在大規(guī)模MIMO和相控陣系統(tǒng)中使用SDR簡化天線校準

本文重點介紹了ADI公司軟件定義無線電（SDR）中提供的射頻（RF）鎖相環(huán)（PLL）相位同步功能。此功能有助于降低天線校準的復雜性，特別是對于采用大型天線陣列的系統(tǒng)。用戶指南中提供了同步的控制和配置。相位相干信號

相干性是波的一種屬性，它定義了單個波的物理量中或兩個或多個波之間存在的關系。在電子學中，物理系統(tǒng)處理連續(xù)波和時鐘信號的相位、頻率和幅度。一般而言，如果兩個信號的相位差隨時間保持恒定和穩(wěn)定，則它們就是相位相干的。圖1a顯示了兩個信號隨時間變化的相位。兩個信號表現出相干的相位關系，因為它們之間的相位保持不變。圖1b比較了系統(tǒng)中參考信號在不同上電周期下的起始階段。這里還可以觀察到每次上電的相干相位關系。然而，圖1c給出了一個相位不相干的示例，因為信號在每次上電時都以隨機相位開始。

圖1.隨時間變化的相干和非相干相關系的示例。

多通道和多天線系統(tǒng)中的相位缺陷及其緩解

相控陣和大規(guī)模MIMO系統(tǒng)具有多個天線和多個RF通道。從數字后端到天線陣列，多平面上的相位相干和定時同步是此類系統(tǒng)的主要要求。例如，在中等訪問級別上需要幀同步，在數字接口上需要相干性（例如，確定性延遲），在多個通道的多個轉換器或芯片采樣時需要同步，多個本地振蕩器（LO）之間的相位相干性對于生成射頻至關重要，天線陣列元件之間需要確定性的相位關系。因此，在不同階段保持連貫的關系至關重要。然而，由于實際的實際因素，例如器件間變化、印刷電路板上的走線、元件中的非線性、耦合效應、分頻器比率、硬件老化、時鐘漂移、溫度漂移和本地振蕩器漂移，這是一項具有挑戰(zhàn)性的任務。

如果系統(tǒng)中使用多個RF LO，則LO相位漂移是一個額外的因素，隨多個通道和時間變化。提供不同的架構選項來生成相干RF LO信號。

RF LO分布：LO信號由公共LO產生，然后在系統(tǒng)中分配。由于無線電頻率，這不是一件容易的事。RF損耗和RF耦合使其變得非常困難。

參考時鐘分配：為避免RF損耗，LO信號在本地生成。然而，由于PLL或壓控振蕩器（VCO）的變化，需要額外的努力來同步單獨生成的LO信號。

圖2顯示了基于集成收發(fā)器芯片的多通道和多天線RF子系統(tǒng)架構示例。有一個片內頻率合成器（PLL）和一個用于產生RF LO的VCO。參考時鐘在收發(fā)器芯片外部生成，并分別分配給每個芯片的器件時鐘輸入。參考時鐘的進一步縮放和分配在芯片上完成。在圖2中，顯示了從系統(tǒng)參考時鐘到天線的傳播路徑的細分。路徑可以拆分為不同的段，其中每個段都會產生傳播延遲。傳播延遲的差異會導致相位差的差異，并擾亂系統(tǒng)中的相位相干性。

圖2.多通道和多天線系統(tǒng)中相位缺陷的來源。

采用校準技術來減輕實際缺陷。通過使用校準方法，確定未知因素，然后進行相應的校正。由于相位差異，相控陣和大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中每個RF通道的頻率響應與其他通道不同。此外，它本質上是時間變化的。系統(tǒng)中可以測量的靜態(tài)因子通過工廠校準進行補償。使用初始校準來緩解部署相關因素，這些校準也可以在每次系統(tǒng)啟動時運行。為了減少動態(tài)和時變因素，需要定期進行天線校準。除溫度漂移外，LO相位漂移也是隨多個通道和隨時間變化的動態(tài)因素之一。當這些校準在操作期間執(zhí)行時，它們會消耗寶貴的系統(tǒng)資源，例如時間頻率。因此，會出現一個優(yōu)化問題，即以分配給校準工作的資源最少來最大化系統(tǒng)性能。

使用RF PLL相位同步功能簡化校準

ADRV9009是ADI公司RadioVerse產品組合中一款雙通道、高度集成的SDR。它提供兩個發(fā)射通道和兩個接收通道，分別將數字 IQ 位轉換為 RF 和 RF 轉換為數字 IQ 位。它基于零中頻架構，通過卓越的發(fā)射器和接收器射頻性能將系統(tǒng)功耗降至最低。該器件可支持使用片內功能的完整頻率生成，無需外部元件。有三個片上頻率合成器，RF LO頻率合成器就是其中之一。每個頻率合成器都有一個集成的VCO和一個環(huán)路濾波器。這種高集成度和卓越的性能為在整個支持的頻率范圍內生成頻率提供了高度的靈活性。?

在數字端，ADRV9009采用JESD204B協(xié)議作為執(zhí)行數字數據傳輸的串行接口。2它內置支持使用 JESD SYSREF 信號的多芯片同步。因此，創(chuàng)建大規(guī)模相控陣和大規(guī)模MIMO系統(tǒng)是最佳選擇。

除多芯片同步外，ADRV9009還提供RF PLL同步功能，使內部生成的LO信號具有相位相干并與施加的參考時鐘對齊?；诖斯δ?，可以在大型系統(tǒng)中輕松實現以下功能：

上電時的相位相干性：每個電源周期的恒定、確定性和穩(wěn)定的相位值

運行期間的相位相干性：啟動后跟蹤相位值

多器件之間的相位相干性：進一步支持多芯片同步

校準算法需要數字硬件中的計算和內存資源。例如，這些算法通常在基帶處理鏈中實現，并使用FPGA/DSP資源。此功能間接降低了功耗和系統(tǒng)校準資源。因此，啟用此功能可優(yōu)化整體系統(tǒng)性能和效率。由于校準算法復雜，初始化和達到穩(wěn)定的系統(tǒng)狀態(tài)需要更多的時間。通過在初始化時啟用RF PLL同步功能，可以最大限度地縮短此時間。定期執(zhí)行校準程序，以跟蹤LO相位的漂移，特別是由于溫度引起的漂移。否則，這些漂移會影響多天線系統(tǒng)的波束成形模式。借助RF PLL同步跟蹤功能，可以最大限度地降低校準頻率，同時保持所需的波束成形性能。有四種操作模式可用于控制相位同步功能：

模式 1：禁用片上射頻 PLL 同步功能。

模式 2：僅為初始化啟用射頻 PLL 同步。

模式 3：初始化時執(zhí)行 RF PLL 同步并僅跟蹤一次。

模式4：連續(xù)射頻PLL相位跟蹤。

圖3顯示了在多芯片和多通道環(huán)境中多次上電周期下測量的相位差結果。該測量設置有四個RF通道，使用兩個相同的評估板開發(fā)，其中一個是ADRV9009-W/PCBZ。在矢量網絡分析儀的幫助下，在每個上電周期中測量了發(fā)射器輸出信號之間的相位差變化。

圖3.通過RF PLL相位同步周期進行發(fā)射機輸出相位比較1（射頻調諧頻率 = 1800 MHz）。

測量值為五個上電周期，并在不同工作模式下進行比較。系統(tǒng)在未啟用RF PLL同步功能的情況下啟動?？梢钥闯?，隨著每個上電周期，存在隨機相位關系。啟用RF PLL同步功能后，所有五個相對相位值收斂為±2°容差內的可重復值。啟用連續(xù)跟蹤時，它會保持相對相位值，但會有一些延遲。這種延遲導致相對相位增加1°至2°。因此，可以在圖中觀察到一點變化。利用此功能，可以在確定性容差范圍內實現穩(wěn)定的相位值。這減少了動態(tài)因素的影響，并簡化了系統(tǒng)的整體同步和校準。

結論

ADI公司提供的高級幾代高度集成SDR均提供RF PLL同步功能，包括ADRV9009雙通道收發(fā)器。如果使用此器件構建大型天線陣列系統(tǒng)，則可以利用RF PLL同步功能來簡化天線校準?？筛鶕靡筮x擇不同的操作模式。只需使用軟件 API 函數即可執(zhí)行該功能的控制和配置。ADRV9009用戶指南1提供了有關此功能的功能和用法的更多詳細信息。

審核編輯：郭婷