设定相位同调 RF 量测系统：从 MIMO 到波束赋形

National Instruments 供稿

概观

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，以优化电磁微波讯号。RF 讯号已广泛用于多种应用，其中又以无线通信与 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，许多无线通信系统整合了多重输入/输出 (MIMO) 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。这些应用均属于多通道相位同调 (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，许多无线通信系统整合了多重输入/输出 (MIMO) 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。这些应用均属于多通道相位同调 (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 向量讯号产生器) 的调变架构，使其可进行 MIMO 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，为 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 讯号产生器。



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 产生或撷取系统时，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，逐步呈现校准作业，以达最佳效能。

相位同调 RF 讯号产生

若要设定任何相位同调 RF 系统，则必须同步化装置的所有频率讯号。透过 NI PXIe-5673 - 6.6 RF 向量讯号产生器，即可直接进行升转换 (Upconversion)，以将基频 (Baseband) 波形编译为 RF 讯号。图 2 即说明双信道 RF 向量讯号产生器的基本架构。请注意，在 2 个通道之间必须共享 2 组基频取样频率与局部震荡器。



图 2. 同步化 2 个 RF 产生通道

在图 2 中可发现 NI PXIe-5673 共包含 3 个模块，分别为：PXI-5652 连续波合成器 (Synthesizer)、PXIe-5450 任意波形产生器，与 PXIe-5611 - RF 调变器。由于这些模块可合并做为单信道的 RF 向量讯号产生器，因此亦可整合其他任意波形产生器 (AWG) 与 RF 升转换器 (Upconverter)，用于多信道的讯号产生应用。在图 2 中，共有 1 组标准的 PXIe-5673 (由 3 个模块所构成) 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，可建构第二个讯号产生信道。

相位同调 RF 讯号撷取

除了 PXIe-5673 - RF 向量讯号产生器之外，PXIe-5663 - RF 向量讯号分析器亦可设定用于多通道应用。当设定多组 PXIe-5663 进行相位同调 RF 讯号撷取作业时，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) 并降转换为 IF，亦可进行数字升转换为基频。与传统的 3 阶段式超外差 (Superheterodyne) 向量讯号分析器不同，此架构仅需于各个通道之间同步化单一局部震荡器 (Local oscillator，LO)，因此为设定相位同调应用最简单的方法之一。若要同步化多组 PXI-5663 分析器，则必须于各组分析器之间分配共享的 IF 取样频率与 LO，以确保各个通道均是以相位同调的方式进行设定。图 3 则为双信道系统的范例。



图 3. 同步化双信道的 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，以建构双信道的 RF 撷取系统。
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序图。在图 4 中可看到，即便仅使用单一 LO 将 RF 降转换为 IF，则各组分析器实际亦必须共享 3 组频率。



图 4. PXIe-5663 - RF 向量讯号分析器的详细程序图

如图 4 所示，各个 RF 通道之间必须共享 LO、ADC 取样频率、数字降转换器 (DDC)，与数值控制震荡器 (Numerically controlled oscillator，NCO)。如图 4 所见，即便各组示波器之间共享 10 MHz 频率，其实亦极为足够。当各组示波器之间仅共享 10 MHz 参考时，即可产生非相关的信道对信道相位抖动 (Phase jitter)；而于 IF 产生的相位噪声强度，亦将由 RF 的 LO 相位噪声所覆盖。