自从传送出第一笔无线电波之后，工程师就继续创造新办法，以优化电磁微波信号。RF 信号已广泛用于多种运用，其间又以无线通信与 RADAR 的 2 项特别运用正运用此常见技能。
就实质而言，此 2 项运用的独到之处，便是运用电磁波的空间维度 （Spatial dimension）。直到今日，许多无线通信体系整合了多重输入/输出 （MIMO） 天线架构，以运用多重途径的信号传达 （Propagation） 功用。
此外，现在有多款 RADAR 体系均运用电磁波束操控 （Beam steering），以替代传统的机械操控传输信号。这些运用均归于多通道相位同调 （Phase coherent） RF 量测体系的首要跋涉动力之一。
介绍
The modular architectures of PXI RF 仪器 （如 NI PXIe-5663 6.6 GHz RF 向量信号剖析器与 NI PXIe-5673 6.6 GHz RF 向量信号发生器） 的调变架构，使其可进行 MIMO 与波束赋形 （Beamforming） 运用所需的相位同调 （Phase coherent） RF 量测作业。图 1 表明常见的量测体系，为 1 组 PXI-1075 – 18 槽式机箱中设备 4 组同步化 RF 剖析器，与 2 组同步化 RF 信号发生器。
图 1. 常见的 PXI 相位同调 RF 量测体系
此篇技能文件将阐明设定相位同调 RF 发生或撷取体系时，其所需的技能。此外，亦将针对多组 RF 剖析器之间的相位推迟，逐渐出现校准作业，以达最佳效能。
相位同调 RF 信号发生
若要设定任何相位同调 RF 体系，则有必要同步化设备的一切频率信号。透过 NI PXIe-5673 – 6.6 RF 向量信号发生器，即可直接进行升转化 （Upconversion），以将基频 （Baseband） 波形编译为 RF 信号。图 2 即阐明双信道 RF 向量信号发生器的根本架构。
图 2. 同步化 2 个 RF 发生通道
请留意，在 2 个通道之间有必要同享 2 组基频取样频率与部分震动器。
在图 2 中可发现 NI PXIe-5673 共包括 3 个模块，分别为：PXI-5652 接连波合成器 （Synthesizer）、PXIe-5450 恣意波形发生器，与 PXIe-5611 – RF 调变器。因为这些模块可兼并做为单信道的 RF 向量信号发生器，因而亦可整合其他恣意波形发生器 （AWG） 与 RF 升转化器 （Upconverter），用于多信道的信号发生运用。在图 2 中，共有 1 组规范的 PXIe-5673 （由 3 个模块所构成） 整合 1 组 NI PXIe-5673 MIMO 扩大组合。而扩大组合共包容了 1 组 AWG 与调变器，可建构第二个信号发生信道。
相位同调 RF 信号撷取
除了 PXIe-5673 – RF 向量信号发生器之外，PXIe-5663 – RF 向量信号剖析器亦可设定用于多通道运用。当设定多组 PXIe-5663 进行相位同调 RF 信号撷取作业时，亦有必要留意相似事项，以的确进行 LO 与基频/中频 （IF） 信号的同步化。PXIe-5663 可运用信号阶段 （Signal stage） 并降转化为 IF，亦可进行数字升转化为基频。
与传统的 3 阶段式超外差 （Superheterodyne） 向量信号剖析器不同，此架构仅需于各个通道之间同步化单一部分震动器 （Local oscillator，LO），因而为设定相位同调运用最简略的办法之一。若要同步化多组 PXI-5663 剖析器，则有必要于各组剖析器之间分配同享的 IF 取样频率与 LO，以保证各个通道均是以相位同调的办法进行设定。图 3 则为双信道体系的典范。
图 3. 同步化双信道的 VSA 体系
在图 3 中可看到 PXIe-5663 – RF 向量信号剖析器是由 PXI-5652 接连波合成器、PXIe-5601 – RF 降转化器，与 PXIe-5622 – IF 示波器所构成。当向量信号剖析器整合 PXIe-5663 MIMO 扩大组合时，随即新增了降转化器与示波器，以建构双信道的 RF 撷取体系。
若要了解多组 RF 向量信号剖析器的同步化办法，则有必要先行深化了解 PXIe-5663 – RF 信号剖析器的具体程序图。在图 4 中可看到，即使仅运用单一 LO 将 RF 降转化为 IF，则各组剖析器实践亦有必要同享 3 组频率。
图 4. PXIe-5663 – RF 向量信号剖析器的具体程序图
如图 4 所示，各个 RF 通道之间有必要同享 LO、ADC 取样频率、数字降转化器 （DDC），与数值操控震动器 （Numerically controlled oscillator，NCO）。如图 4 所见，即使各组示波器之间同享 10 MHz 频率，其实亦极为满足。当各组示波器之间仅同享 10 MHz 参阅时，即可发生非相关的信道对信道相位颤动 （Phase jitter）;而于 IF 发生的相位噪声强度，亦将由 RF 的 LO 相位噪声所掩盖。
数字降转化的特性
在了解相位同调 RF 撷取体系的准确校准办法之前，有必要先了解应怎么于基频调查 RF 的信号特性。此处以相同中心频率，且以回送 （Loopback） 形式设定的 VSG 与VSA 为例。如图 5 所示，具有准确剖析器中心频率的降转化 RF 信号，将依基频出现为 DC 信号。此外，因为基频信号归于杂乱波形，因而亦可将信号的相位 （Θ） 剖析而为时刻函式。在图 5 中可发现，只需 RF 向量信号发生器与剖析器互为同相 （In-phase），则「Phase vs. time」波形将出现安稳的相位偏移 （Phase offset）。
图 5. 了解基频信号频率偏移所形成的影响
相对来说，只需 RF 腔调 （Tone） 与剖析器的中心频率发生小幅差错，随即可形成极大的差异。当降转化为基频时，偏音 （Offset tone） 所发生的基频 I （亦为 Q） 信号即归于正弦波。此外，基频正弦波的频率即等于「输入腔调与剖析器中心频率之间的频率差异」。因而如图 6 所示，「Phase versus time」图将出现线性联系。
图 6. 未校准体系中的 10 MHz 腔调「Phase vs. Time」联系图
从图 6 可发现，相坐落每个微秒 （Microsecond） 可提高将近 360 – 亦即所发生的腔调与剖析器的中心频率，可的确为 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安稳的相位差 （Phase difference）。此离散相位差是起因于 LO 供电至各组降转化器之间的衔接线长度差异。如接下来所将看到的，只需针对其间 1 个 RF 通道调整 DDC 的开端相位 （Start phase），即可轻松进行校准。
如图 7 所示，要量测 2 组剖析器之间相位偏移的准确办法之一，便是以 2 组剖析器的中心频率发生单一腔调。
图 7. 双通道 RF 剖析器相位的校准测验设定
透过分配器 （Splitter） 与对应的衔接线长度，即可量测各组剖析器的「Phase versus time」。假定信号发生器与剖析器均会集为相同的 RF 频率，则可发现各组剖析器的「Phase versus time」图甚为共同。图 8 即出现此状况。
图 8. 各组同步取样的 ADC 均将具有相同的相位偏移
从图 8 可显着发现，同享相同 LO 与 IF 取样频率的 2 组剖析器，将保持安稳的相位偏移。事实上，各组剖析器之间的相位差 （图 8 中的 ?Θ = 71.2°） 均可进行量测并补偿之。若要补偿各组剖析器之间的相位差，则仅需于 DDC 中调整 NCO 的开端相位。若 NCO 所运用的 IF 中心频率，即用于发生最终基频 I 与 Q 信号，则此 NCO 实质即为数字正弦波。在图 8 中可发现，以菊链 （Daisy-chained） 办法衔接的 RF 剖析器，可透过特定中心频率发生 71.2° 的载波相位差。在整合了第二组 LO 的衔接线长度，与其所运用的中心频率之后，即可决议切当的相位偏移。若将 71.2° 相位推迟 （Phase delay） 套用至首要 DDC 的 NCO 上，则可轻松调整 2 个信道的基频信号相位;如图 9 所示。
图 9. 校准往后的相位同调 RF 撷取通道「Phase vs. Time」
一旦校准各组剖析器的 NCO 结束，则 RF 剖析器体系即可进行 2 个通道以上的相位同调 RF 撷取作业。事实上，多通道运用可同步化最多 4 组 PXIe-5663 – RF 向量信号剖析器。
定论
当 MIMO 与波束赋形技能正蓬勃发展时，亦对测验工程师带来新的应战;而模块化的 RF 仪控功用更可供给高本钱效益且准确的量测解决方案。而进一步来说，如 PXIe-5663 VSA 与 PXIe-5673 的 PXI 仪器，则可设定为最多 4×4 MIMO 与相位同调 RF 量测的运用。
