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

測試多天線系統(tǒng)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(guān)系。不同的策略來配置產(chǎn)生相位相干的信號，會導(dǎo)致不同的測量結(jié)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(dāng)兩個信號出現(xiàn)時，相干信號將根據(jù)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(guān)系（如圖1-c）。對于數(shù)字調(diào)制信號，相位相干意味著兩個基帶信號發(fā)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(dá)脈沖需要脈沖突發(fā)的精 確定時，以模擬相應(yīng)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(tǒng)中的多天線技術(shù)可以增加信道容量，提高信道的可靠性。主要的多天線技術(shù)包括空間分集、空間復(fù)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(quán)、時間延遲或者發(fā)射分集來實現(xiàn)（如圖２）。

圖2

空間復(fù)用

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

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(diào)整，形成特定方向的信號波束，使信號的能量集中在發(fā)射/接收端所在的方向，從而改善頻譜利用效率，提高系統(tǒng)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(xiàn)策略所帶來的影響也是不同的。

1、獨立本振

實現(xiàn)多路信號之間相位相對穩(wěn)定的zui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(fā)信號和共同的10MHz時間基準(zhǔn)，實現(xiàn)不同信號源之間的同步（如圖５）。

圖5

帶來的問題就是相位漂移和相位噪聲（如圖6）。

圖6

兩臺信號源具有各自獨立的本振和鎖相環(huán)，這會導(dǎo)致相互之間的相位漂移。多數(shù)情況下，鎖相環(huán)可以鎖定環(huán)路帶寬內(nèi)的相位漂移，但無法完全跟蹤更高 級的響應(yīng)。

MIMO系統(tǒng)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(guān)的，從而對測試系統(tǒng)帶來相應(yīng)的相位誤差。具有高穩(wěn)時基，且相噪性能優(yōu)異的測試儀表會減小系統(tǒng)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(biāo)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**的結(jié)果。

2、共享同一本振

這個兩路相位相干的測試系統(tǒng)，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(xiàn)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）。

相移

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

3、直接數(shù)字合成（DDS）

直接數(shù)字合成（DDS - Direct Digital Synthesizer）技術(shù)通過以數(shù)字形式生成時變信號，然后執(zhí)行數(shù)模轉(zhuǎn)換來產(chǎn)生模擬波形。DDS架構(gòu)提供了超低相噪和快速頻率切換速度，具有極高的頻率調(diào)諧分辨率。不同的DDS系統(tǒng)之間，通過同步復(fù)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(tǒng)的各種策略之比較