設(shè)定相位同調(diào)RF量測(cè)系統(tǒng)：從 MIMO 到波束賦形詳細(xì)教程

概觀

自從傳送出第一筆無(wú)線電波之后，工程師就持續(xù)發(fā)明新方法，以優(yōu)化電磁微波訊號(hào)。RF 訊號(hào)已廣泛用于多種應(yīng)用，其中又以無(wú)線通信與 RADAR 的 2 項(xiàng)特殊應(yīng)用正利用此常見(jiàn)技術(shù)。就本質(zhì)而言，此 2 項(xiàng)應(yīng)用的獨(dú)到之處，即是利用電磁波的空間維度 （Spatial dimension）。直到今天，許多無(wú)線通信系統(tǒng)整合了多重輸入/輸出 （MIMO） 天線架 構(gòu)，以利用多重路徑的訊號(hào)傳播 （Propagation） 功能。此外，目前有多款 RADAR 系統(tǒng)均使用電磁波束控制 （Beam steering），以取代傳統(tǒng)的機(jī)械控制傳輸訊號(hào)。這些應(yīng)用均屬于多通道相位同調(diào) （Phase coherent） RF 量測(cè)系統(tǒng)的主要行進(jìn)動(dòng)力之一。

就本質(zhì)而言，此 2 項(xiàng)應(yīng)用的獨(dú)到之處，即是利用電磁波的空間維度 （Spatial dimension）。直到今天，許多無(wú)線通信系統(tǒng)整合了多重輸入/輸出 （MIMO） 天線架構(gòu)，以利用多重路徑的訊號(hào)傳播 （Propagation） 功能。此外，目前有多款 RADAR 系統(tǒng)均使用電磁波束控制 （Beam steering），以取代傳統(tǒng)的機(jī)械控制傳輸訊號(hào)。這些應(yīng)用均屬于多通道相位同調(diào) （Phase coherent） RF 量測(cè)系統(tǒng)的主要行進(jìn)動(dòng)力之一。

介紹

The modular architectures of PXI RF 儀器 （如 NI PXIe-5663 6.6 GHz RF 向量訊號(hào)分析器與 NI PXI e-5673 6.6 GHz RF 向量訊號(hào)產(chǎn)生器） 的調(diào)變架構(gòu)，使其可進(jìn)行 MIMO 與波束賦形 （Beamforming） 應(yīng)用所需的相位同調(diào) （Phase coherent） RF 量測(cè)作業(yè)。圖 1 表示常見(jiàn)的量測(cè)系統(tǒng)，為 1 組 PXI-1075 - 18 槽式機(jī)箱中安裝 4 組同步化 RF 分析器，與 2 組同步化 RF 訊號(hào)產(chǎn)生器。

圖 1. 常見(jiàn)的PXI相位同調(diào)RF量測(cè)系統(tǒng)

此篇技術(shù)文件將說(shuō)明設(shè)定相位同調(diào) RF 產(chǎn)生或擷取系統(tǒng)時(shí)，其所需的技術(shù)。此外，亦將針對(duì)多組 RF 分析器之間的相位延遲，逐步呈現(xiàn)校準(zhǔn)作業(yè)，以達(dá)最佳效能。

相位同調(diào) RF 訊號(hào)產(chǎn)生

若要設(shè)定任何相位同調(diào) RF 系統(tǒng)，則必須同步化裝置的所有頻率訊號(hào)。透過(guò) NI PXIe-5673 - 6.6 RF 向量訊號(hào)產(chǎn)生器，即可直接進(jìn)行升轉(zhuǎn)換 （Upconversion），以將基頻 （Baseband） 波形編譯為 RF 訊號(hào)。圖 2 即說(shuō)明雙信道 RF 向量訊號(hào)產(chǎn)生器的基本架構(gòu)。請(qǐng)注意，在 2 個(gè)通道之間必須共享 2 組基頻取樣頻率與局部震蕩器。

圖 2. 同步化2個(gè)RF產(chǎn)生通道

在圖 2 中可發(fā)現(xiàn) NI PXIe-5673 共包含 3 個(gè)模塊，分別為：PXI-5652 連續(xù)波合成器 （Synthesizer）、PXIe-5450 任意波形產(chǎn)生器，與 PXIe-5611 - RF 調(diào)變器。由于這些模塊可合并做為單信道的 RF 向量訊號(hào)產(chǎn)生器，因此亦可整合其他任意波形產(chǎn)生器 （AWG） 與 RF 升轉(zhuǎn)換器 （Upconverter），用于多信道的訊號(hào)產(chǎn)生應(yīng)用。在圖 2 中，共有 1 組標(biāo)準(zhǔn)的 PXIe-5673 （由 3 個(gè)模塊所構(gòu)成） 整合 1 組 NI PXIe-5673 MIMO 擴(kuò)充組合。而擴(kuò)充組合共容納了 1 組 AWG 與調(diào)變器，可建構(gòu)第二個(gè)訊號(hào)產(chǎn)生信道。

相位同調(diào) RF 訊號(hào)擷取

除了 PXIe-5673 - RF 向量訊號(hào)產(chǎn)生器之外，PXIe-5663 - RF 向量訊號(hào)分析器亦可設(shè)定用于多通道應(yīng)用。當(dāng)設(shè)定多組 PXIe-5663 進(jìn)行相位同調(diào) RF 訊號(hào)擷取作業(yè)時(shí)，亦必須注意類似事項(xiàng)，以確實(shí)進(jìn)行 LO 與基頻/中頻 （IF） 訊號(hào)的同步化。PXIe-5663 可利用訊號(hào)階段 （Signal stage） 并降轉(zhuǎn)換為 IF，亦可進(jìn)行數(shù)字升轉(zhuǎn)換為基頻。與傳統(tǒng)的 3 階段式超外差 （Superheterodyne） 向量訊號(hào)分析器不同，此架構(gòu)僅需于各個(gè)通道之間同步化單一局部震蕩器 （Local oscillator，LO），因此為設(shè)定相位同調(diào)應(yīng)用最簡(jiǎn)單的方法之一。若要同步化多組 PXI-5663 分析器，則必須于各組分析器之間分配共享的 IF 取樣頻率與 LO，以確保各個(gè)通道均是以相位同調(diào)的方式進(jìn)行設(shè)定。圖 3 則為雙信道系統(tǒng)的范例。

圖 3. 同步化雙信道的 VSA 系統(tǒng)

在圖 3 中可看到 PXIe-5663 - RF 向量訊號(hào)分析器是由 PXI-5652 連續(xù)波合成器、PXIe-5601 - RF 降轉(zhuǎn)換器，與 PXIe-5622 - IF 示波器所構(gòu)成。當(dāng)向量訊號(hào)分析器整合 PXIe-5663 MIMO 擴(kuò)充組合時(shí)，隨即新增了降轉(zhuǎn)換器與示波器，以建構(gòu)雙信道的 RF 擷取系統(tǒng)。

若要了解多組 RF 向量訊號(hào)分析器的同步化方法，則必須先行深入了解 PXIe-5663 - RF 訊號(hào)分析器的詳細(xì)程序圖。在圖 4 中可看到，即便僅使用單一 LO 將 RF 降轉(zhuǎn)換為 IF，則各組分析器實(shí)際亦必須共享 3 組頻率。

圖 4. PXIe-5663 - RF 向量訊號(hào)分析器的詳細(xì)程序圖

如圖 4 所示，各個(gè) RF 通道之間必須共享 LO、ADC 取樣頻率、數(shù)字降轉(zhuǎn)換器 （DDC），與數(shù)值控制震蕩器 （Numerically controlled oscillator，NCO）。如圖 4 所見(jiàn)，即便各組示波器之間共享 10 MHz 頻率，其實(shí)亦極為足夠。當(dāng)各組示波器之間僅共享 10 MHz 參考時(shí)，即可產(chǎn)生非相關(guān)的信道對(duì)信道相位抖動(dòng) （Phase jitter）；而于 IF 產(chǎn)生的相位噪聲強(qiáng)度，亦將由 RF 的 LO 相位噪聲所覆蓋。

數(shù)字降轉(zhuǎn)換的特性

在了解相位同調(diào) RF 擷取系統(tǒng)的精確校準(zhǔn)方式之前，必須先了解應(yīng)如何于基頻觀察 RF 的訊號(hào)特性。此處以相同中心頻率，且以回送 （Loopback） 模式設(shè)定的 VSG 與VSA 為例。如圖 5 所示，具備精確分析器中心頻率的降轉(zhuǎn)換 RF 訊號(hào)，將依基頻呈現(xiàn)為 DC 訊號(hào)。此外，由于基頻訊號(hào)屬于復(fù)雜波形，因此亦可將訊號(hào)的相位 （Θ） 分析而為時(shí)間函式。在圖 5 中可發(fā)現(xiàn)，只要 RF 向量訊號(hào)產(chǎn)生器與分析器互為同相 （In-phase），則「Phase vs. time」波形將呈現(xiàn)穩(wěn)定的相位偏移 （Phase offset）。

圖 5. 了解基頻訊號(hào)頻率偏移所造成的影響

相對(duì)來(lái)說(shuō)，只要 RF 音調(diào) （Tone） 與分析器的中心頻率產(chǎn)生小幅誤差，隨即可造成極大的差異。當(dāng)降轉(zhuǎn)換為基頻時(shí)，偏音 （Offset tone） 所產(chǎn)生的基頻 I （亦為 Q） 訊號(hào)即屬于正弦波。此外，基頻正弦波的頻率即等于「輸入音調(diào)與分析器中心頻率之間的頻率差異」。因此如圖 6 所示，「Phase versus time」圖將呈現(xiàn)線性關(guān)系。

圖 6. 未校準(zhǔn)系統(tǒng)中的 10 MHz 音調(diào)「Phase vs. Time」關(guān)系圖

從圖 6 可發(fā)現(xiàn)，相位于每個(gè)微秒 （Microsecond） 可提升將近 360 – 亦即所產(chǎn)生的音調(diào)與分析器的中心頻率，可確實(shí)為 1 MHz 偏移。圖 6 中亦可發(fā)現(xiàn)，2 組同步取樣示波器之間保持著極小卻穩(wěn)定的相位差 （Phase difference）。此離散相位差是起因于 LO 供電至各組降轉(zhuǎn)換器之間的連接線長(zhǎng)度差異。如接下來(lái)所將看到的，只要針對(duì)其中 1 個(gè) RF 通道調(diào)整 DDC 的開(kāi)始相位 （Start phase），即可輕松進(jìn)行校準(zhǔn)。

如圖 7 所示，要量測(cè) 2 組分析器之間相位偏移的精確方式之一，即是以 2 組分析器的中心頻率產(chǎn)生單一音調(diào)。

圖 7. 雙通道 RF 分析器相位的校準(zhǔn)測(cè)試設(shè)定

透過(guò)分配器 （Splitter） 與對(duì)應(yīng)的連接線長(zhǎng)度，即可量測(cè)各組分析器的「Phase versus time」。假設(shè)訊號(hào)產(chǎn)生器與分析器均集中為相同的 RF 頻率，則可發(fā)現(xiàn)各組分析器的「Phase versus time」圖甚為一致。圖 8 即呈現(xiàn)此狀態(tài)。

圖 8. 各組同步取樣的 ADC 均將具有相同的相位偏移

從圖 8 可明顯發(fā)現(xiàn)，共享相同 LO 與 IF 取樣頻率的 2 組分析器，將維持穩(wěn)定的相位偏移。事實(shí)上，各組分析器之間的相位差 （圖 8 中的 ?Θ = 71.2°） 均可進(jìn)行量測(cè)并補(bǔ)償之。若要補(bǔ)償各組分析器之間的相位差，則僅需于 DDC 中調(diào)整 NCO 的開(kāi)始相位。若 NCO 所使用的 IF 中心頻率，即用于產(chǎn)生最后基頻 I 與 Q 訊號(hào)，則此 NCO 本質(zhì)即為數(shù)字正弦波。在圖 8 中可發(fā)現(xiàn)，以菊鏈 （Daisy-chained） 方式連接的 RF 分析器，可透過(guò)特定中心頻率產(chǎn)生 71.2° 的載波相位差。在整合了第二組 LO 的連接線長(zhǎng)度，與其所使用的中心頻率之后，即可決定確切的相位偏移。若將 71.2° 相位延遲 （Phase delay） 套用至主要 DDC 的 NCO 上，則可輕松調(diào)整 2 個(gè)信道的基頻訊號(hào)相位；如圖 9 所示。

圖 9. 校準(zhǔn)過(guò)后的相位同調(diào) RF 擷取通道「Phase vs. Time」

一旦校準(zhǔn)各組分析器的 NCO 完畢，則 RF 分析器系統(tǒng)即可進(jìn)行 2 個(gè)通道以上的相位同調(diào) RF 擷取作業(yè)。事實(shí)上，多通道應(yīng)用可同步化最多 4 組 PXIe-5663 - RF 向量訊號(hào)分析器。

結(jié)論

當(dāng) MIMO 與波束賦形技術(shù)正蓬勃發(fā)展時(shí)，亦對(duì)測(cè)試工程師帶來(lái)新的挑戰(zhàn)；而模塊化的 RF 儀控功能更可提供高成本效益且精確的量測(cè)解決方案。而進(jìn)一步來(lái)說(shuō)，如 PXIe-5663 VSA 與 PXIe-5673 的 PXI 儀器，則可設(shè)定為最多 4x4 MIMO 與相位同調(diào) RF 量測(cè)的應(yīng)用。