在大规模MIMO和相控阵系统中使用SDR简化天线校准

本文重点介绍了ADI公司软件定义无线电（SDR）中提供的射频（RF）锁相环（PLL）相位同步功能。此功能有助于降低天线校准的复杂性，特别是对于采用大型天线阵列的系统。用户指南中提供了同步的控制和配置。相位相干信号

相干性是波的一种属性，它定义了单个波的物理量中或两个或多个波之间存在的关系。在电子学中，物理系统处理连续波和时钟信号的相位、频率和幅度。一般而言，如果两个信号的相位差随时间保持恒定和稳定，则它们就是相位相干的。图1a显示了两个信号随时间变化的相位。两个信号表现出相干的相位关系，因为它们之间的相位保持不变。图1b比较了系统中参考信号在不同上电周期下的起始阶段。这里还可以观察到每次上电的相干相位关系。然而，图1c给出了一个相位不相干的示例，因为信号在每次上电时都以随机相位开始。

图1.随时间变化的相干和非相干相关系的示例。

多通道和多天线系统中的相位缺陷及其缓解

相控阵和大规模MIMO系统具有多个天线和多个RF通道。从数字后端到天线阵列，多平面上的相位相干和定时同步是此类系统的主要要求。例如，在中等访问级别上需要帧同步，在数字接口上需要相干性（例如，确定性延迟），在多个通道的多个转换器或芯片采样时需要同步，多个本地振荡器（LO）之间的相位相干性对于生成射频至关重要，天线阵列元件之间需要确定性的相位关系。因此，在不同阶段保持连贯的关系至关重要。然而，由于实际的实际因素，例如器件间变化、印刷电路板上的走线、元件中的非线性、耦合效应、分频器比率、硬件老化、时钟漂移、温度漂移和本地振荡器漂移，这是一项具有挑战性的任务。

如果系统中使用多个RF LO，则LO相位漂移是一个额外的因素，随多个通道和时间变化。提供不同的架构选项来生成相干RF LO信号。

RF LO分布：LO信号由公共LO产生，然后在系统中分配。由于无线电频率，这不是一件容易的事。RF损耗和RF耦合使其变得非常困难。

参考时钟分配：为避免RF损耗，LO信号在本地生成。然而，由于PLL或压控振荡器（VCO）的变化，需要额外的努力来同步单独生成的LO信号。

图2显示了基于集成收发器芯片的多通道和多天线RF子系统架构示例。有一个片内频率合成器（PLL）和一个用于产生RF LO的VCO。参考时钟在收发器芯片外部生成，并分别分配给每个芯片的器件时钟输入。参考时钟的进一步缩放和分配在芯片上完成。在图2中，显示了从系统参考时钟到天线的传播路径的细分。路径可以拆分为不同的段，其中每个段都会产生传播延迟。传播延迟的差异会导致相位差的差异，并扰乱系统中的相位相干性。

图2.多通道和多天线系统中相位缺陷的来源。

采用校准技术来减轻实际缺陷。通过使用校准方法，确定未知因素，然后进行相应的校正。由于相位差异，相控阵和大规模MIMO系统中每个RF通道的频率响应与其他通道不同。此外，它本质上是时间变化的。系统中可以测量的静态因子通过工厂校准进行补偿。使用初始校准来缓解部署相关因素，这些校准也可以在每次系统启动时运行。为了减少动态和时变因素，需要定期进行天线校准。除温度漂移外，LO相位漂移也是随多个通道和随时间变化的动态因素之一。当这些校准在操作期间执行时，它们会消耗宝贵的系统资源，例如时间频率。因此，会出现一个优化问题，即以分配给校准工作的资源最少来最大化系统性能。

使用RF PLL相位同步功能简化校准

ADRV9009是ADI公司RadioVerse产品组合中一款双通道、高度集成的SDR。它提供两个发射通道和两个接收通道，分别将数字 IQ 位转换为 RF 和 RF 转换为数字 IQ 位。它基于零中频架构，通过卓越的发射器和接收器射频性能将系统功耗降至最低。该器件可支持使用片内功能的完整频率生成，无需外部元件。有三个片上频率合成器，RF LO频率合成器就是其中之一。每个频率合成器都有一个集成的VCO和一个环路滤波器。这种高集成度和卓越的性能为在整个支持的频率范围内生成频率提供了高度的灵活性。®

在数字端，ADRV9009采用JESD204B协议作为执行数字数据传输的串行接口。2它内置支持使用 JESD SYSREF 信号的多芯片同步。因此，创建大规模相控阵和大规模MIMO系统是最佳选择。

除多芯片同步外，ADRV9009还提供RF PLL同步功能，使内部生成的LO信号具有相位相干并与施加的参考时钟对齐。基于此功能，可以在大型系统中轻松实现以下功能：

上电时的相位相干性：每个电源周期的恒定、确定性和稳定的相位值

运行期间的相位相干性：启动后跟踪相位值

多器件之间的相位相干性：进一步支持多芯片同步

校准算法需要数字硬件中的计算和内存资源。例如，这些算法通常在基带处理链中实现，并使用FPGA/DSP资源。此功能间接降低了功耗和系统校准资源。因此，启用此功能可优化整体系统性能和效率。由于校准算法复杂，初始化和达到稳定的系统状态需要更多的时间。通过在初始化时启用RF PLL同步功能，可以最大限度地缩短此时间。定期执行校准程序，以跟踪LO相位的漂移，特别是由于温度引起的漂移。否则，这些漂移会影响多天线系统的波束成形模式。借助RF PLL同步跟踪功能，可以最大限度地降低校准频率，同时保持所需的波束成形性能。有四种操作模式可用于控制相位同步功能：

模式 1：禁用片上射频 PLL 同步功能。

模式 2：仅为初始化启用射频 PLL 同步。

模式 3：初始化时执行 RF PLL 同步并仅跟踪一次。

模式4：连续射频PLL相位跟踪。

图3显示了在多芯片和多通道环境中多次上电周期下测量的相位差结果。该测量设置有四个RF通道，使用两个相同的评估板开发，其中一个是ADRV9009-W/PCBZ。在矢量网络分析仪的帮助下，在每个上电周期中测量了发射器输出信号之间的相位差变化。

图3.通过RF PLL相位同步周期进行发射机输出相位比较1（射频调谐频率 = 1800 MHz）。

测量值为五个上电周期，并在不同工作模式下进行比较。系统在未启用RF PLL同步功能的情况下启动。可以看出，随着每个上电周期，存在随机相位关系。启用RF PLL同步功能后，所有五个相对相位值收敛为±2°容差内的可重复值。启用连续跟踪时，它会保持相对相位值，但会有一些延迟。这种延迟导致相对相位增加1°至2°。因此，可以在图中观察到一点变化。利用此功能，可以在确定性容差范围内实现稳定的相位值。这减少了动态因素的影响，并简化了系统的整体同步和校准。

结论

ADI公司提供的高级几代高度集成SDR均提供RF PLL同步功能，包括ADRV9009双通道收发器。如果使用此器件构建大型天线阵列系统，则可以利用RF PLL同步功能来简化天线校准。可根据应用要求选择不同的操作模式。只需使用软件 API 函数即可执行该功能的控制和配置。ADRV9009用户指南1提供了有关此功能的功能和用法的更多详细信息。

审核编辑：郭婷