相位相參，你知道嗎?

2017-08-11 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

相參(相干,coherent),在不同的系統(tǒng)中,相參含義不同。

相參,可以理解為多個(gè)脈沖或信號(hào)之間的確定相位關(guān)系,通過(guò)相關(guān)運(yùn)算,可進(jìn)行信號(hào)檢測(cè),在偵查、識(shí)別等領(lǐng)域需要進(jìn)行相參運(yùn)算。在這種相參情況下,后續(xù)信號(hào)與第一個(gè)信號(hào)波形保持確定相位關(guān)系,但第一個(gè)信號(hào)波形的初始相位不必固定。

另一種情形,相控陣、MIMO等多通道系統(tǒng)中,多個(gè)輸出通道的輸出信號(hào)之間,相位關(guān)系確定可控。通過(guò)改變信號(hào)相位關(guān)系,實(shí)現(xiàn)波束合成、定位、測(cè)向等目的。

(1)構(gòu)建相參系統(tǒng)的必要性

在多接收機(jī)系統(tǒng)(相控陣、無(wú)線通信)進(jìn)行部署之前,需要進(jìn)行校準(zhǔn)并在真實(shí)信號(hào)環(huán)境中對(duì)其性能進(jìn)行全面的評(píng)估,這些測(cè)試包括直接暴露在特定位置發(fā)射機(jī)的直射信號(hào)或折射信號(hào)之下。當(dāng)系統(tǒng)采用一個(gè)接收機(jī)時(shí),因?yàn)樾盘?hào)具有唯一的幅度、相位、頻率以及時(shí)間特性,接收機(jī)的性能很好評(píng)估。但測(cè)試多接收天線系統(tǒng)時(shí),首先要求模擬器具備產(chǎn)生和發(fā)送多路不同特性信號(hào)(幅度、相位、頻率以及時(shí)間特性)的能力。

設(shè)計(jì)用于測(cè)試多接收機(jī)系統(tǒng)的模擬系統(tǒng),必須具備產(chǎn)生多路相位相參信號(hào)的能力,通過(guò)控制每一路輸出信號(hào)的特征,并在測(cè)試中注入到每一個(gè)被測(cè)試天線的射頻或中頻部分。這些測(cè)試需要使用合成信號(hào)源,即信號(hào)源的每一路輸出信號(hào)都是經(jīng)過(guò)嚴(yán)格控制,其相位、幅度、頻率和時(shí)間特性都是緊密相干。

多個(gè)非相干的信號(hào)發(fā)生器無(wú)法提供這種服務(wù),因?yàn)樗鼈兊妮敵鲂盘?hào)不同而且是非受控的,用于激勵(lì)多接收機(jī)系統(tǒng)得到的結(jié)果會(huì)不準(zhǔn)確,如用于雷達(dá)系統(tǒng)時(shí),會(huì)導(dǎo)致定位失敗以及對(duì)目標(biāo)向量的錯(cuò)誤計(jì)算。

(2)多信道相參信號(hào)的產(chǎn)生

進(jìn)行精確信號(hào)模擬的方法就是保證模擬仿真中使用的多臺(tái)信號(hào)發(fā)生器相位相參,使測(cè)試系統(tǒng)中所有信號(hào)源所發(fā)送信號(hào)的相位相關(guān)性完全受控。

在實(shí)際應(yīng)用中,頻率參考、觸發(fā)、采樣時(shí)鐘等因素都會(huì)影響多通道信號(hào)的相參性,甚至連接線纜、信號(hào)的頻率以及設(shè)備使用環(huán)境的溫度都會(huì)對(duì)信號(hào)造成影響。因此,在產(chǎn)生多通道相參信號(hào)時(shí),應(yīng)該綜合考慮多種因素。

要保證多信道的相參,基本的解決方法有兩種,即保持相位的穩(wěn)定和保持相位的相干。

相位的穩(wěn)定性主要由器件的性能決定,如頻率參考、時(shí)鐘等。顯然,高性能的儀器比中低端的儀器更好,因?yàn)槠淠軌虮ＷC更低的相位噪聲、殘余調(diào)頻和相位偏移。采用相位穩(wěn)定的方式解決相位相參問(wèn)題,儀器的選擇就成為了至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。目前,很多儀器都提供了各種選件類(lèi)提升特定的性能,如低相位噪聲選件。同時(shí),也可以使用更高性能的外部參考源來(lái)提升性能。

保持相位穩(wěn)定可以在一定程度上減小信號(hào)相干誤差,但是由于各個(gè)器件的隨機(jī)性,這種方法并不是最佳選擇。相位相參便是解決這種隨機(jī)性的有效方法。

鎖定頻率參考是最簡(jiǎn)單的一種保證相位相參的方法,做法是多臺(tái)信號(hào)發(fā)生器都鎖定到同一個(gè)參考頻率源上,這樣就可以在一定程度上保證多路輸出信號(hào)具有相同的頻率變化。如下圖所示,多臺(tái)信號(hào)發(fā)生器鎖定相同的10MHz頻率參考。

采用相同頻率參考的方式可以保證頻率相參,但是多信號(hào)發(fā)生器的相位相參性能受限。因?yàn)?不同的信號(hào)發(fā)生器中,采用不同的頻率合成部分,含有分離的內(nèi)部振蕩器,從而造成各個(gè)信號(hào)發(fā)生器的相位噪聲差異,這些噪聲差異非相參。同時(shí),信號(hào)發(fā)生器鎖相環(huán)路中,環(huán)路濾波器的帶寬和跟蹤性能不同,噪聲輸出信號(hào)的相位噪聲被進(jìn)一步放大。

在鎖相環(huán)的帶寬內(nèi),相位噪聲與選定的頻率參考有關(guān),在鎖相環(huán)帶寬外,相位噪聲受到各個(gè)信號(hào)合成器內(nèi)部振蕩器性能的影響,非相干的相位噪聲會(huì)使采用同一參考頻率源的多個(gè)信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)相位噪聲誤差增大。

觸發(fā)和時(shí)鐘也是影響多通道信號(hào)相參的重要因素,采用統(tǒng)一觸發(fā)源來(lái)觸發(fā)多臺(tái)信號(hào)發(fā)生器(BBG)產(chǎn)生信號(hào)是最常用的方法。但如果信號(hào)發(fā)生器之間的時(shí)鐘未能完全同步,即使同時(shí)觸發(fā),也會(huì)出現(xiàn)采樣時(shí)鐘間隔的誤差,如果采樣頻率為50MHz,則出現(xiàn)誤差可能會(huì)達(dá)到20ns。

為了保證通道之間的相干,就需要保證頻率參考、觸發(fā)和時(shí)鐘等多方面的一致性。通過(guò)共用頻率合成部分,來(lái)消除通道間的相位不確定性,雖然頻率合成部分仍然還存在相位漂移和相位噪聲等因素,但這些因素對(duì)每一個(gè)通道的影響都是一致的,故能夠消除誤差。

除了頻率合成部分,還需要保證多通道采用相同的觸發(fā)。對(duì)于時(shí)鐘,可以采用高精度的同一外部時(shí)鐘,也可以采用主從模式,將某一信號(hào)發(fā)生器作為主發(fā)生器,并將其時(shí)鐘分配給其他從發(fā)生器使用。