生成相位相干射频信号的 3 种配置方法
白皮书
如何克服多天线系统面临的测试挑战
随着更高吞吐量应用的急剧增长，无线系统需要更高的带宽和更大的网络覆盖范围。但是，频谱分配存在许多限制，因此您必须找到适合的方法来提高频谱效率和信噪比（SNR）。多路输入多路输出（MIMO）和波束赋形等多天线技术可帮助您实现分集、多路复用和天线增益，从而提高频谱效率和信噪比（SNR）。本白皮书旨在帮助您了解相位相干性及其重要性，还将为您介绍一些生成相位相干信号的方法。
什么是相位相干性？
如果两个信号的相对相位始终保持恒定，那么它们就是相干信号，如图 1b 所示。当相干信号一起出现时，根据它们之间相对相位关系的不同，就会带来建设性或破坏性的影响。在表征多信道元器件（如相控阵天线）时，您需要精确控制信道之间的相位角关系（图1c）。对于数字调制信号，相位相干意味着基带发生器的时序同步，射频载波之间具有相干性（见图 1d）。同样，雷达脉冲要求突发脉冲具有精确的时序，以仿真相应的空间时延（见图 1e）。
相位相干为什么很重要
无线通信中采用的多天线技术可以增加分集、多路复用或天线增益。多天线技术主要包括空间分集、空间复用和天线阵列。
空间分集
在无线通信系统中，多条路径的存在会导致无线信号通过两个或更多路径到达接收机的天线。当多径信号到达接收机时，它们会基于相对的相位关系构成建设性或破坏性的组合。空间分集，也称为天线分集，提供了一个解决信号多径问题的方法。您可以使用两个或多个天线，从而提高无线链路的质量和可靠性。这可以通过信道切换、信号加权、时间延迟或发射分集来实现，如图 2 所示。
为了仿真用于空间分集测试的多径信号，您需要一个信号发生器和一个信道仿真器来仿真接收机分集测试的多径场景（图 3a），还需要多台信号发生器和信道仿真器，以执行发射分集测试（图 3b）。为了准确仿真多径场景，两个信号发生器的基带必须保持同步，两个载波的相位必须对齐。
空间复用
空间复用是多路输入多路输出（MIMO）系统中采用的一种传输技术。系统会将发射数据分成多个编码数据流，然后再通过不同的天线在同一无线信道上同时发送所有的数据流。为了在接收机上恢复原始数据，MIMO 系统在计算上使用了反向信道属性估计算法。图 4 是一个 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）同时发送，以实现数据吞吐量翻倍。
天线阵列 — 波束赋形
天线阵列是一组用于发射或接收信号的天线单元。相干驱动天线（在天线单元之间会有适当的相位时延）可以形成信号波束。相控阵天线使用波束赋形网络（BFN）中出现的相移，来产生沿特定方向传播的均匀波前。均匀波前可以使一组低方向性的天线单元在发射或接收应用中表现得像高方向性天线一样。信道之间的相位时延决定了天线方向图，如图 5 所示。
图 6 描述了以特定间距使用多个天线单元的影响。随着天线单元数量增加（间隔半个波长），天线的波束宽度会变窄（图 6a 至 6d）。通过对每个天线的信号应用 90 度相移，您可以改变波束的方向，如图 6e 所示。通过改变不同数量的天线单元之间的相移，您可以在多个方向上控制波束。为了仿真这种多信道信号，您需要精确控制用于发射机和接收机测试的信道之间的相位差。
生成多个相位相干信号
测试空间分集、空间复用和天线阵列等多天线系统要求测试系统能够提供多个信号，且信号之间具有稳定的相位关系。但是，商用信号发生器采用独立的合成器将中频信号上变频为射频信号。为了仿真多信道测试信号，测试信号之间必须具有相干和可控的相位关系。我们采用了不同的方法来产生下面的多信道信号，并对这些方法的利弊进行了评估。
独立本地振荡器
要在信号发生器之间实现一定的相位稳定性，最简单的方法是锁定一个 10 MHz 的频率参考。图 7 示出了两个信号发生器，其中基带信号发生器采用触发信号和 10 MHz 公共时基进行了同步。
相位漂移
信号发生器具有独立的振荡器，每个振荡器都有自己的锁相环（PLL）。这使得信号发生器之间产生了相位漂移，如图 7 右侧所示。在大多数情况下，PLL 可以在环路带宽（PLL 的环路滤波器）的限制内锁定相位漂移。但是，PLL 无法完全跟踪更高阶的响应。在 MIMO 系统中，信道之间的缓慢相位漂移并不是大问题，因此，共享同一频率参考的测量信道所提供的性能尚可接受。
相位噪声
不相关的相位噪声是参考锁定信号发生器之间出现相位误差的原因之一。在 PLL 的环路带宽内，频率参考对相位噪声性能产生的影响最大。在环路带宽之外，相位噪声则由PLL 的振荡器决定。使用具有低相位噪声的高质量稳定参考和仪器可以改善相位漂移和相位误差。MIMO 和空间分集之类的应用可以使用这样的“相位稳定”多信道信号进行测试。但是，在精密的元器件特性测试中，为了达到最佳性能，可能仍然要采用公共本地振荡器。
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