生成相位相干射频信号的三种策略

随着无线系统对更高数据速率和更大覆盖范围的需求不断增长，工程师们采用多天线技术来实现分集、复用和波束成形来提高频谱效率和信噪比，以提升系统性能。

天线数量的增加也带来了测试系统的复杂性，尤其在需要对多个射频通道进行严格相位控制的情况下。此时，构建一个能产生多路、同步且保持相位相干性的信号系统变得尤为关键。

本文将介绍三种常见的相位相干射频信号生成策略，并探讨它们在多天线系统测试中的应用与差异。

【什么是相位相干】

如果两个信号始终具有恒定的相对相位，则它们就是相干的。图 1a 显示了两个相位变化的非相干信号，图 1b 显示了具有固定相对相位的相干信号。

在表征相控阵天线等多通道组件时，需要精确控制各通道之间的相位关系（图 1c）。对于数字调制信号，相位相干性既指基带发生器之间的定时同步，也指射频载波之间的相位相干性（见图 1d）。

图1. 两个信号间的相位关系

【相位相干对多天线系统的影响】

现代无线系统，无论是商业应用还是航空航天和国防领域，多会使用多天线技术来提升整体系统性能，包括空间分集、空间复用和波束成形。

空间分集

在无线通信系统中，多径效应会导致无线电信号通过两条或多条路径到达接收机天线。当多径信号到达接收机时，这些信号会根据其相对相位进行增强或者减弱的组合。空间分集提供了一种解决多径干扰的方法。通过使用两根或多根天线，可以提高无线链路的质量和可靠性。通过信道切换、信号加权、时间延迟或发射分集来实现这一点，如图 2 所示。

图2. 用于接收机和发射机的空间分集技术

为了模拟空间分集测试的多径信号，需要一个信号发生器和一个信道模拟器来模拟接收分集测试的多径场景（图 3a）。为了进行发射分集测试，需要多个信号发生器和一个信道模拟器（图 3b）。为了准确模拟多径场景，必须同步两个信号发生器的基带并对齐两个载波的相位。

图3. 空间分集测试设置

空间复用

空间复用是 MIMO 系统中的关键传输技术，它将原始数据拆分为多个独立的数据流，并通过多个发射天线在同一信道中同时传输这些数据流。为了在接收端恢复原始数据，MIMO 系统需要估计信道的逆特性，并利用信道估计算法进行信号检测。

图4. 2x2 MIMO系统框图

图 4 表示一个 2x2（两个发射机和两个接收机）MIMO 示意图，其中两个符号（b1 和 b2）同时传输，使数据吞吐量翻倍。一个简单的公式如下：

其中 r 表示接收信号，s 表示源信号，h 表示无线信道响应。

接收机可以使用训练序列算法进行信道估计（上文中的 h 矩阵）。使用以下公式通过信号处理恢复发射信号（s1 和 s2）：

上述计算使用时序对齐的信号和一个公共本振 (LO) 对多通道信号进行上变频和下变频。由于大多数商用信号发生器都配有独立的基带发生器和 LO，因此该技术增加了模拟多通道射频信号和信道矩阵的测试挑战。

为了模拟用于空间复用性能测试的 MIMO 多径信号，需要多个信号发生器和信道模拟器来模拟多径场景，并注入加性高斯白噪声 (AWGN) 以模拟所需的信噪比 (SNR)。图 5 展示了一个典型的 5G NR基站的MIMO 2x4 性能测试方案，该测试引入了多径衰落和AWGN来模拟真实的无线信道环境。

图5. 5G NR gNB 2x4 MIMO性能测试及信道仿真

天线阵列 - 波束成形

天线阵列是一组用于发射或接收信号的天线单元。相干驱动的天线单元之间具有适当的相位延迟，可以形成信号波束。相控阵天线在波束成形网络 (BFN) 中使用移相器来产生沿特定方向传播的均匀波前。均匀波前使得一组低方向性天线单元在发射或接收应用中表现得像一个高方向性天线。通道之间的相位延迟决定了天线的方向图，如图 6 所示。

图6. 相控阵天线通过调整相干天线之间的相位来形成波束

图 7 展示了以特定间距使用多个天线元件的影响。随着天线元件数量的增加，间隔增加半个波长，天线波束宽度会变窄（图 7a 至 7d）。通过对每个天线上的信号施加 90 度相移，可以改变波束的方向，如图 7e 所示。通过以不同的量改变元件之间的相移，可以将波束控制在一定方向上。为了模拟此类多通道信号，需要精确控制发射机和接收机测试中通道之间的相位差。

图7. 天线方向图与天线元件数量

【生成多路相位相干信号】

测试多天线系统（例如空间分集、空间复用和天线阵列）需要能够提供具有稳定相位关系的多个信号的测试系统。为了模拟多通道测试信号，测试信号之间的相位必须相干且可控。生成多通道相位相干信号的不同策略，对多天线系统的测试会有不同的影响。

- 独立本振

在信号发生器之间实现一定相位稳定性的最简单方法是锁定 10 MHz 频率参考。图 8 显示了两台信号发生器，具有同步的基带发生器，使用一个触发信号和一个共用的 10 MHz 时基。

图8. 具有公共参考时钟的两台信号发生器

相位漂移

信号发生器具有独立的振荡器，每个振荡器都带有锁相环 (PLL)。这会导致信号发生器之间出现相位漂移。大多数情况下，PLL 可以将相位漂移锁定在环路带宽或 PLL 环路滤波器的限制范围内。然而，PLL 无法完全跟踪高阶响应。

在 MIMO 测试系统中，由于接收机可以通过自适应均衡器消除线性误差，因此通道间的缓慢相位漂移问题并不大。共享公共频率参考的测试通道可以提供可接受的系统级测试性能。

相位噪声

不相关的相位噪声会导致参考锁定信号发生器之间的相位误差。在 PLL 的环路带宽内，频率参考对相位噪声性能的影响最大。在环路带宽之外，PLL 的振荡器决定相位噪声。通过使用高质量稳定的参考源和低相位噪声的仪器，可以改善相位漂移和相位误差。

PLL 在其环路带宽范围内能够抑制相位噪声，但在带宽之外，相位噪声由压控振荡器（VCO）本身主导。因此，使用低相位噪声的参考源和信号发生器是构建高保真相位相干系统的关键。

- 共享本振

为了最大限度地减少相干性误差源，多个信号发生器会使用一个公共本振。图 9 展示了两台信号发生器，它们被设置为相位相干测试系统。系统获取顶部信号发生器的本振，将其分频，并将其用作两个信号发生器的本振输入（参见红线）。在这种配置下，两个信号发生器的射频路径完全相干。完全相干配置显示在图 9 的右侧，可以看到两个信号发生器之间的相位差小于 1 度。

图9. 具有公共本振的两个相位相干射频通道的设置

相移

即使使用共享本振（LO），由于连线长度和连接器差异，不同通道之间仍可能存在静态时间偏移和相位偏移。这些不一致会导致通道间的相位关系失真。为了确保测量结果反映的是被测设备（DUT）本身的特性而非测试系统引入的误差，需要对这些偏移进行校正。如图10所示，可使用带宽较宽的示波器对多个矢量信号发生器（VSG）之间的静态时间偏移和相位偏移进行测量。

图10. 使用示波器测量通道、时间和相位偏差

- 直接数字合成

直接数字合成 (DDS) 通过生成数字形式的时变信号，然后进行数模转换来产生模拟波形。DDS 架构提供了实现低相位噪声、快速频率切换以及极高频率调谐分辨率的最佳途径。

DDS 在每个频率的输出之间保持固定的相位关系。同步需要使用公共参考时钟进行初始时钟对齐，如图 11 所示。对相位累加器进行同步复位（绿线所示）可实现相位对齐，可以在每次频率更新时应用此复位。相位的同步复位为每个通道产生固定且可重复的相位关系。

图11. 两个DDS共享一个高频参考时钟

针对不同的应用场景和用户需求，Keysight的信号源产品（MXG - N5186A、VXG - M9484C、G系列紧凑型信号发生器 - AP5042A）提供了全面的多通道、相位相干功能。

图12. G系列AP5042A 多通道矢量信号发生器

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