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什么是相位相干?
發布時間:2021-11-29 09:08 來源:csch 閱讀:

隨著5G等具有更高數據率的應用急劇增長,無線系統要求更寬的帶寬和更廣的網絡覆蓋。多天線技術,如多入多出(MIMO)和波束成形,利用分集、復用和提高天線增益等方法,改善頻譜效率和信噪比(SNR),應對有限頻譜資源的壓力。

測試多天線系統需要一個測試方案,能夠提供多路信號且相互之間保持一個確定的相位關系。不同的策略來配置產生相位相干的信號,會導致不同的測量結果。

一、什么是相位相干?

圖1

如果兩個信號始終具有恒定的相對相位,則它們是相干的(如圖1-b)。當兩個信號出現時,相干信號將根據其相對相位而共生或共消。

在表征多通道組件(如相控陣天線)時,需要精確控制各個通道之間的相位關系(如圖1-c)。對于數字調制信號,相位相干意味著兩個基帶信號發生器之間時間同步,射頻載波之間相干擾(如圖1-d)。

類似地,雷達脈沖需要脈沖突發的精確定時,以模擬相應的空間延遲(如圖1-e)。

二、為什么相位相干很重要?

無線通信系統中的多天線技術可以增加信道容量,提高信道的可靠性。主要的多天線技術包括空間分集、空間復用和天線陣列。

空間分集

空間分集可以通過信道切換、信號加權、時間延遲或者發射分集來實現(如圖2)。

 

圖2

空間復用

空間復用采用了多入多出(MIMO)的傳輸技術,無需占用額外的帶寬,也不需要增加額外的發射功率,因此是提高信道和系統容量一種非常有效的手段(如圖3)。

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圖3

天線陣列-波束成型

波束成型可以通過相干天線單元的信號相位的精確調整,形成特定方向的信號波束,使信號的能量集中在發射/接收端所在的方向,從而改善頻譜利用效率,提高系統的容量(如圖4)。

 

圖4

三生成多路相位相干信號的策略及其利弊

為了模擬多通道的測試場景,各路測試信號之間的相位必須是相干且可控的。不同的實現策略所帶來的影響也是不同的。

1、獨立本振

實現多路信號之間相位相對穩定的最簡單的方法就是將其各自的10MHz頻率參考鎖定在一起,通過一個觸發信號和共同的10MHz時間基準,實現不同信號源之間的同步(如圖5)。

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圖5

帶來的問題就是相位漂移和相位噪聲(如圖6)。

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圖6

兩臺信號源具有各自獨立的本振和鎖相環,這會導致相互之間的相位漂移。多數情況下,鎖相環可以鎖定環路帶寬內的相位漂移,但無法完全跟蹤更高級的響應。

MIMO系統中,通道間緩慢的相位漂移不是什么大問題,這種測試方式可以提供可接受的性能。

相位噪聲

頻率參考鎖定的信號源之間的相位噪聲是非相關的,從而對測試系統帶來相應的相位誤差。具有高穩時基,且相噪性能優異的測試儀表會減小系統的相位漂移和相位誤差,適用于MIMO和空間分集的測試。精確標定器件特性時,這種方法就不行了。需要采用共享同一本振的方式,才能得到更加精準的結果。

2、共享同一本振

這個兩路相位相干的測試系統,利用上面一臺儀表的本振,分別提供給兩臺信號源使用,從而實現了兩臺信號源的完全相干。二者的相位誤差小于1度(如圖7、8)。

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相移

即使采用了共享同一本振的方式,由于線纜長度和轉接頭的影響,系統還是會產生不同通道之間的相位偏差和相移。

3、直接數字合成(DDS)

直接數字合成(DDS - Direct Digital Synthesizer)技術通過以數字形式生成時變信號,然后執行數模轉換來產生模擬波形。DDS架構提供了超低相噪和快速頻率切換速度,具有極高的頻率調諧分辨率。不同的DDS系統之間,通過同步復位使得彼此之間保持相位對齊(如圖9)。

 

圖9

測試多天線系統的各種策略之比較

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