多天线接收分集要求天线间距足够大以使得各天线的接收信号相互独立，为什么天线间距用波长来衡量，物理解释？

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是德科技和您一起探讨多天线相关技术。

无论是在商业应用中，还是在航空航天和国防应用中，大多数无线系统都采用多天线技术。这些技术包括天线分集、MIMO (多路输入多路输出）空间复用、波束赋形或相控阵雷达。工程师采用多天线技术来实现分集，多路复用或天线增益。无线系统可以通过这些增益来提高接收机的稳定度、数据吞吐量和信噪比 (SNR)。

然而，随着天线数量的增加，其测试复杂程度也不断增加。因此，工程师需要生成多个射频信道用于接收机测试，并对发射机测试用到的多个射频信道进行分析。生成和分析多个同步射频信号可能会遇到许多挑战。我们今天会讨论在评测多信道射频系统时对测试信号有什么要求，以及如何配置仪器来满足这些测试要求。

无论您的系统是用于无线通信、雷达侦测还是 EMI/EMC测试，天线都是决定其性能水平的重要因素。本电子书介绍了几个可以帮助您提高天线性能的秘诀。

随着更高吞吐量应用的急剧增长，无线系统需要更宽的带宽。由于分配的频谱有限，工程师必须寻找方法来提高频谱效率。大多数无线通信系统使用多天线技术来增加接收机的稳定度、数据吞吐量和信噪比 (SNR)。我们来看一看其中一些既重要而又常用的多天线技术。

空间分集系统

在无线通信系统中，多径会导致无线信号从两个或更多路径到达接收机的天线。当多径信号到达接收机时，取决于它们的相对相位，它们将进行有益或无益的结合。空间分集，也称为天线分集，为解决信号多径问题提供了一个办法。它使用两个或更多个天线，通过信道切换、信号加权或时延来改善无线链路的质量和可靠性。

图 1(a)显示了一次简单的切换，涉及接收到的射频信号、中频 (IF) 信号或数字基带信号的组合。图 1(b) 显示了最大比率组合图，其中接收信号的幅度在组合之前进行了加权。加权算法设定了增益，以便尽量提高接收机功率或信噪比等指标。图1(c) 显示了接收机侧的一种波束赋形系统，其中使用了数字自动时延均衡器将有时延的信号对准和组合。本文将在后面讨论波束赋形技术。

为了仿真接收机测试的多径信号，您需要一个信号发生器（信号源）和一个多端口射频衰落器来仿真多径场景。另一种办法是使用多个基带信号发生器（如 Keysight PXB 基带发生器和信道仿真器 ）来仿真场景，并使用多个信号发生器把基带多径信号上变频为射频信号。

图1．空间分集技术。

空间多路复用系统

空间多路复用系统也称为 MIMO 系统，它使用多个发射天线和接收天线来利用多径传播。MIMO 系统将数据编码通过信号发射，而后接收机在接收到信号后，能够处理和分拆多径信道，从而恢复原始数据。为了恢复原始数据，MIMO 系统在计算上使用了反向信道属性估计算法。图2显示了一个2 x 2 MIMO 图，其中两个比特被同时发送以使数据吞吐量翻倍。下面是一个简单的公式。

如果可以对无线信道 ( h矩阵 ）进行预估，那么接收机可以通过信号处理来恢复发送信号 ( s1 和 s2）

图2．一个 2x2（两个发射机和两个接收机）MIMO系统。

以上计算的基础是时序对齐的信号，以及使用公共本振来上变频或下变频多信道信号。这种技术加剧了仿真多信道射频信号的测试挑战，因为大多数商用信号发生器拥有单独的基带信号发生器和本振。

使用多天线还有另一个重要功能，即形成一个窄天线波束。相干驱动天线（在天线元件之间会有适当的相位时延）可以形成信号波束。相控阵天线能够使用波束赋形网络 (BFN) 中出现的时延，产生沿特定方向传播的均匀波前。均匀波前可以使一组低方向性的天线在发射或接收应用中表现得像高方向性天线一样。信道之间的相位时延决定了天线方向图，如图3所示。时延则改善了接收机的信噪比并降低了该区域的整体干扰。

图3．相控阵天线通过调整相干天线之间的相位来形成波束。

这三种多天线技术需要精确的基带时序对准和一个分配到多个信道的公共本振，从而能鸲发挥有效作用，增加分集、多路复用或天线增益。但是，这种场景与仿真多信道信号和商用信号发生器不适合。大多数信号发生器都配有独立的基带信号发生器和合成器，适合建立单信道射频系统。所有基带信号发生器必须同步，且在所有信号发生器之间，所有合成器都必须相位相干。

接下来，您将学习如何同步多个基带信号发生器，以确保所有信道能够同时传输信号。

在考虑使用独立仪器的多个信号发生器时，务必要了解基带信号的时序对准。射频矢量信号发生器使用两个任意波形发生器来生成复杂的基带 I/Q 信号。这两个任意波形发生器控制波形段的回放顺序，这些波形段已写入到内部基带信号发生器的存储器中。就像 MP3 播放器将音频文件转换为模拟信号一样，除了构建波形序列之外，您还可以使用发生器来播放、重命名、删除、保存和加载波形文件。它还提供游标、触发、削波和缩放功能。

了解“主机/从机"操作

许多无线应用需要多个激励信号，这些信号必须同步。同步多个仪器需要采用“主机一从机”模式，以一台仪器为“主机"，由其产生触发信号来激活其他“从机"仪器。从机仪器在检测到触发事件后开始产生信号或采集信号。

波形游标

矢量信号发生器提供波形游标，用来标记波形段上的特定点。您可以手动开启特定采样点处的游标，或者将游标文件连同波形文件一起下载到基带信号发生器中。当信号发生器遇到已激活的游标时，会将辅助信号传输到与游标编号（1 到 4）对应的真实面板事件输出端，如图4所示。

图4．表示波形的丨、Q分量和游标点。

辅助输出信号能够同步额外的信号发生器，或者可以作为触发信号来激活测量。通常，通过精细的信道偏斜控制，可以让所有信号发生器或其他仪器实现精确的时间对准，包括电缆和其他附件的影响。

触发时延

线缆连接和外部器件可能影响触发信号到达每个仪器所需的时间。这个影响称为触发时延，您需要考虑到这一点，才能使您的仪器同时进行发送和接收。在主机仪器上使用信道偏斜控制，可以让所有信道实现精确的时间同步。图5显示了两个任意波形发生器及其同步设置。为了消除主机到从机时延的影响，主机产生的信号需要时延。

图5．用来产生时间对准信号的双任意波形发生器（主机和从机）装置。

采样时钟

即使采样时钟的差异非常小，它们也还是会随着时间逐渐累积增大。

图5显示了另一个信号，称为频率参考。当您同步多个基带信号发生器时，请确保您有这个公共的频率参考。在多个发生器之间共享同一频率参考，会使得所有仪器具有相同的采样率。这一点很重要，因为一旦从属发生器接收到触发信号，它们将从下一个采样时钟的上升沿开始播放波形。有了相同的采样时钟，所有仪器可能不会同时开始产生信号，但所有信号会以固定的时间偏移开始。要消除这种时间偏移的话，要进行额外的时序对准。

时序对准

除了采样时钟同步之外，您必须还要确保来自不同基带信号发生器的波形在时间上正确对准。这是因为每个信号的初始相位都是随机的，但在任何给定的波形生成会话期间保持恒定。对准需要对信号进行额外的测量，并且需要调整每个发生器的时延。

例如，Keysight N5182B 矢量信号发生器可以通过设置（如图6所示），对多个基带信号发生器 (BBG) 进行同步。多基带信号发生器 BBG 同步功能提供了一个系统，最多可以同步 16 个信号发生器的波形生成功能，在主机和最后一个从机之间可实现 ±8 ns 的特性值。使用 I/Q 时延调整，可将细微的时延（ ±8 ns ) 进一步降低至皮秒。时延值包括对事件 1 和码型触发器连接器之间传播时延小于 1 ns 的电缆的补偿。使用传播时延较大的电缆可能无法使信号发生器正常同步。此外，您还需要以菊花链方式来连接频率参考。

图6．多个基带同步设置。

更高数据吞吐量的增长推动了对高阶 MIMO 配置和测试信道的需求。随着同步信道的数量增加，仪器之间的线缆连接变得更加复杂，想要实现正确的时间同步可能需要花费大量的时间。模块化仪器建立在标准仪器的基础上，如 PXI、AXIe 和 VXIO 这些仪器可以通过背板总线共享时钟和触发信号。这使得实现同步更加容易，触发事件的可重复性更高，因为测试环境是可控的，线缆连接更简单。

例如，PXI 触发总线由跨越背板连接器的八条触发线组成。触发线（0-7）分为三个触发总线段，插槽编号分别为1-6、7-12和13-18，如图 7 所示。每个触发线段之间的触发路由方向（蓝色箭头）也可以进行配置。

图7．使用是德科技程序库软件进行的 PXI 触发设置。

图8显示了两个PX《机箱，这两个机箱作为 WLAN802.11 ax 测试解决方案部署，完全支持8x8 MIMO.

PXI 背板总线将触发信号传输到目标模块 (Keysight M9421A VXT PXIe 矢量收发信机），用于 8 信道信号生成和分析。该系统充分利用了PXI标准的优势，将机箱的插槽到插槽间触发时间和时钟偏移缩短到几百皮秒。这样可以实现精确的时序同步，无需对 MIMO 收发信机和接收机测试进行调整。

图8．WLAN 802.11 ax 测试解决方案完全支持用两个 PXI 机箱组成 8X8 MIMO 配置。

本文重点介绍天线理论和技术以及天线测量的基础知识。各种天线，包括抛物线反射器、线性阵列、无源和有源电子扫描阵列天线等等，均按照天线测量和测量解决方案介绍。

多天线射频系统采用了一个公共本振，该本振分配给多个信道。为了仿真或分析多天线射频系统，您需要有相同的结构。但是，商用信号发生器采用独立的合成器将中频信号上变频为射频信号。即使采用公共参考时钟，使用商业信号发生器仿真多信道射频系统也可能会出现误差，如相位漂移和不相关的相位噪声。

我们以双信道射频系统为例来看一下。

图9显示了两个信号发生器，其中基带信号发生器已同步且共享一个公共的 10 MHz 时基。信号发生器有独立的振荡器，每个振荡器都有自己的锁相环 ( PLL )，这样会导致相位漂移，如图9右侧所示。在大多数情况下，漂移会控制在发生器合成器的环路带宽和跟踪能力的限制范围内。频率通常位于环路带宽 ( 锁相环 PLL 的环路滤波器）内，此时可以很好地进行跟踪，但高阶响应无法完全跟踪。

此外，每个合成器都有自己的相位噪声性能。不相关的相位噪声会导致参考锁定信号发生器之间出现相位误差。相位噪声会降低信号的调制质量 ( 如误差矢量幅度，EVM），并导致接收机灵敏度下降。

图9．系统方框图显示了两个10 MHz锁定信号发生器测得的相位漂移。

使用高品质的稳定参考和低相位噪声的仪器，可以减小相位漂移和误差。这种“相位稳定"的多信道信号可用于 MIMO 和空间分集等应用。

例如，对于使用 Keysight N5182B 的独立和公共本振，EVM 读数（802.11n 信号）的差异小于 0.1％。信号发生器的相位噪声在这个级别的 EVM 测量中不是一个重要因素。但是，在精密的元器件特性测试中，为了达到最佳性能，可能仍然要采用公共本地振荡器。

触发器和时间同步给测试带来显著改善

要对多信道器件进行有效测试，您必须执行高度同步的多信道信号生成和分析。仪器之间的准确触发有助于确保所有测量都是在正确的时间精确启动。为了简化信道数量较多时的测试同步，可以考虑用模块化的测试系统，将多个仪器精简成一个多信道测试系统。