以具有RF PLL同步特性的SDR簡化天線校準

作者 : Danish Aziz,ADI現場應用工程師

本文介紹如何在大規模MIMO和相位陣列系統中使用具有RF PLL相位同步特性的SDR簡化天線校準...

本文著重介紹軟體定義無線電(SDR)中的射頻(RF)鎖相迴路(PLL)相位同步特性。這個功能有助於降低天線校準的複雜性,特別是對於採用大型天線陣列的系統。

相位同調訊號

相位同調性是波的一種特性,定義了單個波或兩個或多個波之間的物理量中存在的關係。在電子學中,物理系統處理連續波和時脈訊號的相位、頻率和振幅。一般來說,隨著時間流逝,如果兩個訊號之間的差別始終保持恆定不變和穩定,那麼這兩個訊號就是相位同調的。

1a顯示隨著時間不斷流逝,兩個訊號的相位。這兩個訊號表現出同調相位關係,因為它們之間的相位保持不變。1b比較了系統中的基準訊號在不同上電週期中的初始相位。從這個圖中,還可以看出在每次上電後,兩個訊號之間的同調相位關係。但是,在1c所示的示例中,相位是不同調的,因為在每次上電後,訊號都以隨機相位作為開始。

Figure 1. Examples of coherent and incoherent phase relationships over time.

1:相位同調關係和不同調相位關係示例。

多通道和多天線系統的相位缺陷和消除

相位陣列和大規模MIMO系統具有多個天線和多個RF通道。從數位後端到天線陣列,在多平面上保持相位同調和時序同步,這是這類系統的主要要求。例如,在介質存取級別需要訊框同步,數位介面需要同調性(例如,確定性延遲),在多個轉換器或晶片對多個通道進行採樣時需要同步,要產生RF,需要多個本地振盪器(LO)之間相位同調,以及需要天線陣列的各元件之間保持確定性相位關係。因此,在不同階段保持同調關係非常重要。但是,因為一些現實因素,這一任務非常具有挑戰性,例如元件與元件之間的差異、印刷電路板(PCB)上的線路、元件之間的非線性、耦合效應、分頻器比率、硬體老化、時脈漂移、溫度漂移,以及本地振盪器漂移。

如果一個系統中使用多個RF本地振盪器,還需要注意本地振盪器相位漂移會隨通道和時間的變化而變化。使用不同的架構可以產生同調的RF LO訊號。

RF LO分佈:LO訊號由一個共同的LO產生,然後分佈在系統中。但因為頻率較高,這進行起來並不簡單,損耗和RF耦合使其變得相當困難。

參考時脈分佈:為了避免RF損耗,會在本地產生LO訊號。但是,由於PLL或壓控振盪器(VCO)之間存在差異,要同步單一產生的LO訊號,還需要付出更多努力。

2顯示了一個多通道和多天線RF子系統架構示例,該架構是基於整合式收發器晶片。其中包括一個晶片上頻率合成器(一個PLL)和一個VCO,用於產生RFLO。參考時脈在收發器晶片外部產生,然後分別分配給每個晶片的元件時脈輸入。在晶片上完成對參考時脈的進一步擴展和分配。2分解顯示從系統參考時脈到天線的傳輸路徑。該路徑可以分為不同的頻段,每個頻段都造成傳輸延遲。傳輸延遲的變化會引起系統相位差的變化,從而影響系統的相位同調性。

Figure 2. Sources of phase imperfections in a multichannel and multi-antenna system.

2:多通道和多天線系統中的相位缺陷來源。

採用校準技術來消除這種真實缺陷。透過使用校準方法,我們確定未知因素,然後加以校正。在相位陣列和大規模MIMO系統中,由於相位差的存在,各個RF通道的頻率回應各不相同。此外,它本質上是隨時間變化的。透過出廠校準,可以補償系統中可以測量的靜態因素。使用初始校準,可以消除與部署相關的因素,在系統每次啟動時,也可以運行這種校準。為了消除動態和時變因素的影響,需要定期對天線進行校準。除了溫度漂移外,LO相位漂移也是這樣一個動態因素,會隨通道和時間變化。如果在運行期間執行這些校準,它們會消耗寶貴的系統資源,例如時間頻率。因此,產生了一個優化問題:用最少的資源進行校準,以最大化系統性能。

使用RF PLL相位同步特性簡化校準

採用ADI RadioVerse產品系列中的ADRV9009 雙通道、高度整合的軟體定義無線電是。它提供兩個發射和兩個接收通道,分別將數位IQ位元轉換為RF和將RF轉換為數位IQ位元。它基於零中頻架構,該架構能夠大幅降低系統功耗,並提供卓越的發射機和接收機RF性能。此元件可在不使用外部元件的情況下,使用晶片上功能產生完整頻率。其中包括三個晶片上頻率合成器,RF LO合成器為其中之一。每個合成器都有一個整合式VCO和一個迴路濾波器。在整個受支援的頻率範圍內產生頻率時,這種高度整合和卓越性能能提供很高的彈性。

在數位端,ADRV9009採用JESD204B協定作為執行數位資料傳輸的序列介面。它利用JESD SYSREF訊號,從內部支援多晶片同步。因此,可以創建大規模相位陣列和大規模MIMO系統。

除了多晶片同步,ADRV9009還提供RF PLL同步特性,使內部產生的LO訊號具有相位同調性,且與採用的參考時脈一致。基於這個特性,可在大規模系統中輕鬆實現以下這些功能:

  • 上電時相位同調:在每個上電週期,實現恆定不變、確定性和穩定的相位值。
  • 運行期間相位同調:在啟動之後追蹤相位值。
  • 多元件之間相位同調:進一步支援多晶片同步。

校準演算法需要佔用數位硬體中的計算和記憶體資源。例如,演算法通常在基頻處理鏈中實現,並利用FPGA/DSP資源。這個特性間接降低了系統校準所用的功耗和資源。因此,啟用該特性可以優化整個系統的性能和效率。因為複雜的校準演算法,系統從啟動到達到穩定狀態需要更長的時間。可以透過在啟動時啟用RF PLL同步特性來大幅縮短這個時間。會定期執行校準程式,以追蹤LO相位中的漂移,尤其是溫度導致的漂移。否則,這些漂移會影響多天線系統的波束成型模式。借助RF PLL同步追蹤特性,可以最小化校準頻率,同時保持所需的波束成型性能。可以使用四種模式來控制相位同步特性:

  • 模式1:禁用晶片上RF PLL同步特性。
  • 模式2:啟用RF PLL同步,僅用於初始化。
  • 模式3:在初始化時執行RF PLL同步,僅進行一次追蹤。
  • 模式4:連續追蹤RF PLL相位。

3顯示在多晶片和多通道環境下,在多次上電時測量得出的相位差結果。測量設定使用兩個完全相同的評估板產生4個RF通道,其中一個是 ADRV9009-W/PCBZ。利用向量網路分析儀,測量每個上電週期中發射機輸出訊號之間的相位差的變化。

Figure 3. Transmitter output phase comparison through RF PLL phase synchronization cycle1 (RF tune frequency = 1800 MHz).

3:透過RF PLL相位同步週期,進行發射機輸出相位比較(RF調諧頻率 = 1800MHz)

測量五次上電週期的值,並在不同運行模式下比較這些值。啟動系統時,未啟用RF PLL同步特性。可以看出,在每個上電週期,相位都是隨機的。在啟用RF PLL同步特性之後,所有5個相關相位值轉換為公差為±2°的可重複值。啟動連續追蹤之後,它以一定的延遲來保持該相關相位值。這種延遲導致相關相位增大1°至2°。所以,從圖中可以看到少量漂移。利用此特性,可以在確定性公差內實現穩定的相位值。這會降低動態因素帶來的影響,並簡化系統的整個同步和校準過程。

結論

使用先進的高度整合式軟體定義無線電(如ADRV9009雙通道收發器)建構大型天線陣列系統,可以透過其RF PLL同步特性來簡化天線校準,並可根據應用要求提供各種運行模式,以及使用軟體API功能來輕鬆控制和配置該特性。

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