高精度多通道相参信号源系统测量与校准技术

在许多无线通讯和军工领域的应用系统中，例如MIMO(Multiple Input Multiple Output)通讯，波束形成(Beam forming)、相控阵雷达、合成孔径雷达(SAR)系统等，都需要利用多个信号源产生相互之间具有稳定相位关系的多路信号，即多通道相参信号。各路相参信号之间相对相位的精度和稳定度对于上述应用系统的性能起着非常关键的作用。

如图1所示，对于一个多通道相参信号源系统，影响其相参性能(相参相位精确度、稳定度)的主要因素包括四个方面：

(1)各通道本振(LO)不同步，造成载波信号的相位随时间漂移;

(2)各通道基带采样时钟不同步，造成基带调制包络不同步;

(3)各通道基带触发信号不同步，造成基带调制包络产生时延差;

(4)各通道路径时延和初始相位不同，造成射频信号产生相位偏移。

因此高性能的多通道相参信号源系统需要有效地消除上述系统误差，实现通道间信号精确、稳定地相参。

安捷伦多通道相参信号源系统解决方案

根据上述对于多通道相参信号源系统的需求与分析，安捷伦(Agilent)公司基于自身的高性能矢量信号源产品，推出了高精度、高稳定度的多通道相参信号源系统的解决方案。该方案能够灵活并精确地设置各通道的相参相位，并且能够达到很高的相参稳定度。以基于高端矢量信号源PSG(E8267D)的双通道相参信号源系统为例，系统框图如图2。

在图2的解决方案中，首先，相参系统通过将主信号源(E8267D)的本振经过信号分配放大器共享到从信号源的方法将各个信号源的本振同步，解决了本振同步的问题;其次，该系统利用一台额外的射频模拟信号源作为共享基带采样时钟输入给主/从信号源，解决了基带采样时钟同步的问题;再次，系统通过主信号源发送触发信号给从信号源的方法，解决了基带触发信号同步的问题。图2中的系统可以根据应用需求灵活地扩展以支持更多通道。

得益于E8267D优秀的射频性能，该相参信号源系统具有非常高的相参稳定度，图3为两路相参信号相位差随时间漂移的测试曲线。由测试结果可见，经过8小时测试，相参系统的相位最大漂移在1°左右。

多通道相参信号测量与校准方法

为了对多通道相参信号源系统中各个通道的相位进行灵活而精确地设置，需要对相参系统进行精确地相参测量和校准，其主要目的是测量并补偿由于各路信号源射频通道路径时延和初始相位不同带来的相参误差。对此，我们采用了基于信号相关处理的相参测量与校准方法。以两路相参信号和为例，设基带信号表达式为

(1)

其中，为实信号包络，。基带信号经过信号源射频调制，等效于基带信号频谱由零频率搬移到载频 ，同时由于射频通路的时延和初相不同，在将会在射频信号上引入固定相位偏移。假设两路相参信号源的射频通路之间存在路径延时差，两相参信号的射频复信号形式可以表示为

(2)

其中是两相参信号源的射频通路初始相位。根据上式可知，由路径时延误差 引起的相参信号误差包括两项：一是基带信号的包络误差和相位误差，分别是 ;二是射频信号的相位误差。因此，多通道相参信号测量与校准的关键就在于如何精确地测量出上述误差并予以补偿。

(1) 基带信号误差项的测量与校准

对于基带信号误差项的测量与校准，我们首先通过测量两路(多路)相参信号的包络延时得到路径延时误差，然后通过对基带信号进行延时补偿实现校准。

包络延时的测量有许多种有效地方法，我们采用经典的信号相关法进行测量：

(3)

上式中当且仅当达到最大值，因此可以通过检测相关函数的峰值位置得到包络延时 的测量值。

利用测量得到的重新产生第二通道的基带信号

(4)

于是，经过基带延时误差校准的第二通道相参信号表达式为

(5)

当包络延时测量精度满足精度要求的时候，我们可以认为中的基带信号误差被完全校准，仅剩余射频相位误差。

(2) 射频信号相位误差的测量与校准

对于与，由于两信号的包络已经对齐，因此射频相位误差的测量可通过测量两信号0时刻互相关函数的相位获得

(6)

射频相位误差的校准可以通过在第二通道基带信号中加入相位补偿实现。同时，我们通过加入额外的任意固定相位使得两相参信号具有任意的固定相位差

(7)

因此经过射频相位误差校准后的第二通道相参信号表达式为

(8)

当与估计精度满足精度要求时，我们认为与相参，并且具有固定的相位差。

　　与基于相消干涉的相参测量校准方法的比较

对于相参信号源系统，另外一种常用的测量与校准方法是基于功率相消干涉的方法，其基本思想是：当两个幅度相等、包络对齐的相参信号相位差为180°的时候，两信号之和的功率为0，因此固定一个信号，调整另一个