簡單分析通道間的精確相位和振幅同步在多通道相位相干測試中的應(yīng)用

隨著射頻元器件和子系統(tǒng)以及高密度數(shù)字信號處理電子器件的高速發(fā)展，多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)正引起廣泛關(guān)注，由于該技術(shù)可通過多路復(fù)用來提高數(shù)據(jù)速率，或通過空間分集使系統(tǒng)性能至少提高一個數(shù)量級。鑒于相控陣?yán)走_(dá)、波束賦形和測向系統(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輸入/輸出采集或生成的數(shù)據(jù)。所以，德州奧斯汀NI總部的兩位技術(shù)大神Shivansh Chaudhary以及Eddie Rodriguez將會通過本文告訴簡單分析應(yīng)對多通道相位相干系統(tǒng)測試挑戰(zhàn)應(yīng)該往哪些方向使勁

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

本文三大主旨

本文將概述測試多通道相位相干測量和生成系統(tǒng)的挑戰(zhàn)和要求，并介紹這些要求如何體現(xiàn)在測試儀器設(shè)計規(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開發(fā)多通道相位相干測試系統(tǒng)的操作步驟，以及實時校準(zhǔn)的詳細(xì)過程，以實現(xiàn)相位和幅度的精細(xì)對準(zhǔn)。
最后，本文介紹了一個下一代多通道相位相干測試系統(tǒng)示例，包括驗證系統(tǒng)是否滿足要求的測試。

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


圖1：相同頻率下的相位一致性。


圖2：不同頻率下的相位一致性。

在實際的MIMO測試系統(tǒng)中，無線電硬件應(yīng)能夠跨多個通道采集和生成相位相干和相位對準(zhǔn)的信號。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)行無源雷達(dá)系統(tǒng)的測向等任務(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)百個相位相干的發(fā)射/接收（Tx / Rx）模塊來實現(xiàn)快速電子束轉(zhuǎn)向，通過改變饋送組件的相應(yīng)信號的相對相位，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)，通過精確地定位發(fā)射或反射信號的位置來檢測地震和洪水等事件的位置。除了設(shè)計的復(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)對準(zhǔn)也是國防與航空航天行業(yè)的嚴(yán)苛測試要求之一。

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

對于多信道設(shè)計工程師來說，組件的相位穩(wěn)定性、非線性AM/PM效應(yīng)和群延遲變化都會引起相位失配。測向和波束賦形相關(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1°。