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O定相位同{ RF 测量系y: MIMO 到波束x形

作者:时间:2018-09-14来源:网络收藏

概观

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201809/389168.htm

自从传送出第一笔无线电波之后,工程师就持续发明新方法,以最佳化电磁微波讯号。RF 讯号已广泛用於多种应用,其中又以无线通讯与 RADAR 的 2 项特殊应用正利用此常见技术。就本质而言,此 2 项应用的独到之处,即是利用电磁波的空间维度 (Spatial dimension)。直到今天,许多无线通讯系统整合了多重输入/输出 () 天线架构,以利用多重路径的讯号传播 (Propagation) 功能。此外,目前有多款 RADAR 系统均使用电磁波束控制 (Beam steering),以取代传统的机械控制传输讯号。这些应用均属於多通道相位同调 (Phase coherent) RF 量测系统的主要行进动力之一。

就本质而言,此 2 项应用的独到之处,即是利用电磁波的空间维度 (Spatial dimension)。直到今天,许多无线通讯系统整合了多重输入/输出 () 天线架构,以利用多重路径的讯号传播 (Propagation) 功能。此外,目前有多款 RADAR 系统均使用电磁波束控制 (Beam steering),以取代传统的机械控制传输讯号。这些应用均属於多通道相位同调 (Phase coherent) RF 量测系统的主要行进动力之一。

介绍

The modular architectures of PXI RF 仪器 (如 NI PXIe-5663 6.6 GHz RF 向量讯号分析器与 NI PXIe-5673 6.6 GHz RF 向量讯号a生器) 的调变架构,使其可进行 与波束赋形 (Beamforming) 应用所需的相位同调 (Phase coherent) RF 量测作业。图 1 表示常见的量测系统, 1 组 PXI-1075 - 18 槽式机箱中安装 4 组同步化 RF 分析器,与 2 组同步化 RF 讯号a生器。

图 1. 常见的 PXI 相位同调 RF 量测系统

此篇技术文件将说明设定相位同调 RF a生或X取系统时,其所需的技术。此外,亦将针对多组 RF 分析器之间的相位延迟,逐步呈现校首饕担以达最佳效能。

相位同调 RF 讯号a生

若要设定任何相位同调 RF 系统,则必须同步化装置的所有时脉讯号。透过 NI PXIe-5673 - 6.6 RF 向量讯号a生器,即可直接进行升转换 (Upconversion),以将基频 (Baseband) 波形编译 RF 讯号。图 2 即说明双通道 RF 向量讯号a生器的基本架构。请注意,在 2 个通道之间必须共用 2 组基频取样时脉与局部震U器。

图 2. 同步化 2 个 RF a生通道

在图 2 中可发现 NI PXIe-5673 共包含 3 个模组,分别椋PXI-5652 连续波合成器 (Synthesizer)、PXIe-5450 任意波形a生器,与 PXIe-5611 - RF 调变器。由於这些模组可合阕榈ネǖ赖 RF 向量讯号a生器,因此亦可整合其他任意波形a生器 (AWG) 与 RF 升转换器 (Upconverter),用於多通道的讯号a生应用。在图 2 中,共有 1 组标实 PXIe-5673 (由 3 个模组所构成) 整合 1 组 NI PXIe-5673 MIMO 扩充组合。而扩充组合共容纳了 1 组 AWG 与调变器,可建构第二个讯号a生通道。

相位同调 RF 讯号X取

除了 PXIe-5673 - RF 向量讯号a生器之外,PXIe-5663 - RF 向量讯号分析器亦可设定用於多通道应用。当设定多组 PXIe-5663 进行相位同调 RF 讯号X取作业时,亦必须注意类似事项,以确实进行 LO 与基频/中频 (IF) 讯号的同步化。PXIe-5663 可利用讯号阶段 (Signal stage) 并降转换 IF,亦可进行数位升转换榛频。与传统的 3 阶段式超外差 (Superheterodyne) 向量讯号分析器不同,此架构仅需於各个通道之间同步化单一局部震U器 (Local oscillator,LO),因此樯瓒ㄏ辔煌调应用最简单的方法之一。若要同步化多组 PXI-5663 分析器,则必须於各组分析器之间分配共用的 IF 取样时脉与 LO,以确保各个通道均是以相位同调的方式进行设定。图 3 则樗通道系统的范例。

图 3. 同步化双通道的 VSA 系统

在图 3 中可看到 PXIe-5663 - RF 向量讯号分析器是由 PXI-5652 连续波合成器、PXIe-5601 - RF 降转换器,与 PXIe-5622 - IF 示波器所构成。当向量讯号分析器整合 PXIe-5663 MIMO 扩充组合时,随即新增了降转换器与示波器,以建构双通道的 RF X取系统。

若要了解多组 RF 向量讯号分析器的同步化方法,则必须先行深入了解 PXIe-5663 - RF 讯号分析器的详细程式图。在图 4 中可看到,即便仅使用单一 LO 将 RF 降转换 IF,则各组分析器实际亦必须共用 3 组时脉。

图 4. PXIe-5663 - RF 向量讯号分析器的详细程式图

如图 4 所示,各个 RF 通道之间必须共用 LO、ADC 取样时脉、数位降转换器 (DDC),与数值控制震U器 (Numerically controlled oscillator,NCO)。如图 4 所见,即便各组示波器之间共用 10 MHz 时脉,其实亦极樽愎弧5备髯槭静ㄆ髦间仅共用 10 MHz 参考时,即可a生非相关的通道对通道相位抖动 (Phase jitter);而於 IF a生的相位杂讯强度,亦将由 RF 的 LO 相位杂讯所覆盖。

数位降转换的特性

在了解相位同调 RF X取系统的精确校史绞街前,必须先了解应如何於基频观察 RF 的讯号特性。此处以相同中心频率,且以送 (Loopback) 模式设定的 VSG 与VSA 槔。如图 5 所示,具备精确分析器中心频率的降转换 RF 讯号,将依基频呈现 DC 讯号。此外,由於基频讯号属於复杂波形,因此亦可将讯号的相位 (Θ) 分析而槭奔浜式。在图 5 中可发现,只要 RF 向量讯号a生器与分析器互橥相 (In-phase),则「Phase vs. time」波形将呈现稳定的相位偏移 (Phase offset)。

图 5. 了解基频讯号频率偏移所造成的影响

相对来说,只要 RF 音调 (Tone) 与分析器的中心频率a生小幅误差,随即可造成极大的差异。当降转换榛频时,偏音 (Offset tone) 所a生的基频 I (亦 Q) 讯号即属於正弦波。此外,基频正弦波的频率即等於「输入音调与分析器中心频率之间的频率差异」。因此如图 6 所示,「Phase versus time」图将呈现线性关S。

图 6. 未校氏低持械 10 MHz 音调「Phase vs. Time」关S图

从图 6 可发现,相位於每个微秒 (Microsecond) 可提升将近 360 – 亦即所a生的音调与分析器的中心频率,可确实 1 MHz 偏移。图 6 中亦可发现,2 组同步取样示波器之间保持著极小却稳定的相位差 (Phase difference)。此离散相位差是起因於 LO 供电至各组降转换器之间的连接线长度差异。如接下来所将看到的,只要针对其中 1 个 RF 通道调整 DDC 的开始相位 (Start phase),即可轻进行校省

如图 7 所示,要量测 2 组分析器之间相位偏移的精确方式之一,即是以 2 组分析器的中心频率a生单一音调。

图 7. 双通道 RF 分析器相位的校什馐陨瓒

透过分配器 (Splitter) 与对应的连接线长度,即可量测各组分析器的「Phase versus time」。假设讯号a生器与分析器均集中橄嗤的 RF 频率,则可发现各组分析器的「Phase versus time」图甚橐恢隆M 8 即呈现此状态。

图 8. 各组同步取样的 ADC 均将具有相同的相位偏移

从图 8 可明显发现,共用相同 LO 与 IF 取样时脉的 2 组分析器,将维持稳定的相位偏移。事实上,各组分析器之间的相位差 (图 8 中的 Θ = 71.2°) 均可进行量测并补偿之。若要补偿各组分析器之间的相位差,则仅需於 DDC 中调整 NCO 的开始相位。若 NCO 所使用的 IF 中心频率,即用於a生最后基频 I 与 Q 讯号,则此 NCO 本质即槭位正弦波。在图 8 中可发现,以菊链 (Daisy-chained) 方式连接的 RF 分析器,可透过特定中心频率a生 71.2° 的载波相位差。在整合了第二组 LO 的连接线长度,与其所使用的中心频率之后,即可决定确切的相位偏移。若将 71.2° 相位延迟 (Phase delay) 套用至主要 DDC 的 NCO 上,则可轻调整 2 个通道的基频讯号相位;如图 9 所示。

图 9. 校使后的相位同调 RF X取通道「Phase vs. Time」

一旦校矢髯榉治銎鞯 NCO 完毕,则 RF 分析器系统即可进行 2 个通道以上的相位同调 RF X取作业。事实上,多通道应用可同步化最多 4 组 PXIe-5663 - RF 向量讯号分析器。



关键词: RF仪器 RF测量 MIMO

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