多通道相位相干測量和幅度同步關(guān)鍵技術(shù)難題分析

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快速發(fā)展，多輸入多輸出（MIMO）技術(shù)正引起廣泛關(guān)注，因為該技術(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。鑒于相控陣雷達、波束賦形和測向系統(tǒng)等各種電子戰(zhàn)和雷達應(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)。因此，德州奧斯汀NI總部的兩位技術(shù)大神Shivansh Chaudhary以及Eddie Rodriguez試圖通過本文告訴你應(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，以及實時校準的詳細過程，以實現(xiàn)相位和幅度的精細對準。

• 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，可以使用相位對準方法來補償相干信號之間的恒定相位差。

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，相控陣雷達使用數(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，在不期望的方向上被抑制。

合成孔徑干涉雷達（InSAR）等地理定位系統(tǒng)采用若干相位相干接收機，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)中緊密同步和精細對準也是國防與航空航天行業(yè)的嚴苛測試要求之一。

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。此外，系統(tǒng)需要能夠在相當長的時間內(nèi)維持相位一致性和對準。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°。

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但鎖相至公共參考時鐘的采樣時鐘進行對準，并且能夠?qū)崿F(xiàn)各個設(shè)備的準確同步觸發(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。

實現(xiàn)相位的一致和對準

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。當直接共享LO時，每個下變頻器具有相同的相位噪聲4。

請觀察圖5a中使用兩種不同的同步方法時的通道間偏斜。藍色線表示的是當每個分析儀僅共享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。

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，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，以進行仔細觀察或離線處理。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機箱，這是一款18槽機箱，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。

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)校準將通道間偏斜進一步降低了一個數(shù)量級，達到低于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的實時校準過程，以在兩個VST之間進行相位和幅度精細對準5。該校準過程使用基于LabVIEW FPGA的VST的板載XilinxVirtex 7 FPGA來實現(xiàn)。圖7、8和9描述了校準過程中涉及到的步驟。該算法可從雙信道擴展到八信道。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)需要重新校準的間隔時間。

• 步驟4： 現(xiàn)在系統(tǒng)已經(jīng)可以進行多通道相位相干測量，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VST簡單地以環(huán)回模式連接，具有共享LO和公共參考時鐘。

• 步驟5：下一步是應(yīng)用實時校準過程，對發(fā)生器之間的相位和幅度差進行微調(diào)。重復(fù)步驟3描述的過程，以實現(xiàn)多通道相位相干生成系統(tǒng)。

• 步驟6：現(xiàn)在，用于測試多通道相位相干射頻系統(tǒng)的新一代系統(tǒng)就準備好了。這可以通過以十字交叉的方法連接兩個VST來簡單地進行驗證，如圖11所示，然后觀察相位和振幅差隨時間的穩(wěn)定性。

多通道相位相干測試系統(tǒng)需要在溫度可調(diào)節(jié)的測試艙中進行測試。在應(yīng)用校準算法之后，計算兩個通道之間相位和幅度差，并且在3、4和5GHz頻率下進行測量，如圖10和11所示。注意，圖12和13顯示的是兩個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試系統(tǒng)實現(xiàn)了變化范圍在±1°以內(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)和雷達應(yīng)用中的普及，對此類系統(tǒng)進行高效測試和部署的需求正日益凸顯。此外，對于多通道RF系統(tǒng)，測試和測量設(shè)備能夠提供同等或更高的相位和幅度對準精度是至關(guān)重要的。

本文介紹了測試多通道相位相干系統(tǒng)的挑戰(zhàn)和要求，提出了一個基于平臺化方法的下一代測試系統(tǒng)來解決這些挑戰(zhàn)，并概述了一種基于FPGA的軟件定義校準過程，通過內(nèi)部校準機制來實現(xiàn)持續(xù)的相位一致性。

測試結(jié)果展現(xiàn)了多通道相位相干測試系統(tǒng)的相位和幅度變化的穩(wěn)定性。利用PXI平臺的可擴展性和模塊化特性，上述雙通道相位相干VST系統(tǒng)的架構(gòu)可以進一步擴展來實現(xiàn)相位和幅度變化精度保持一致的4 x 4或8 x 8相位相干測試系統(tǒng)。