相位相參，你知道嗎?

2017-08-11 by:CAE仿真在線來源: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,可以理解為多個脈沖或信號之間的確定相位關(guān)系,通過相關(guān)運算,可進行信號檢測,在偵查、識別等領(lǐng)域需要進行相參運算。在這種相參情況下,后續(xù)信號與第一個信號波形保持確定相位關(guān)系,但第一個信號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,多個輸出通道的輸出信號之間,相位關(guān)系確定可控。通過改變信號相位關(guān)系,實現(xiàn)波束合成、定位、測向等目的。

(1)構(gòu)建相參系統(tǒng)的必要性

在多接收機系統(tǒng)(相控陣、無線通信)進行部署之前,需要進行校準并在真實信號環(huán)境中對其性能進行全面的評估,這些測試包括直接暴露在特定位置發(fā)射機的直射信號或折射信號之下。當系統(tǒng)采用一個接收機時,因為信號具有唯一的幅度、相位、頻率以及時間特性,接收機的性能很好評估。但測試多接收天線系統(tǒng)時,首先要求模擬器具備產(chǎn)生和發(fā)送多路不同特性信號(幅度、相位、頻率以及時間特性)的能力。

設(shè)計用于測試多接收機系統(tǒng)的模擬系統(tǒng),必須具備產(chǎn)生多路相位相參信號的能力,通過控制每一路輸出信號的特征,并在測試中注入到每一個被測試天線的射頻或中頻部分。這些測試需要使用合成信號源,即信號源的每一路輸出信號都是經(jīng)過嚴格控制,其相位、幅度、頻率和時間特性都是緊密相干。

多個非相干的信號發(fā)生器無法提供這種服務(wù),因為它們的輸出信號不同而且是非受控的,用于激勵多接收機系統(tǒng)得到的結(jié)果會不準確,如用于雷達系統(tǒng)時,會導致定位失敗以及對目標向量的錯誤計算。

(2)多信道相參信號的產(chǎn)生

進行精確信號模擬的方法就是保證模擬仿真中使用的多臺信號發(fā)生器相位相參,使測試系統(tǒng)中所有信號源所發(fā)送信號的相位相關(guān)性完全受控。

在實際應(yīng)用中,頻率參考、觸發(fā)、采樣時鐘等因素都會影響多通道信號的相參性,甚至連接線纜、信號的頻率以及設(shè)備使用環(huán)境的溫度都會對信號造成影響。因此,在產(chǎn)生多通道相參信號時,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、時鐘等。顯然,高性能的儀器比中低端的儀器更好,因為其能夠保證更低的相位噪聲、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提升特定的性能,如低相位噪聲選件。同時,也可以使用更高性能的外部參考源來提升性能。

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

鎖定頻率參考是最簡單的一種保證相位相參的方法,做法是多臺信號發(fā)生器都鎖定到同一個參考頻率源上,這樣就可以在一定程度上保證多路輸出信號具有相同的頻率變化。如下圖所示,多臺信號發(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,但是多信號發(fā)生器的相位相參性能受限。因為,不同的信號發(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,從而造成各個信號發(fā)生器的相位噪聲差異,這些噪聲差異非相參。同時,信號發(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,噪聲輸出信號的相位噪聲被進一步放大。

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,相位噪聲受到各個信號合成器內(nèi)部振蕩器性能的影響,非相干的相位噪聲會使采用同一參考頻率源的多個信號發(fā)生器輸出信號相位噪聲誤差增大。

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

為了保證通道之間的相干,就需要保證頻率參考、觸發(fā)和時鐘等多方面的一致性。通過共用頻率合成部分,來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,但這些因素對每一個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)。對于時鐘,可以采用高精度的同一外部時鐘,也可以采用主從模式,將某一信號發(fā)生器作為主發(fā)生器,并將其時鐘分配給其他從發(fā)生器使用。