同樣非常重要。存儲(chǔ)波形可幫助我們深入觀察多通道數(shù)據(jù)，并能夠捕獲較短時(shí)間或較低頻率的雜散信號(hào)。對(duì)于監(jiān)測(cè)未經(jīng)授權(quán)的信號(hào)或零星干擾，存儲(chǔ)的信號(hào)可作為特定地理區(qū)域的RF活動(dòng)的證據(jù)。真實(shí)信號(hào)的采集也可用于驗(yàn)證未來(lái)的通信系統(tǒng)是否能夠適應(yīng)真實(shí)的場(chǎng)景。

PCI Express架構(gòu)通過(guò)支持多個(gè)設(shè)備之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸來(lái)實(shí)現(xiàn)這些要求，從而可以實(shí)時(shí)持續(xù)地傳輸和處理數(shù)據(jù)，或者長(zhǎng)時(shí)間存儲(chǔ)到磁盤(pán)并進(jìn)行后期處理。這種系統(tǒng)使得研究人員和開(kāi)發(fā)人員能夠從多通道射頻源采集和存儲(chǔ)信息，以進(jìn)行仔細(xì)觀察或離線(xiàn)處理。之后，在實(shí)驗(yàn)室中，數(shù)據(jù)可以作為激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行操作和回放，以驗(yàn)證算法、信道模型、硬件配置和真實(shí)系統(tǒng)的其他方面。

無(wú)論在實(shí)驗(yàn)室還是部署在現(xiàn)場(chǎng)，尺寸、重量和功率（SWaP）都是電子戰(zhàn)應(yīng)用中測(cè)量設(shè)備的重要考量因素。隨著先進(jìn)電子戰(zhàn)系統(tǒng)的復(fù)雜性和計(jì)算能力不斷增加，設(shè)計(jì)工程師正在利用PXI平臺(tái)的先進(jìn)技術(shù)和模塊化特性來(lái)構(gòu)建多功能系統(tǒng)，以滿(mǎn)足SWaP需求。

多通道相位相關(guān)測(cè)試系統(tǒng)

下面將介紹一個(gè)可以解決多通道相位相干射頻系統(tǒng)測(cè)試和驗(yàn)證難題和要求的測(cè)試系統(tǒng)。該測(cè)試系統(tǒng)建立在基于平臺(tái)的模塊化硬件和軟件定義的儀器的基礎(chǔ)上。

圖6a顯示了一個(gè)NI雙通道相位相干測(cè)試系統(tǒng)配置，該系統(tǒng)基于PXIe-1085機(jī)箱，這是一款18槽機(jī)箱，內(nèi)置10 MHz參考時(shí)鐘、PXI觸發(fā)總線(xiàn)和PXI模塊的星型觸發(fā)器。對(duì)于RF儀器，PXIe-5840 VST用于構(gòu)成2 x 2 MIMO配置。

以下是開(kāi)發(fā)多通道相位相干測(cè)試系統(tǒng)的步驟：

• 步驟1：第一步是配置兩個(gè)VST，通過(guò)軟件共享PXIe-1085機(jī)箱的通用PXI參考時(shí)鐘，并在發(fā)生器和分析儀之間物理共享LO，如圖6b所示。 VST原生支持NI-TClk技術(shù)，確保了所有通道同時(shí)開(kāi)始采集/生成，并可實(shí)現(xiàn)小于500 ps通道間偏斜。我們通過(guò)系統(tǒng)校準(zhǔn)將通道間偏斜進(jìn)一步降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到低于50ps。

• 步驟2：VST同步后，下一步是確保相位和幅度一致。在本例中，首先分析儀之間存在多通道相位一致性。在這一步驟中，其中一個(gè)VST作為連續(xù)波信號(hào)的源，該連續(xù)波信號(hào)將作為校準(zhǔn)信號(hào)。接著這個(gè)VST生成的信號(hào)通過(guò)雙向分路器分離，并饋送到兩個(gè)VST的RF輸入端口，如圖6c所示。

• 步驟3：接下來(lái)是應(yīng)用基于FPGA的實(shí)時(shí)校準(zhǔn)過(guò)程，以在兩個(gè)VST之間進(jìn)行相位和幅度精細(xì)對(duì)準(zhǔn)5。該校準(zhǔn)過(guò)程使用基于LabVIEW FPGA的VST的板載XilinxVirtex 7 FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖7、8和9描述了校準(zhǔn)過(guò)程中涉及到的步驟。該算法可從雙信道擴(kuò)展到八信道。MeasSys表示多通道相位相干采集系統(tǒng)，Timestamp表示測(cè)量的初始時(shí)間實(shí)例，freq表示連續(xù)波頻率，cal Validtime表示系統(tǒng)需要重新校準(zhǔn)的間隔時(shí)間。

• 步驟4： 現(xiàn)在系統(tǒng)已經(jīng)可以進(jìn)行多通道相位相干測(cè)量，下一步是配置多通道相位相干生成系統(tǒng)。圖10顯示了此步驟的硬件配置，其中兩個(gè)VST簡(jiǎn)單地以環(huán)回模式連接，具有共享LO和公共參考時(shí)鐘。

• 步驟5：下一步是應(yīng)用實(shí)時(shí)校準(zhǔn)過(guò)程，對(duì)發(fā)生器之間的相位和幅度差進(jìn)行微調(diào)。重復(fù)步驟3描述的過(guò)程，以實(shí)現(xiàn)多通道相位相干生成系統(tǒng)。

• 步驟6：現(xiàn)在，用于測(cè)試多通道相位相干射頻系統(tǒng)的新一代系統(tǒng)就準(zhǔn)備好了。這可以通過(guò)以十字交叉的方法連接兩個(gè)VST來(lái)簡(jiǎn)單地進(jìn)行驗(yàn)證，如圖11所示，然后觀察相位和振幅差隨時(shí)間的穩(wěn)定性。

多通道相位相干測(cè)試系統(tǒng)需要在溫度可調(diào)節(jié)的測(cè)試艙中進(jìn)行測(cè)試。在應(yīng)用校準(zhǔn)算法之后，計(jì)算兩個(gè)通道之間相位和幅度差，并且在3、4和5GHz頻率下進(jìn)行測(cè)量，如圖10和11所示。注意，圖12和13顯示的是兩個(gè)信道之間的平均相位和幅度差。

結(jié)果表明，按照上述步驟構(gòu)建的下一代多通道相干測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了變化范圍在±1°以?xún)?nèi)的相位差，且幅度差的變化保持在0.05 dB內(nèi)。

結(jié) 論

隨著多通道相位相干系統(tǒng)在電子戰(zhàn)和雷達(dá)應(yīng)用中的普及，對(duì)此類(lèi)系統(tǒng)進(jìn)行高效測(cè)試和部署的需求正日益凸顯。此外，對(duì)于多通道RF系統(tǒng)，測(cè)試和測(cè)量設(shè)備能夠提供同等或更高的相位和幅度對(duì)準(zhǔn)精度是至關(guān)重要的。

本文介紹了測(cè)試多通道相位相干系統(tǒng)的挑戰(zhàn)和要求，提出了一個(gè)基于平臺(tái)化方法的下一代測(cè)試系統(tǒng)來(lái)解決這些挑戰(zhàn)，并概述了一種基于FPGA的軟件定義校準(zhǔn)過(guò)程，通過(guò)內(nèi)部校準(zhǔn)機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)持續(xù)的相位一致性。

測(cè)試結(jié)果展現(xiàn)了多通道相位相干測(cè)試系統(tǒng)的相位和幅度變化的穩(wěn)定性。利用PXI平臺(tái)的可擴(kuò)展性和模塊化特性，上述雙通道相位相干VST系統(tǒng)的架構(gòu)可以進(jìn)一步擴(kuò)展來(lái)實(shí)現(xiàn)相位和幅度變化精度保持一致的4 x 4或8 x 8相位相干測(cè)試系統(tǒng)。