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

2018-01-16 16:00:08· 來源：恩艾NI

測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)計的儀器方法來應(yīng)對多通道相位相干系統(tǒng)測試系統(tǒng)開發(fā)挑戰(zhàn)的技術(shù)。多通道系統(tǒng)面臨的第一個挑戰(zhàn)是通過創(chuàng)建一致且可靠的觸發(fā)機(jī)制來確保所有通道同時開始采集或生成數(shù)據(jù)。通常，通道之間的對準(zhǔn)要求時間差小于1ns，而在實際應(yīng)用中，布線往往成為實現(xiàn)這一目標(biāo)的障礙。測試系統(tǒng)中的長電纜使得觸發(fā)時間需要加上較長的傳播時間，每米同軸電纜的傳播時間約5ns，因而需要簡化觸發(fā)器分配。

鑒于由偏移和抖動引起的延遲和時序不確定性，分配必要的時鐘和觸發(fā)來實現(xiàn)多設(shè)備同步并非易事。而基于PXI的模塊化儀器平臺就非常適合用來應(yīng)對這些復(fù)雜性。PXI架構(gòu)允許設(shè)計人員利用PXI的獨特功能來實現(xiàn)高級多設(shè)備同步，例如觸發(fā)總線、星型觸發(fā)器和公共系統(tǒng)參考時鐘。

一種同步方法是NI-TClk，該技術(shù)使用另一個時鐘域來實現(xiàn)采樣時鐘的對準(zhǔn)以及觸發(fā)器的分配和接收3。多通道相位相干測試系統(tǒng)的設(shè)計人員可以使用這種方法將一開始沒對準(zhǔn)但鎖相至公共參考時鐘的采樣時鐘進(jìn)行對準(zhǔn)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)各個設(shè)備的準(zhǔn)確同步觸發(fā)。

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

圖3：基于NI PXI VST的8×8 MIMO配置。

實現(xiàn)相位的一致和對準(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鐘（通常為10 MHz），有時會共享起始觸發(fā)。雖然共享這些時鐘信號足以保證同步的信號采集和生成，但無法保證相位一致。例如，兩個矢量信號分析儀之間只共享10 MHz參考時鐘的情況。

在這種情況下，兩個分析儀將從公共的10 MHz時鐘獨立地導(dǎo)出其本地振蕩器。在短時間內(nèi)，信號可能看起來具有恒定的相位差，但隨著時間的推移，每個通道的相位將會發(fā)生漂移。這是因為每個LO獨立于10 MHz參考時鐘導(dǎo)出，而且在合成每個LO時引入的鎖相環(huán)（PLL）噪聲對于每個通道都是獨立的。因此，僅共享10MHz參考時鐘的多通道RF系統(tǒng)將會出現(xiàn)明顯的通道間相位偏斜。

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

圖4：雙通道相位相干RF矢量信號分析儀。

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

圖5：比較共享LO與10 MHz參考時鐘：通道間相位偏移（a）及其直方圖（b）。

測量直接共享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。對于僅共享10 MHz參考時鐘的情況，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°以內(nèi)。

實時在線處理

實時處理對于測試電子戰(zhàn)系統(tǒng)的許多方面都很重要。對于涉及波束賦形或測向的測試應(yīng)用，如無源雷達(dá)，由于信道特性變化迅速，實時計算信道矩陣是很重要的。由主機(jī)處理器處理RF采樣信號不僅速度非常慢，而且還會消耗數(shù)據(jù)處理能力和總線帶寬。相反，我們可以將采樣信號轉(zhuǎn)移到板載FPGA，或通過高帶寬PXI總線傳輸?shù)筋~外的FPGA協(xié)處理器上進(jìn)行在線信號處理。

對于許多測試應(yīng)用，存儲和播放信號同樣非常重要。存儲波形可幫助我們深入觀察多通道數(shù)據(jù)，并能夠捕獲較短時間或較低頻率的雜散信號。對于監(jiān)測未經(jīng)授權(quán)的信號或零星干擾，存儲的信號可作為特定地理區(qū)域的RF活動的證據(jù)。真實信號的采集也可用于驗證未來的通信系統(tǒng)是否能夠適應(yīng)真實的場景。

PCI Express架構(gòu)通過支持多個設(shè)備之間的點對點傳輸來實現(xiàn)這些要求，從而可以實時持續(xù)地傳輸和處理數(shù)據(jù)，或者長時間存儲到磁盤并進(jìn)行后期處理。這種系統(tǒng)使得研究人員和開發(fā)人員能夠從多通道射頻源采集和存儲信息，以進(jìn)行仔細(xì)觀察或離線處理。之后，在實驗室中，數(shù)據(jù)可以作為激勵信號進(jìn)行操作和回放，以驗證算法、信道模型、硬件配置和真實系統(tǒng)的其他方面。

無論在實驗室還是部署在現(xiàn)場，尺寸、重量和功率（SWaP）都是電子戰(zhàn)應(yīng)用中測量設(shè)備的重要考量因素。隨著先進(jìn)電子戰(zhàn)系統(tǒng)的復(fù)雜性和計算能力不斷增加，設(shè)計工程師正在利用PXI平臺的先進(jìn)技術(shù)和模塊化特性來構(gòu)建多功能系統(tǒng)，以滿足SWaP需求。

多通道相位相關(guān)測試系統(tǒng)

下面將介紹一個可以解決多通道相位相干射頻系統(tǒng)測試和驗證難題和要求的測試系統(tǒng)。該測試系統(tǒng)建立在基于平臺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NI雙通道相位相干測試系統(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參考時鐘、PXI觸發(fā)總線和PXI模塊的星型觸發(fā)器。對于RF儀器，PXIe-5840 VST用于構(gòu)成2 x 2 MIMO配置。

圖6：雙通道相位相干測試配置（a），配置包含共享LO、公共參考時鐘和TClk對準(zhǔn)（b）和校準(zhǔn)設(shè)置（c）。

以下是開發(fā)多通道相位相干測試系統(tǒng)的步驟：
步驟1：第一步是配置兩個VST，通過軟件共享PXIe-1085機(jī)箱的通用PXI參考時鐘，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開始采集/生成，并可實現(xiàn)小于500 ps通道間偏斜。我們通過系統(tǒng)校準(zhǔn)將通道間偏斜進(jìn)一步降低了一個數(shù)量級，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VST作為連續(xù)波信號的源，該連續(xù)波信號將作為校準(zhǔn)信號。接著這個VST生成的信號通過雙向分路器分離，并饋送到兩個VST的RF輸入端口，如圖6c所示。

步驟3：接下來是應(yīng)用基于FPGA的實時校準(zhǔn)過程，以在兩個VST之間進(jìn)行相位和幅度精細(xì)對準(zhǔn)5。該校準(zhǔn)過程使用基于LabVIEW FPGA的VST的板載XilinxVirtex 7 FPGA來實現(xiàn)。圖7、8和9描述了校準(zhǔn)過程中涉及到的步驟。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表示測量的初始時間實例，freq表示連續(xù)波頻率，cal Validtime表示系統(tǒng)需要重新校準(zhǔn)的間隔時間。