如何应对多天线系统的测试挑战

电子万花筒 2021-07-30 08:16
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随着 5G 等具有更高数据率的应用急剧增长,无线系统面临更宽的带宽和更广的网络覆盖的要求。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。
 什么是相位相干?
如果两个信号始终具有恒定的相对相位,则它们是相干的(如图 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地组合。
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(图 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(见图 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(见图 e)。
 为什么相位相干很重要?
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。
· 空间分集
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

· 空间复用
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。

· 天线阵列-波束成型
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。

生成多路相位相干信号的策略及其利弊

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影响也是不同的。

1

独立本振

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。

带来的问题就是相位漂移和相位噪声。

两台信号源具有各自独立的本振、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。
相位噪声
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。

2

共享同一本振

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。

相移
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。



3

直接数字合成(DDS)

直接数字合成(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。

是德科技新一代双通道微波矢量信号发生器 VXG(M9383B/M9384B)就是采用了 DDS 技术,提供了两路相干信号通道,无需触控任何硬件,即可以<10ps 的精度保持通道间的时间对齐。

测试多天线系统的各种策略之比较


相位稳定

测试系统

相位相干测试系统


独立本振

共享同一本振

直接数字合成

(DDS)

实现方式

利用 10MHz 频率参考信号

共享同一本振

共享同一射频参考时钟

优势

容易实现

相位相干

 相位相干

 设置最简单

挑战

● 非相关相位噪声

 相位漂移

 时间延迟和相位偏差修正

 高精度参考时钟

解决方案

 高稳时基

 降低仪表的相位噪声

 调整 I/Q 延迟

 调整 I/Q 相位

 高频参考时钟

 调整 I/Q 延迟

 调整 I/Q 相位

应用场景

MIMO 系统测试

MIMO、波束成型、阵列天线校准

MIMO、波束成型、阵列天线校准

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