多通道相參矢量信號(hào)產(chǎn)生和分析系統(tǒng)

1、應(yīng)用要求：

現(xiàn)在很多電子系統(tǒng)采用多通道相參技術(shù)，典型的應(yīng)用包含無(wú)線通信系統(tǒng)中MIMO技術(shù)和相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)。這些系統(tǒng)都通過(guò)采用多通道相參技術(shù)來(lái)提高系統(tǒng)的工作性能，圖1為典型的多通道電子系統(tǒng)的應(yīng)用。例如MIMO提供通過(guò)多通道傳輸來(lái)提高接收機(jī)信噪比，改善復(fù)雜電磁環(huán)境下高速數(shù)字通信的質(zhì)量。MIMO技術(shù)充分利用多天線特性來(lái)抑制信道衰落，從而有效克服多徑衰落、干擾等影響通信質(zhì)量的主要因素，提高信號(hào)的鏈路性能;并能在不增加帶寬的情況下，成倍提高通信系統(tǒng)的容量和頻譜利用率，因而MIMO技術(shù)已成為下一代無(wú)線局域網(wǎng)發(fā)展的趨勢(shì)。與發(fā)射機(jī)相比，MIMO接收機(jī)的結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，它包含了諸如分集接收模塊、同步估計(jì)與補(bǔ)償模塊、信道估計(jì)與均衡模塊等決定系統(tǒng)性能的組成部分，也正是MIMO系統(tǒng)能否正常工作的關(guān)鍵。因此對(duì)MIMO接收機(jī)的測(cè)試是MIMO系統(tǒng)完整測(cè)試過(guò)程中不可或缺且至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。而相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)通過(guò)相參多通道來(lái)提高電磁波束的掃描速度，并利用多波束技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)多功能或多用戶應(yīng)用。這些相參電子系統(tǒng)包含多個(gè)天線單元，通過(guò)信號(hào)處理、控制，達(dá)到對(duì)天線的波束合成、發(fā)射模式的自動(dòng)優(yōu)化功能。為了實(shí)現(xiàn)該功能，每個(gè)天線單元發(fā)射的信號(hào)必須滿足相位相干的要求。

圖1:典型的多通道電子系統(tǒng)應(yīng)用

多通道相參測(cè)試驗(yàn)證系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提出了前所未有的挑戰(zhàn)，主要的技術(shù)難題包含：

1、在發(fā)射端，要求多臺(tái)信號(hào)源模擬的多路信號(hào)之間必須真正實(shí)現(xiàn)相位相干和時(shí)間相關(guān)。

2、在接收端，必須確保多路接收通道之間的相干接收以及為通信信號(hào)提供精確的解調(diào)分析，以確定信號(hào)的質(zhì)量。

3 、多路相參信號(hào)在合成和分析的算法實(shí)現(xiàn)。信號(hào)處理軟件需要具備信道恢復(fù)等處理能力。

2、多通道矢量信號(hào)合成和分析系統(tǒng)技術(shù)方案

多通道驗(yàn)證測(cè)試系統(tǒng)包含多通道相參信號(hào)合成和多通道相參信號(hào)分析儀表。系統(tǒng)的組成框圖如圖2。

1：利用ADS，Matlab, Signal Studio等軟件完成復(fù)雜調(diào)制信號(hào)波形建立，按照合成信號(hào)要求進(jìn)行雷達(dá)脈沖調(diào)制信號(hào)計(jì)算，數(shù)字調(diào)制信號(hào)基帶編碼，時(shí)空編碼等。

2：利用E4438C信號(hào)源或E8267D信號(hào)源構(gòu)建多路相位相參矢量調(diào)制信號(hào)系統(tǒng)，輸出的各路信號(hào)間時(shí)間，相位和功率關(guān)系可控。

3：對(duì)多路寬帶接收信號(hào)進(jìn)行相參處理，包含寬帶相參下變頻處理和ADC采樣處理。

4：利用ADS,89601A矢量分析軟件對(duì)多路調(diào)制信號(hào)進(jìn)行完整矢量分析，包含：時(shí)域分析，頻域分析，解調(diào)分析，時(shí)空解碼處理等。

圖2：4通道矢量信號(hào)合成分析系統(tǒng)

2.1多路相參矢量調(diào)制信號(hào)合成：

多路相參信號(hào)的合成流程，首先利用ADS、或Matlab仿真軟件負(fù)責(zé)完成多路相參信號(hào)的模擬和仿真,這些軟件支持完整的MIMO信號(hào)合成和雷達(dá)信號(hào)實(shí)現(xiàn)，能完成兩路脈沖調(diào)制信號(hào)的參數(shù)控制和MIMO信號(hào)時(shí)空編碼模塊。仿真計(jì)算得到的信號(hào)數(shù)據(jù)通過(guò)GPIB或Lan下載給MXG矢量射頻信號(hào)源或E8267D微波矢量信號(hào)發(fā)生器, 矢量信號(hào)源完成信號(hào)波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，DAC處理和IQ調(diào)制。MXG和E8267D具備基帶相參合成和相參本振信號(hào)合成能力，從而保證輸出的調(diào)制信號(hào)的相參性。信號(hào)源的矢量調(diào)制帶寬能達(dá)到300MHz。

多路相參矢量信號(hào)合成的關(guān)鍵是保證多路信號(hào)間的穩(wěn)定相位關(guān)系。對(duì)于矢量信號(hào)源采用的IQ調(diào)制技術(shù)，需要在相參信號(hào)合成中保證載波信號(hào)和基帶信號(hào)的相參性。Agilent E4438C/E8267D/N5182A矢量信號(hào)源都具備本振相參和基帶DAC處理相參的控制能力。從而保證輸出矢量調(diào)制信號(hào)的相參性。另外多路矢量信號(hào)合成的重要功能要求是能對(duì)多路相參信號(hào)的時(shí)間相位關(guān)系進(jìn)行精確控制，信號(hào)間時(shí)間相位關(guān)系的控制是通過(guò)矢量源間基帶信號(hào)合成的觸發(fā)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。圖3為多路矢量信號(hào)源間時(shí)間關(guān)系控制的設(shè)置，主源輸出射頻調(diào)制信號(hào)的同時(shí)，會(huì)從Event1端口輸出同步控制信號(hào)，該信號(hào)用于從信號(hào)源的基帶外觸發(fā)控制，可以通過(guò)設(shè)置從信號(hào)源的觸發(fā)延遲來(lái)改變兩臺(tái)信號(hào)源間輸出信號(hào)的時(shí)間關(guān)系。使用E8267D矢量信號(hào)源，時(shí)間控制的分辨率為10ns，使用N8241A完成基帶信號(hào)合成，時(shí)間控制分辨率可以達(dá)到0.8ns。 對(duì)于基帶信號(hào)的波形建立，可以使用ADS,Matlab，Agilent Signal studio等波形建立軟件完成。

圖3：多臺(tái)相參信號(hào)源輸出時(shí)間關(guān)系控制

2.2 多通道相參信號(hào)分析

多通道相參信號(hào)分析系統(tǒng)需要保證多路信號(hào)處理過(guò)程中硬件設(shè)備的相參性，并提供完整的多路信號(hào)間參數(shù)的分析能力。

Agilent寬帶相參接收系統(tǒng)組成框圖如圖4所示，硬件包含N5280A寬帶下變頻器和DSA90804A深存儲(chǔ)數(shù)字示波器，多路信號(hào)的分析處理由ADS軟件和89601A矢量分析軟件完成。N5280A工作頻率范圍為26.5GHz，處理帶寬可以達(dá)到1GHz，多路混頻通道的本振采用分路技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而保證多路變頻處理的相參性。DSA90804A示波器是4通道數(shù)字示波器，采樣率為40G，分析帶寬為8GHz，該儀表完成對(duì)四路中頻信號(hào)進(jìn)行同步ADC采樣。示波器采樣的信號(hào)數(shù)據(jù)又ADS軟件89601A矢量分析軟件完成。

圖4：4通道相參分析系統(tǒng)組成

對(duì)兩路信號(hào)進(jìn)行幅度和時(shí)間相位關(guān)系的比較。對(duì)于正弦波，方波，脈沖調(diào)制等信號(hào)進(jìn)行時(shí)間差分析可以利用示波器直接完成。DSA90804A示波器采樣速率可達(dá)40Gsa/s，可以保證時(shí)域參數(shù)測(cè)試的精度。對(duì)于多路信號(hào)間相互關(guān)系參數(shù)的測(cè)試，可以使用89601A矢量分析軟件來(lái)完成，89601A矢量分析軟件支持多通道信號(hào)分析測(cè)試，能分別對(duì)每路信號(hào)進(jìn)行頻譜測(cè)試，時(shí)域測(cè)試和解調(diào)分析，還能測(cè)試兩路信號(hào)間的功率和相位關(guān)系。圖5為89601A完成對(duì)兩路脈沖調(diào)制信號(hào)的頻域，時(shí)域和功率相位差參數(shù)的測(cè)試顯示結(jié)果。

圖5：89601A完成對(duì)兩路脈沖調(diào)制信號(hào)的分析

對(duì)于多路復(fù)雜矢量調(diào)制的時(shí)間關(guān)系分析，可以通過(guò)相關(guān)運(yùn)算來(lái)確定任意信號(hào)間的時(shí)間關(guān)系?；ハ嚓P(guān)處理功能特別適合對(duì)多路類似噪聲的數(shù)字調(diào)制信號(hào)進(jìn)行時(shí)間關(guān)系分析，因?yàn)槿绻ㄟ^(guò)普通時(shí)域分析方法，很難確定兩路隨機(jī)信號(hào)時(shí)間比較的觸發(fā)控制點(diǎn)位置，而使用互相關(guān)運(yùn)算能反映兩路相參信號(hào)間的時(shí)間關(guān)系，通過(guò)兩路相參信號(hào)的互相關(guān)運(yùn)算，在信號(hào)時(shí)延差的位置上會(huì)出現(xiàn)相關(guān)數(shù)值的峰值，圖6為89601A矢量分析軟件具備互相關(guān)處理功能。

圖6：互相關(guān)函數(shù)和89601A的互相關(guān)分析功能