随着高吞吐量应用数量的增长，无线系统对更宽带宽和网络覆盖范围的需求也在增长。鉴于频谱分配有限，无线通信工程师必须寻找提高频谱效率和系统信噪比 (SNR) 的方法。多输入多输出 (MIMO) 和波束成形可以帮助 RF 设计人员实现分集、复用和
天线增益，从而提高频谱效率和 SNR。
测试多天线系统需要一个能够提供多个信号以及信号之间恒定相位关系的测试系统。本文概述了相位相干性及其重要性。它还提供了生成相位相干信号的策略。
什么是相位相干性？
如果两个信号始终具有恒定的相对相位，则它们是相干的。图 1a显示了两个具有相位方差的非相干信号，图 1b显示了具有固定相位偏移的相干信号。当同时存在时，信号将根据它们的相对相位进行建设性或破坏性的组合。
在表征相控阵天线等多通道组件的情况下，需要控制通道之间的相位角关系（图 1c）。对于数字调制信号，相位相干性表示基带发生器之间的定时同步和射频载波之间的相位相干性（图 1d）。同样，雷达脉冲需要的脉冲突发定时来模拟适当的空间延迟（图 1e）。
图 1两个信号之间的相位关系，包括 (a) 非相干、(b) 相干、(c) 可控相位关系、(d) 可配置调制和 (e) 可触发脉冲。是德科技
为什么相位相干性很重要
大多数无线系统，无论是商业应用还是航空航天和国防领域，都在接收器、发射器或两者上使用多天线技术来提高整体系统性能。这些技术包括空间分集、空间复用和波束成形。工程师使用多天线技术来实现分集、复用或天线增益。通过这些增益，无线系统可以提高接收器的数据吞吐量和信噪比。
空间多样性
当多径信号到达接收器时，它们会根据其相对相位进行建设性或破坏性组合。使用两个或更多天线可以提高无线链路的质量和可靠性。这可以通过信道切换、信号加权、时间延迟或发射分集来实现。
无论如何，空间分集的目标是为无线电信号提供到达接收器天线的多条路径。图 2说明并非所有方法都需要在接收侧使用多个天线。
图 2用于接收机分集和发射机分集的空间分集技术，包括 (a) 信道切换、(b) 信号加权、(c) 时间延迟和 (d) 发射分集。是德科技
空间复用
系统将传输的数据分成多个编码数据流。然后，它通过不同的天线在同一无线电信道上同时传输所有数据流。为了在接收器处恢复原始数据，MIMO 系统使用计算逆信道属性估计算法。为了模拟 MIMO 多径信号以进行空间复用性能测试，需要多个信号发生器和信道模拟器。它们模拟多径场景并注入加性高斯白噪声 (AWGN) 以模拟所需的 SNR。
空间复用是MIMO系统的一种传输技术。系统将传输的数据分成多个编码数据流。它通过不同的天线在同一无线电信道上同时传输所有数据流。为了在接收器处恢复原始数据，MIMO 系统使用计算逆信道属性估计算法。
图 3表示 2×2（两个发射器和两个接收器）MIMO 图，其中两个符号（b1 和 b2）同时传输，数据吞吐量翻倍。
图 3 2×2 MIMO 系统图，其中两个符号（b1 和 b2）同时传输，数据吞吐量翻倍。是德科技
公式 1中显示了一个简单的公式：
其中 r 是接收信号，s 是源信号，h 是无线信道响应。
接收器可以使用训练序列算法执行信道估计（上面的 h 矩阵）。可以使用公式2中的公式通过信号处理来恢复发射信号（s1 和 s2） ：
公式 2 中的计算使用时序对齐信号和公共本地
振荡器 (LO) 来上
变频和下变频多通道信号。该技术增加了模拟多通道 RF 信号和通道矩阵的测试挑战，因为大多数商用信号发生器都具有单独的基带发生器和 LO。为了模拟 MIMO 多径信号以进行空间复用性能测试，需要多个信号发生器和信道模拟器。它们模拟多径场景并注入 AWGN 来模拟所需的 SNR。
天线阵列——波束成形
天线阵列是一组用于发射或接收信号的天线元件。天线元件之间具有适当相位延迟的相干驱动天线可以形成信号波束。均匀的波前允许一组低方向性天线元件表现得像高方向性天线。通道之间的相位延迟终决定天线方向图，如图 4所示。
图 4相控阵天线通过调整相干天线之间的相位来形成波束。是德科技
当半波长间隔的天线元件数量增加时，天线波束宽度变得更窄。通过对每个天线处的信号应用 90 度相移，可以改变波束的方向。当元件之间的相移以不同的量变化时，光束可以在一定范围的方向上转向。为了模拟此类多通道信号，需要控制发射机和接收机测试的通道之间的相位差。
生成多个相位相干信号
测试多天线系统（例如空间分集、空间复用和天线阵列）需要一个能够提供多个信号且信号之间具有稳定相位关系的测试系统。然而，商用信号发生器具有独立的合成器，用于将中频 (IF) 信号上变频为 RF 信号。为了模拟多通道测试信号，测试信号之间的相位必须一致且可控。让我们探索生成多通道信号的不同策略并评估这些策略的优缺点。
独立和共享本地振荡器
在信号发生器之间实现一定程度的相位稳定性的简单方法是使用两个带有同步基带发生器、触发信号和公共 10 MHz 频率参考的信号发生器。使用其他信号发生器共享的独立 LO 可防止由具有自己的锁相环的机器引起的相位漂移。相位噪声是共享 LO 有帮助的另一个因素。通过使用高质量、稳定的基准和低相位噪声的仪器可以改善相位漂移和相位误差。
或者，如果没有独立的 LO，多台机器可以共享一个信号发生器的内部 LO。图 5显示了为相位相干测试系统设置的两个 Keysight MXG N5182B 矢量信号发生器。系统采用顶部信号发生器的 LO，将其分离，并将其用作两个信号发生器的 LO 输入（参见红线）。通过这种配置，两个信号发生器的射频路径完全相干。完全相干的配置出现在图5的左侧，而右侧显示两个信号发生器之间的相位差小于1度。
图 5具有公共 LO 的两个相位相干 RF 通道的设置。完全相干配置（左）和两个信号发生器之间的相位差小于 1 度（右）。是德科技
当使用共享 LO 时，仪器通道之间仍然会遇到一些静态时间和相位偏差。
电缆长度和连接器会导致静态时间和相位变化。延迟和相移使通道之间的相位关系产生偏差。需要对这些偏移进行校正，以确保测量的差异来自被测设备而不是来自测试系统。
直接数字合成
直接数字合成 (DDS) 通过生成数字形式的时变信号然后执行数模转换来生成模拟波形。DDS 架构提供了实现低相位噪声、快速频率切换速度和极精细频率调谐分辨率的途径。
DDS 在每个频率的输出之间保持固定的相位关系。同步需要使用公共参考时钟进行初始时钟对齐。对相位累加器的同步复位实现了相位对齐。此重置可应用于每次频率更新。相位的同步重置为每个通道产生固定且可重复的相位关系。
生成相位相干和相位稳定信号
随着多天线技术的成熟以及对分集、复用和天线增益的需求的增长，测试系统需要紧密对齐的通道来进行准确的测试。执行特性测试时，必须准确地重新创建操作环境。为了实现这一目标，信号的创建方式必须能够连贯地组合起来以模拟其现实世界的行为。
针对各种多天线测试应用和要求，可以采用不同的策略来生成相位相干或相位稳定信号。始终努力减少各种策略可能导致的错误。此外，确保
测试仪器对于波束赋形和相控阵天线等测试应用而言是相位相干且相位可控的。
