概览
自从传送出第一笔无线电波之后，工程师就持续发明新方法，以优化电磁微波信号。RF 信号已广泛用于多种应用，其中又以无线通信与RADAR 的2 项特殊应用正利用此常见技术。就本质而言，此2 项应用的独到之处，即是利用电磁波的空间维度(Spatial dimension)。直到今天，许多无线通信系统整合了多重输入/输出(MIMO) 天线架构，以利用多重路径的信号传播(Propagation) 功能。此外，目前有多款RADAR 系统均使用电磁波束控制(Beam steering)，以取代传统的机械控制传输信号。这些应用均属于多通道相位同调(Phase coherent) RF 测量系统的主要行进动力之一。就本质而言，此2 项应用的独到之处，即是利用电磁波的空间维度(Spatial dimension)。直到今天，许多无线通信系统整合了多重输入/输出(MIMO) 天线架构，以利用多重路径的信号传播(Propagation) 功能。此外，目前有多款RADAR 系统均使用电磁波束控制(Beam steering)，以取代传统的机械控制传输信号。这些应用均属于多通道相位同调(Phase coherent) RF 测量系统的主要行进动力之一。
介绍
PXI RF 仪器(如NI PXIe-5663 6.6 GHz RF 矢量信号分析器与NI PXIe-5673 6.6 GHz RF 矢量信号发生器) 的模块化架构使其可进行MIMO 与波束赋形(Beamforming) 应用所需的相位同调(Phase coherent) RF 测量作业。图1 表示常见的测量系统，为1 组PXI-1075 - 18 槽式机箱中安装4 组同步化RF 分析器，与2 组同步化RF 信号发生器。
图1. 常见的PXI 相位同调RF 测量系统
此篇技术文件将说明设定相位同调RF 产生或撷取系统时，其所需的技术。此外，亦将针对多组RF 分析器之间的相位延迟，逐步呈现校准作业，以达最佳效能。
1. 相位同调RF 信号产生
若要设定任何相位同调RF 系统，则必须同步化装置的所有频率信号。通过NI PXIe-5673 - 6.6 RF 矢量信号发生器，即可直接进行升转换(Upconversion)，以将基带(Baseband) 波形编译为RF 信号。图2 即说明双信道RF 矢量信号发生器的基本架构。请注意，在2 个通道之间必须共享2 组基带取样频率与局部震荡器。
图2. 同步化2 个RF 产生通道
在图2 中可发现NI PXIe-5673 共包含3 个模块，分别为：PXI-5652 连续波合成器(Synthesizer)、PXIe-5450 任意波形发生器，与PXIe-5611 - RF 调变器。由于这些模块可合并做为单信道的RF 矢量信号发生器，因此亦可整合其他任意波形发生器(AWG) 与RF 升转换器(Upconverter)，用于多信道的信号产生应用。在图2 中，共有1 组标准的PXIe-5673 (由3 个模块所构成) 整合1 组NI PXIe-5673 MIMO 扩充组合。而扩充组合共容纳了1 组AWG 与调变器，可建构第二个信号产生信道。
2. 相位同调RF 信号撷取
除了PXIe-5673 - RF 矢量信号发生器之外，PXIe-5663 - RF 矢量信号分析器亦可设定用于多通道应用。当设定多组PXIe-5663 进行相位同调RF 信号撷取作业时，亦必须注意类似事项，以确实进行LO 与基带/中频(IF) 信号的同步化。PXIe-5663 可利用信号阶段(Signal stage) 并降转换为IF，亦可进行数字升转换为基带。与传统的3 阶段式超外差(Superheterodyne) 矢量信号分析器不同，此架构仅需于各个通道之间同步化单一局部震荡器(Local oscillator，LO)，因此为设定相位同调应用最简单的方法之一。若要同步化多组PXI-5663 分析器，则必须于各组分析器之间分配共享的IF 取样频率与LO，以确保各个通道均是以相位同调的方式进行设定。图3 则为双信道系统的范例。
图3. 同步化双信道的VSA 系统
在图3 中可看到PXIe-5663 - RF 矢量信号分析器是由PXI-5652 连续波合成器、PXIe-5601 - RF 降转换器，与PXIe-5622 - IF 示波器所构成。当矢量信号分析器整合PXIe-5663 MIMO 扩充组合时，随即新增了降转换器与示波器，以建构双信道的RF 撷取系统。
若要了解多组RF 矢量信号分析器的同步化方法，则必须先行深入了解PXIe-5663 - RF 信号分析器的详细程序图。在图4 中可看到，即便仅使用单一LO 将RF 降转换为IF，则各组分析器实际亦必须共享3 组频率。
图4. PXIe-5663 - RF 矢量信号分析器的详细程序图
如图4 所示，各个RF 通道之间必须共享LO、ADC 取样频率、数字降转换器(DDC)，与数值控制震荡器(Numerically controlled oscillator，NCO)。如图4 所见，即便各组示波器之间共享10 MHz 频率，其实亦极为足够。当各组示波器之间仅共享10 MHz 参考时，即可产生非相关的信道对信道相位抖动(Phase jitter)；而于IF 产生的相位噪声强度，亦将由RF 的LO 相位噪声所覆盖。
3. 数字降转换的特性
在了解相位同调RF 撷取系统的精确校准方式之前，必须先了解应如何于基带观察RF 的信号特性。此处以相同中心频率，且以回送(Loopback) 模式设定的VSG 与VSA 为例。如图5 所示，具备精确分析器中心频率的降转换RF 信号，将依基带呈现为DC 信号。此外，由于基带信号属于复杂波形，因此亦可将信号的相位(Θ) 分析而为时间函式。在图5 中可发现，只要RF 矢量信号发生器与分析器互为同相(In-phase)，则「Phase vs. time」波形将呈现稳定的相位偏移(Phase offset)。
图5. 了解基带信号频率偏移所造成的影响
相对来说，只要RF 音调(Tone) 与分析器的中心频率产生小幅误差，随即可造成极大的差异。当降转换为基带时，偏音(Offset tone) 所产生的基带I (亦为Q) 信号即属于正弦波。此外，基带正弦波的频率即等于「输入音调与分析器中心频率之间的频率差异」。因此如图6 所示，「Phase versus time」图将呈现线性关系。
图6. 未校准系统中的10 MHz 音调「Phase vs. Time」关系图
从图6 可发现，相位于每个微秒(Microsecond) 可提升将近360 – 亦即所产生的音调与分析器的中心频率，可确实为1 MHz 偏移。图6 中亦可发现，2 组同步取样示波器之间保持着极小却稳定的相位差(Phase difference)。此离散相位差是起因于LO 供电至各组降转换器之间的连接线长度差异。如接下来所将看到的，只要针对其中1 个RF 通道调整DDC 的开始相位(Start phase)，即可轻松进行校准。
如图7 所示，要测量2 组分析器之间相位偏移的精确方式之一，即是以2 组分析器的中心频率产生单一音调。
图7. 双通道RF 分析器相位的校准测试设定
通过分配器(Splitter) 与对应的连接线长度，即可测量各组分析器的「Phase versus time」。假设信号发生器与分析器均集中为相同的RF 频率，则可发现各组分析器的「Phase versus time」图甚为一致。图8 即呈现此状态。
图8. 各组同步取样的ADC 均将具有相同的相位偏移
从图8 可明显发现，共享相同LO 与IF 取样频率的2 组分析器，将维持稳定的相位偏移。事实上，各组分析器之间的相位差(图8 中的∆Θ = 71.2°) 均可进行测量并补偿之。若要补偿各组分析器之间的相位差，则仅需于DDC 中调整NCO 的开始相位。若NCO 所使用的IF 中心频率，即用于产生最后基带I 与Q 信号，则此NCO 本质即为数字正弦波。在图8 中可发现，以菊链(Daisy-chained) 方式连接的RF 分析器，可通过特定中心频率产生71.2° 的载波相位差。在整合了第二组LO 的连接线长度，与其所使用的中心频率之后，即可决定确切的相位偏移。若将71.2° 相位延迟(Phase delay) 套用至主要DDC 的NCO 上，则可轻松调整2 个信道的基带信号相位；如图9 所示。
图9. 校准过后的相位同调RF 撷取通道「Phase vs. Time」
一旦校准各组分析器的NCO 完毕，则RF 分析器系统即可进行2 个通道以上的相位同调RF 撷取作业。事实上，多通道应用可同步化最多4 组PXIe-5663 - RF 矢量信号分析器。
结论
当MIMO 与波束赋形技术正蓬勃发展时，亦对测试工程师带来新的挑战；而模块化的RF 仪控功能更可提供高成本效益且精确的测量解决方案。而进一步来说，如PXIe-5663 VSA 与PXIe-5673 的PXI 仪器，则可设定为最多4x4 MIMO 与相位同调RF 测量的应用。