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如何应对多天线系统的测试挑战？

由 cathy 提交于

随着5G等具有更高数据率的应用急剧增长，无线系统要求更宽的带宽和更广的网络覆盖。多天线技术，如多入多出（MIMO）和波束成形，利用分集、复用和提高天线增益等方法，改善频谱效率和信噪比（SNR），应对有限频谱资源的压力。

测试多天线系统需要一个测试方案，能够提供多路信号且相互之间保持一个确定的相位关系。不同的策略来配置产生相位相干的信号，会导致不同的测量结果。

<strong>一、什么是相位相干？</strong>

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2019-08/wen_zhang_/100044541-76848-1.pn…; alt=“图1” width="600"></center><center><i>图1</i></center>

如果两个信号始终具有恒定的相对相位，则它们是相干的（如图1-b）。当两个信号出现时，相干信号将根据其相对相位而共生或共消。

在表征多通道组件（如相控阵天线）时，需要精确控制各个通道之间的相位关系（如图1-c）。对于数字调制信号，相位相干意味着两个基带信号发生器之间时间同步，射频载波之间相干扰（如图1-d）。

类似地，雷达脉冲需要脉冲突发的精确定时，以模拟相应的空间延迟（如图1-e）。

<strong>二、为什么相位相干很重要？</strong>

无线通信系统中的多天线技术可以增加信道容量，提高信道的可靠性。主要的多天线技术包括空间分集、空间复用和天线阵列。

<strong>空间分集</strong>

空间分集可以通过信道切换、信号加权、时间延迟或者发射分集来实现（如图２）。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2019-08/wen_zhang_/100044541-76849-2.pn…; alt=“图2” width="600"></center><center><i>图2</i></center>

<strong>空间复用</strong>

空间复用采用了多入多出（MIMO）的传输技术，无需占用额外的带宽，也不需要增加额外的发射功率，因此是提高信道和系统容量一种非常有效的手段（如图３）。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2019-08/wen_zhang_/100044541-76850-3.pn…; alt=“图3” width="600"></center><center><i>图3</i></center>

<strong>天线阵列-波束成型</strong>

波束成型可以通过相干天线单元的信号相位的精确调整，形成特定方向的信号波束，使信号的能量集中在发射/接收端所在的方向，从而改善频谱利用效率，提高系统的容量（如图４）。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2019-08/wen_zhang_/100044541-76851-4.pn…; alt=“图4” width="600"></center><center><i>图4</i></center>

<strong>三生成多路相位相干信号的策略及其利弊</strong>

为了模拟多通道的测试场景，各路测试信号之间的相位必须是相干且可控的。不同的实现策略所带来的影响也是不同的。

<strong>1、独立本振</strong>

实现多路信号之间相位相对稳定的最简单的方法就是将其各自的10MHz频率参考锁定在一起，通过一个触发信号和共同的10MHz时间基准，实现不同信号源之间的同步（如图５）。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2019-08/wen_zhang_/100044541-76852-5.pn…; alt=“图5” width="600"></center><center><i>图5</i></center>

带来的问题就是相位漂移和相位噪声（如图6）。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2019-08/wen_zhang_/100044541-76853-6.pn…; alt=“图6” width="600"></center><center><i>图6</i></center>

两台信号源具有各自独立的本振和锁相环，这会导致相互之间的相位漂移。多数情况下，锁相环可以锁定环路带宽内的相位漂移，但无法完全跟踪更高级的响应。

MIMO系统中，通道间缓慢的相位漂移不是什么大问题，这种测试方式可以提供可接受的性能。

<strong>相位噪声</strong>

频率参考锁定的信号源之间的相位噪声是非相关的，从而对测试系统带来相应的相位误差。具有高稳时基，且相噪性能优异的测试仪表会减小系统的相位漂移和相位误差，适用于MIMO和空间分集的测试。精确标定器件特性时，这种方法就不行了。需要采用共享同一本振的方式，才能得到更加精准的结果。

<strong>2、共享同一本振</strong>

这个两路相位相干的测试系统，利用上面一台仪表的本振，分别提供给两台信号源使用，从而实现了两台信号源的完全相干。二者的相位误差小于1度（如图7、8）。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2019-08/wen_zhang_/100044541-76854-7.pn…; alt=“图7” width="600"></center><center><i>图7</i></center>
<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2019-08/wen_zhang_/100044541-76855-8.pn…; alt=“图8” width="600"></center><center><i>图8</i></center>

<strong>相移</strong>

即使采用了共享同一本振的方式，由于线缆长度和转接头的影响，系统还是会产生不同通道之间的相位偏差和相移。

<strong>3、直接数字合成（DDS）</strong>

直接数字合成（DDS - Direct Digital Synthesizer）技术通过以数字形式生成时变信号，然后执行数模转换来产生模拟波形。DDS架构提供了超低相噪和快速频率切换速度，具有极高的频率调谐分辨率。不同的DDS系统之间，通过同步复位使得彼此之间保持相位对齐（如图9）。

<center><img src="http://mouser.eetrend.com/files/2019-08/wen_zhang_/100044541-76856-9.pn…; alt=“图9” width="600"></center><center><i>图9</i></center>

<strong>测试多天线系统的各种策略之比较</strong>
<table cellpadding="0" border="1" cellspacing="0" style="width:600px;margin:0 auto;">
<tbody>
<tr style="background:#004a85; color:white;">
<td width="92" height="60" align="center" valign="middle"><br /></td>
<td width="173" height="60" align="center" valign="middle">相位稳定测试系统</td>
<td width="145" height="60" colspan="2" align="center" valign="middle">相位相干测试系统</td>
</tr>
<tr>
<td width="92" align="center" valign="middle"><br /></td>
<td width="173" align="left" valign="middle">独立本振</td>
<td width="145" align="left" valign="middle">共享同一本振</td>
<td width="145" align="left" valign="middle">直接数字合成（DDS）</td>
</tr>
<tr>
<td width="92" valign="middle" align="center">实现方式</td>
<td width="173" align="left" valign="middle">利用10MHz频率参考信号</td>
<td width="145" align="left" valign="middle">共享同一本振</td>
<td width="145" align="left" valign="middle">共享同一射频参考时钟</td>
</tr>
<tr>
<td width="92" valign="middle" align="center">优势</td>
<td width="173" align="left" valign="middle">容易实现</td>
<td width="145" align="left" valign="middle">相位相干</td>
<td width="145" align="left" valign="middle"><p>● 相位相干</p>
<p>● 设置最简单</p></td>
</tr>
<tr>
<td width="92" valign="middle" align="center">挑战</td>
<td width="173" align="left" valign="middle"><p>● 非相关相位噪声</p>
<p>● 相位漂移</p></td>
<td width="145" align="left" valign="middle"><p>● 时间延迟和相位偏差修正</p></td>
<td width="145" align="left" valign="middle"><p>● 高精度参考时钟</p></td>
</tr>
<tr>
<td width="92" valign="middle" align="center">解决方案</td>
<td width="173" align="left" valign="middle"><p>● 高稳时基</p>
<p>● 降低仪表的相位噪声</p></td>
<td width="145" align="left" valign="middle"><p>● 调整I/Q延迟</p>
<p>● 调整I/Q相位</p></td>
<td width="145" align="left" valign="middle"><p>● 高频参考时钟</p>
<p>● 调整I/Q延迟</p>
<p>● 调整I/Q相位</p></td>
</tr>
<tr>
<td width="92" valign="middle" align="center">应用场景</td>
<td width="173" align="left" valign="middle">MIMO系统测试</td>
<td width="145" align="left" valign="middle">MIMO、波束成型、阵列天线校准</td>
<td width="145" align="left" valign="middle">MIMO、波束成型、阵列天线校准</td>
</tr>
</tbody>
</table>

本文转载自：是德科技KEYSIGHT
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