隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，無線系統(tǒng)對于更高數(shù)據(jù)速率和更大覆蓋范圍的需求與日俱增。為了提升系統(tǒng)性能，工程師們廣泛采用多天線技術(shù)，實現(xiàn)分集、復(fù)用和波束成形等功能，從而顯著提高頻譜效率和信噪比。然而，天線數(shù)量的增加也使得測試系統(tǒng)的復(fù)雜性大幅提升，尤其是在需要對多個射頻通道進(jìn)行嚴(yán)格相位控制的情況下。此時，構(gòu)建一個能夠產(chǎn)生多路、同步且保持相位相干性的信號系統(tǒng)變得至關(guān)重要。本文將詳細(xì)介紹三種常見的相位相干射頻信號生成策略，并深入探討它們在多天線系統(tǒng)測試中的應(yīng)用與差異。
如果兩個信號始終具有恒定的相對相位，那么它們就是相干的。圖 1a 展示了兩個相位變化的非相干信號，而圖 1b 則呈現(xiàn)了具有固定相對相位的相干信號。在表征相控陣天線等多通道組件時，控制各通道之間的相位關(guān)系至關(guān)重要（如圖 1c 所示）。對于數(shù)字調(diào)制信號，相位相干性不僅包括基帶發(fā)生器之間的定時同步，還涵蓋射頻載波之間的相位相干性（如圖 1d 所示）。
（圖 1. 兩個信號間的相位關(guān)系）
現(xiàn)代無線系統(tǒng)，無論是商業(yè)應(yīng)用還是航空航天和國防領(lǐng)域，大多采用多天線技術(shù)來提升整體系統(tǒng)性能，主要包括空間分集、空間復(fù)用和波束成形等方面。
在無線通信系統(tǒng)中，多徑效應(yīng)是一個常見的問題，它會導(dǎo)致無線電信號通過兩條或多條路徑到達(dá)接收機天線。當(dāng)多徑信號到達(dá)接收機時，這些信號會根據(jù)其相對相位進(jìn)行增強或者減弱的組合�？臻g分集提供了一種解決多徑干擾的有效方法。通過使用兩根或多根天線，可以提高無線鏈路的質(zhì)量和可靠性。具體可以通過信道切換、信號加權(quán)、時間延遲或發(fā)射分集等方式來實現(xiàn)，如圖 2 所示。
（圖 2. 用于接收機和發(fā)射機的空間分集技術(shù)）
為了模擬空間分集測試的多徑信號，需要一個信號發(fā)生器和一個信道模擬器來模擬接收分集測試的多徑場景（如圖 3a 所示）。而進(jìn)行發(fā)射分集測試時，則需要多個信號發(fā)生器和一個信道模擬器（如圖 3b 所示）。為了準(zhǔn)確模擬多徑場景，必須同步兩個信號發(fā)生器的基帶并對齊兩個載波的相位。
（圖 3. 空間分集測試設(shè)置）
空間復(fù)用是 MIMO（多輸入多輸出）系統(tǒng)中的關(guān)鍵傳輸技術(shù)，它將原始數(shù)據(jù)拆分為多個獨立的數(shù)據(jù)流，并通過多個發(fā)射天線在同一信道中同時傳輸這些數(shù)據(jù)流。為了在接收端恢復(fù)原始數(shù)據(jù)，MIMO 系統(tǒng)需要估計信道的逆特性，并利用信道估計算法進(jìn)行信號檢測。
（圖 4. 2x2 MIMO 系統(tǒng)框圖）
圖 4 表示一個 2x2（兩個發(fā)射機和兩個接收機）MIMO 示意圖，其中兩個符號（b1 和 b2）同時傳輸，使數(shù)據(jù)吞吐量翻倍。相關(guān)的計算公式如下：
其中 r 表示接收信號，s 表示源信號，h 表示無線信道響應(yīng)。接收機可以使用訓(xùn)練序列算法進(jìn)行信道估計（上文中的 h 矩陣），并通過以下公式通過信號處理恢復(fù)發(fā)射信號（s1 和 s2）：
上述計算使用時序?qū)R的信號和一個公共本振 (LO) 對多通道信號進(jìn)行上變頻和下變頻。由于大多數(shù)商用信號發(fā)生器都配有獨立的基帶發(fā)生器和 LO，因此該技術(shù)增加了模擬多通道射頻信號和信道矩陣的測試挑戰(zhàn)。為了模擬用于空間復(fù)用性能測試的 MIMO 多徑信號，需要多個信號發(fā)生器和信道模擬器來模擬多徑場景，并注入加性高斯白噪聲 (AWGN) 以模擬所需的信噪比 (SNR)。圖 5 展示了一個典型的 5G NR 基站的 MIMO 2x4 性能測試方案，該測試引入了多徑衰落和 AWGN 來模擬真實的無線信道環(huán)境。
（圖 5. 5G NR gNB 2x4 MIMO 性能測試及信道仿真）
天線陣列是一組用于發(fā)射或接收信號的天線單元。相干驅(qū)動的天線單元之間具有適當(dāng)?shù)南辔谎舆t，可以形成信號波束。相控陣天線在波束成形網(wǎng)絡(luò) (BFN) 中使用移相器來產(chǎn)生沿特定方向傳播的均勻波前。均勻波前使得一組低方向性天線單元在發(fā)射或接收應(yīng)用中表現(xiàn)得像一個高方向性天線。通道之間的相位延遲決定了天線的方向圖，如圖 6 所示。
（圖 6. 相控陣天線通過調(diào)整相干天線之間的相位來形成波束）
圖 7 展示了以特定間距使用多個天線元件的影響。隨著天線元件數(shù)量的增加，間隔增加半個波長，天線波束寬度會變窄（如圖 7a 至 7d 所示）。通過對每個天線上的信號施加 90 度相移，可以改變波束的方向，如圖 7e 所示。通過以不同的量改變元件之間的相移，可以將波束控制在一定方向上。為了模擬此類多通道信號，需要控制發(fā)射機和接收機測試中通道之間的相位差。
（圖 7. 天線方向圖與天線元件數(shù)量）
測試多天線系統(tǒng)（例如空間分集、空間復(fù)用和天線陣列）需要能夠提供具有穩(wěn)定相位關(guān)系的多個信號的測試系統(tǒng)。為了模擬多通道測試信號，測試信號之間的相位必須相干且可控。以下是三種生成多通道相位相干信號的策略及其特點：
在信號發(fā)生器之間實現(xiàn)一定相位穩(wěn)定性的簡單方法是鎖定 10 MHz 頻率參考。圖 8 顯示了兩臺信號發(fā)生器，具有同步的基帶發(fā)生器，使用一個觸發(fā)信號和一個共用的 10 MHz 時基。
（圖 8. 具有公共參考時鐘的兩臺信號發(fā)生器）
然而，這種方法存在一些問題。信號發(fā)生器具有獨立的振蕩器，每個振蕩器都帶有鎖相環(huán) (PLL)，這會導(dǎo)致信號發(fā)生器之間出現(xiàn)相位漂移。大多數(shù)情況下，PLL 可以將相位漂移鎖定在環(huán)路帶寬或 PLL 環(huán)路濾波器的限制范圍內(nèi)，但無法完全跟蹤高階響應(yīng)。
在 MIMO 測試系統(tǒng)中，由于接收機可以通過自適應(yīng)均衡器消除線性誤差，因此通道間的緩慢相位漂移問題并不大。共享公共頻率參考的測試通道可以提供可接受的系統(tǒng)級測試性能。
此外，不相關(guān)的相位噪聲會導(dǎo)致參考鎖定信號發(fā)生器之間的相位誤差。在 PLL 的環(huán)路帶寬內(nèi)，頻率參考對相位噪聲性能的影響。在環(huán)路帶寬之外，PLL 的振蕩器決定相位噪聲。通過使用高質(zhì)量穩(wěn)定的參考源和低相位噪聲的儀器，可以改善相位漂移和相位誤差。PLL 在其環(huán)路帶寬范圍內(nèi)能夠抑制相位噪聲，但在帶寬之外，相位噪聲由壓控振蕩器（VCO）本身主導(dǎo)。因此，使用低相位噪聲的參考源和信號發(fā)生器是構(gòu)建高保真相位相干系統(tǒng)的關(guān)鍵。
為了限度地減少相干性誤差源，多個信號發(fā)生器會使用一個公共本振。圖 9 展示了兩臺信號發(fā)生器，它們被設(shè)置為相位相干測試系統(tǒng)。系統(tǒng)獲取頂部信號發(fā)生器的本振，將其分頻，并將其用作兩個信號發(fā)生器的本振輸入（參見紅線）。在這種配置下，兩個信號發(fā)生器的射頻路徑完全相干。完全相干配置顯示在圖 9 的右側(cè)，可以看到兩個信號發(fā)生器之間的相位差小于 1 度。
（圖 9. 具有公共本振的兩個相位相干射頻通道的設(shè)置）
即使使用共享本振（LO），由于連線長度和連接器差異，不同通道之間仍可能存在靜態(tài)時間偏移和相位偏移。這些不一致會導(dǎo)致通道間的相位關(guān)系失真。為了確保測量結(jié)果反映的是被測設(shè)備（DUT）本身的特性而非測試系統(tǒng)引入的誤差，需要對這些偏移進(jìn)行校正。如圖 10 所示，可使用帶寬較寬的示波器對多個矢量信號發(fā)生器（VSG）之間的靜態(tài)時間偏移和相位偏移進(jìn)行測量。
（圖 10. 使用示波器測量通道、時間和相位偏差）
直接數(shù)字合成 (DDS) 通過生成數(shù)字形式的時變信號，然后進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換來產(chǎn)生模擬波形。DDS 架構(gòu)提供了實現(xiàn)低相位噪聲、快速頻率切換以及極高頻率調(diào)諧分辨率的途徑。
DDS 在每個頻率的輸出之間保持固定的相位關(guān)系。同步需要使用公共參考時鐘進(jìn)行初始時鐘對齊，如圖 11 所示。對相位累加器進(jìn)行同步復(fù)位（綠線所示）可實現(xiàn)相位對齊，可以在每次頻率更新時應(yīng)用此復(fù)位。相位的同步復(fù)位為每個通道產(chǎn)生固定且可重復(fù)的相位關(guān)系。
（圖 11. 兩個 DDS 共享一個高頻參考時鐘）
針對不同的應(yīng)用場景和用戶需求，Keysight 的信號源產(chǎn)品（MXG - N5186A、VXG - M9484C、G 系列緊湊型信號發(fā)生器 - AP5042A）提供了全面的多通道、相位相干功能。
（圖 12. G 系列 AP5042A 多通道矢量信號發(fā)生器）
