隨著無線系統對更高數據速率和更大覆蓋范圍的需求不斷增長，工程師們采用多天線技術來實現分集、復用和波束成形來提高頻譜效率和信噪比，以提升系統性能。

天線數量的增加也帶來了測試系統的復雜性，尤其在需要對多個射頻通道進行嚴格相位控制的情況下。此時，構建一個能產生多路、同步且保持相位相干性的信號系統變得尤為關鍵。

本文將介紹三種常見的相位相干射頻信號生成策略，并探討它們在多天線系統測試中的應用與差異。

【什么是相位相干】

如果兩個信號始終具有恒定的相對相位，則它們就是相干的。圖 1a 顯示了兩個相位變化的非相干信號，圖 1b 顯示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，需要精確控制各通道之間的相位關系（圖 1c）。對于數字調制信號，相位相干性既指基帶發生器之間的定時同步，也指射頻載波之間的相位相干性（見圖 1d）。

圖1. 兩個信號間的相位關系

【相位相干對多天線系統的影響】

現代無線系統，無論是商業應用還是航空航天和國防領域，多會使用多天線技術來提升整體系統性能，包括空間分集、空間復用和波束成形。

空間分集

在無線通信系統中，多徑效應會導致無線電信號通過兩條或多條路徑到達接收機天線。當多徑信號到達接收機時，這些信號會根據其相對相位進行增強或者減弱的組合。空間分集提供了一種解決多徑干擾的方法。通過使用兩根或多根天線，可以提高無線鏈路的質量和可靠性。通過信道切換、信號加權、時間延遲或發射分集來實現這一點，如圖 2 所示。

圖2. 用于接收機和發射機的空間分集技術

為了模擬空間分集測試的多徑信號，需要一個信號發生器和一個信道模擬器來模擬接收分集測試的多徑場景（圖 3a）。為了進行發射分集測試，需要多個信號發生器和一個信道模擬器（圖 3b）。為了準確模擬多徑場景，必須同步兩個信號發生器的基帶并對齊兩個載波的相位。

圖3. 空間分集測試設置

空間復用

空間復用是 MIMO 系統中的關鍵傳輸技術，它將原始數據拆分為多個獨立的數據流，并通過多個發射天線在同一信道中同時傳輸這些數據流。為了在接收端恢復原始數據，MIMO 系統需要估計信道的逆特性，并利用信道估計算法進行信號檢測。

圖4. 2x2 MIMO系統框圖

圖 4 表示一個 2x2（兩個發射機和兩個接收機）MIMO 示意圖，其中兩個符號（b1 和 b2）同時傳輸，使數據吞吐量翻倍。一個簡單的公式如下：

其中 r 表示接收信號，s 表示源信號，h 表示無線信道響應。

接收機可以使用訓練序列算法進行信道估計（上文中的 h 矩陣）。使用以下公式通過信號處理恢復發射信號（s1 和 s2）：

上述計算使用時序對齊的信號和一個公共本振 (LO) 對多通道信號進行上變頻和下變頻。由于大多數商用信號發生器都配有獨立的基帶發生器和 LO，因此該技術增加了模擬多通道射頻信號和信道矩陣的測試挑戰。

為了模擬用于空間復用性能測試的 MIMO 多徑信號，需要多個信號發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境。

圖5. 5G NR gNB 2x4 MIMO性能測試及信道仿真

天線陣列 - 波束成形

天線陣列是一組用于發射或接收信號的天線單元。相干驅動的天線單元之間具有適當的相位延遲，可以形成信號波束。相控陣天線在波束成形網絡 (BFN) 中使用移相器來產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射或接收應用中表現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。隨著天線元件數量的增加，間隔增加半個波長，天線波束寬度會變窄（圖 7a 至 7d）。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，需要精確控制發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量

【生成多路相位相干信號】

測試多天線系統（例如空間分集、空間復用和天線陣列）需要能夠提供具有穩定相位關系的多個信號的測試系統。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。生成多通道相位相干信號的不同策略，對多天線系統的測試會有不同的影響。

- 獨立本振

在信號發生器之間實現一定相位穩定性的最簡單方法是鎖定 10 MHz 頻率參考。圖 8 顯示了兩臺信號發生器，具有同步的基帶發生器，使用一個觸發信號和一個共用的 10 MHz 時基。

圖8. 具有公共參考時鐘的兩臺信號發生器

相位漂移

信號發生器具有獨立的振蕩器，每個振蕩器都帶有鎖相環 (PLL)。這會導致信號發生器之間出現相位漂移。大多數情況下，PLL 可以將相位漂移鎖定在環路帶寬或 PLL 環路濾波器的限制范圍內。然而，PLL 無法完全跟蹤高階響應。

在 MIMO 測試系統中，由于接收機可以通過自適應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級測試性能。

相位噪聲

不相關的相位噪聲會導致參考鎖定信號發生器之間的相位誤差。在 PLL 的環路帶寬內，頻率參考對相位噪聲性能的影響最大。在環路帶寬之外，PLL 的振蕩器決定相位噪聲。通過使用高質量穩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 在其環路帶寬范圍內能夠抑制相位噪聲，但在帶寬之外，相位噪聲由壓控振蕩器（VCO）本身主導。因此，使用低相位噪聲的參考源和信號發生器是構建高保真相位相干系統的關鍵。

- 共享本振

為了最大限度地減少相干性誤差源，多個信號發生器會使用一個公共本振。圖 9 展示了兩臺信號發生器，它們被設置為相位相干測試系統。系統獲取頂部信號發生器的本振，將其分頻，并將其用作兩個信號發生器的本振輸入（參見紅線）。在這種配置下，兩個信號發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，可以看到兩個信號發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置

相移

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時間偏移和相位偏移。這些不一致會導致通道間的相位關系失真。為了確保測量結果反映的是被測設備（DUT）本身的特性而非測試系統引入的誤差，需要對這些偏移進行校正。如圖10所示，可使用帶寬較寬的示波器對多個矢量信號發生器（VSG）之間的靜態時間偏移和相位偏移進行測量。

圖10. 使用示波器測量通道、時間和相位偏差

- 直接數字合成

直接數字合成 (DDS) 通過生成數字形式的時變信號，然后進行數模轉換來產生模擬波形。DDS 架構提供了實現低相位噪聲、快速頻率切換以及極高頻率調諧分辨率的最佳途徑。

DDS 在每個頻率的輸出之間保持固定的相位關系。同步需要使用公共參考時鐘進行初始時鐘對齊，如圖 11 所示。對相位累加器進行同步復位（綠線所示）可實現相位對齊，可以在每次頻率更新時應用此復位。相位的同步復位為每個通道產生固定且可重復的相位關系。

圖11. 兩個DDS共享一個高頻參考時鐘

針對不同的應用場景和用戶需求，Keysight的信號源產品（MXG - N5186A、VXG - M9484C、G系列緊湊型信號發生器 - AP5042A）提供了全面的多通道、相位相干功能。

圖12. G系列AP5042A 多通道矢量信號發生器

關于是德科技

是德科技（NYSE：KEYS）啟迪并賦能創新者，助力他們將改變世界的技術帶入生活。作為一家標準普爾 500 指數公司，我們提供先進的設計、仿真和測試解決方案，旨在幫助工程師在整個產品生命周期中更快地完成開發和部署，同時控制好風險。我們的客戶遍及全球通信、工業自動化、航空航天與國防、汽車、半導體和通用電子等市場。我們與客戶攜手，加速創新，創造一個安全互聯的世界。