【實(shí)踐分享】多通道相參信號(hào)測(cè)試，選對(duì)工具很重要！

目前市場(chǎng)上對(duì)多通道相參信號(hào)的測(cè)試需求正快速增長。在無線通信領(lǐng)域，小靈通(PHS)時(shí)代首次提出了智能天線，到如今5G時(shí)代，天線陣列的規(guī)模更加龐大。在汽車?yán)走_(dá)領(lǐng)域，利用多通道接收機(jī)實(shí)現(xiàn)到達(dá)角估計(jì)，部分廠商還開始采用多通道發(fā)射機(jī)進(jìn)一步擴(kuò)展覆蓋范圍。

如何高效分析這些復(fù)雜的相參信號(hào)呢？

示波器 或許是答案！

示波器憑借其天然的多通道同步分析能力，為測(cè)試提供了極大便利。而像 RTO6這樣的高端示波器更是錦上添花：它不僅實(shí)現(xiàn)了4通道同步，還提供高級(jí)頻譜分析、自定義濾波器等功能，讓復(fù)雜的射頻信號(hào)分析更加輕松高效。

本文主要分為兩個(gè)部分，第一部分先使用雙通道信號(hào)源SMW200A來生成Chirp信號(hào)，模擬雙通道ADAS雷達(dá)發(fā)射機(jī)的中頻信號(hào)，然后用RTO6示波器對(duì)其進(jìn)行相位差測(cè)試，幫助客戶驗(yàn)證實(shí)測(cè)相位差是否與雷達(dá)發(fā)射機(jī)的設(shè)定值一致。第二部分，本文會(huì)把示波器的2個(gè)通道接上天線陣，并對(duì)空中的CW信號(hào)進(jìn)行測(cè)向，實(shí)現(xiàn)類似于雷達(dá)接收機(jī)中到達(dá)角估計(jì)的效果。

01

雙通道Chirp信號(hào)測(cè)試

首先，你需要先用SMW200A生成Chirp信號(hào)?？梢允褂肁RBtoolbox在電腦上編輯和生成Pulse類型的Chirp信號(hào)。根據(jù)向?qū)崾静僮骱髸?huì)得到一個(gè)*.wv文件。

把這個(gè)wv文件用U盤導(dǎo)入SMW。SMW的兩個(gè)Baseband都要讀取同一個(gè)波形文件。Baseband A的Trigger In模式設(shè)置為Auto，Baseband B的Trigger In模式設(shè)為Retrigger，源設(shè)置為Internal(Baseband A)。在I/Q Stream Mapper中RF A和RF B分別選擇為Stream A和Stream B，然后就可以設(shè)定兩個(gè)通道間的Phase offset。

在這部分中，我們把兩路射頻信號(hào)的中心頻率都設(shè)置為2GHz。

接下來把SMW的兩個(gè)射頻口通過ZA17連接線和SMA轉(zhuǎn)BNC接口連到示波器的通道1和通道3。

在示波器上，需要確保所使用的通道已經(jīng)設(shè)置為50歐。

再設(shè)定負(fù)脈寬觸發(fā)即可穩(wěn)定觀察雷達(dá)中頻信號(hào)。

然后，我們可以使用FFT先看一下信號(hào)的頻譜幅度。

同理，我們也可以用FFT觀察信號(hào)的相位。

要觀察相位，建議刻度中選擇展開，并設(shè)置抑制（噪聲）。

在所有通道都完成同樣的設(shè)置后，即可用數(shù)學(xué)運(yùn)算求出相位差。

上圖中M8就是相位差（橫坐標(biāo)為1.9GHz~2.1GHz部分），它與SMW中I/Q Stream Mapper中的Phase Offset是對(duì)應(yīng)的。它給出了兩路射頻通道上的Chirp信號(hào)在不同頻點(diǎn)上的相位差。

如果調(diào)節(jié)SMW中的Phase Offset，則M8中的相位差就會(huì)相應(yīng)變化。

下面解釋一下為什么要展開相位差，因?yàn)閷?duì)于正弦波，單路信號(hào)的相位是在不斷增長的，如果不選擇展開，則相位增長到180度后又會(huì)變到-180度，這樣兩個(gè)通道的相位相減時(shí)，由于相位差的存在，可能會(huì)有一個(gè)突變（如下圖所示）。我們選擇展開后，相位不會(huì)突變，此時(shí)再把相位作差就是我們預(yù)期地穩(wěn)定圖形。

02

空中CW信號(hào)測(cè)向

接下來，我們要把示波器作為一個(gè)簡(jiǎn)易的無線電測(cè)向機(jī)，測(cè)出從空中接收到的信號(hào)的方向。

我們會(huì)把RTO6示波器的2個(gè)通道接到一個(gè)天線陣列上。

繼續(xù)使用SMW200A作為信號(hào)源，設(shè)定其中一個(gè)通道發(fā)射CW信號(hào)，中心頻率為1.3GHz，功率是-10dBm，并把這個(gè)通道接上發(fā)射天線。

空中的信號(hào)多種多樣，包含Wi-Fi、手機(jī)信號(hào)、廣播電臺(tái)等等。

一般的無線電接收機(jī)都會(huì)有硬件濾波器，按頻率過濾出我們關(guān)心的信號(hào)。但示波器是一個(gè)寬帶接收機(jī)，它會(huì)接收從0Hz起到最大帶寬的所有信號(hào)。因此，我們要用數(shù)學(xué)運(yùn)算的方式設(shè)定一個(gè)帶通濾波器。

你可以使用Matlab的Filter Designer實(shí)現(xiàn)。

或者也可以用python和scipy庫來實(shí)現(xiàn)。本文選擇后者，下圖是python生成的濾波器的頻率響應(yīng)。

無論你用何種方式，需要設(shè)定的主要參數(shù)是最高截止頻率和最低截止頻率（比如，1320MHz和1280MHz），另外還要輸入你的示波器當(dāng)前采樣率。對(duì)于RTO6，4個(gè)通道全開時(shí)最高采樣率是10GSa/s，因此我們?cè)O(shè)置為10e9。有了濾波器數(shù)據(jù)文件(*.csv)后，我們就可以開始在示波器上導(dǎo)入這個(gè)文件。

與第一部分實(shí)驗(yàn)類似，所有通道都要設(shè)置為50歐耦合。

用Math對(duì)每個(gè)通道分別設(shè)置自定義帶通濾波器。

設(shè)置完帶通濾波器后，我們?cè)俅斡肍FT觀察頻譜幅度，現(xiàn)在頻譜上只有我們關(guān)心的信號(hào)了。

由于帶通濾波通過示波器Math功能實(shí)現(xiàn)，我們要觀察Math信號(hào)的頻譜，還需要進(jìn)一步編輯自定義公式。比如上圖中，公式FFTMag(Math1)就是觀察Math1對(duì)應(yīng)的頻譜幅度。

除了頻譜外，我們也可以在時(shí)域上觀察兩個(gè)通道經(jīng)過Math運(yùn)算后的波形，發(fā)現(xiàn)它們現(xiàn)在是純凈的正弦波了。

現(xiàn)在的目標(biāo)信號(hào)是窄帶信號(hào)，因此除了類似第一部分中的FFT相位外，我們也可以直接用測(cè)量功能得到相位差?？梢杂^察到下圖Zoom窗口中的兩個(gè)通道上的正弦波有細(xì)微的相位差并體現(xiàn)在屏幕底部的測(cè)量值上。

除了得到某一時(shí)刻的相位差外，我們還可以開啟跟蹤，描繪相位與時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

此時(shí)，如果移動(dòng)發(fā)射機(jī)位置，你已經(jīng)可以看到這根紫色線的高度會(huì)跟隨發(fā)射機(jī)位置變化。

但我們不會(huì)止步于此，下面教你如何用示波器的XY模式來直接顯示測(cè)向結(jié)果，最終實(shí)現(xiàn)類似雷達(dá)屏幕的效果。

對(duì)于線陣，假設(shè)入射的無線電波（紅色）到達(dá)天線陣元（綠色）時(shí)已經(jīng)是平面波（藍(lán)色），由于經(jīng)過的距離不同，會(huì)產(chǎn)生波程差（ ），會(huì)形成時(shí)間差( ），最終會(huì)導(dǎo)致相位差。根據(jù)相位、頻率和時(shí)間的關(guān)系式 和波長、光速、頻率的關(guān)系式可推得，此相位差與到達(dá)角 對(duì)應(yīng)關(guān)系是：相位差= （單位弧度）其中d是天線間距， 是波長，我們的天線間距正好選取為波長的0.33倍。另外，示波器上的相位差用角度顯示。因此，相位差公式轉(zhuǎn)化為2*180*0.33* （單位角度）所以到達(dá)角 就是arcsin(Track1/118.8)。其中，Track1代表相位差。

假設(shè)我們的測(cè)向結(jié)果圖是一個(gè)單位圓，到達(dá)角從右側(cè)坐標(biāo)軸起作為0度，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)作為正方向，則描繪目標(biāo)方向的像素點(diǎn)的x軸坐標(biāo)值應(yīng)該是1*cos(到達(dá)角)，而y軸坐標(biāo)值應(yīng)該是1*sin(到達(dá)角)

因此，我們可以開啟兩個(gè)新的運(yùn)算M7和M8，作為x軸和y軸。

最終得到像上圖這樣的XY窗口。

由于我們暫時(shí)只用了2根天線，只能做成線陣，因此只能測(cè)出-90度~90度的方向，相位差為正時(shí)在右上方，相位差為負(fù)時(shí)在右下方。如果使用更多的示波器通道，就能測(cè)出整個(gè)360度范圍內(nèi)的角度。

結(jié)語

本文介紹了在無線通信（如5G天線陣列）和汽車?yán)走_(dá)領(lǐng)域中，使用 高端示波器（如RTO6）進(jìn)行多通道相參信號(hào)測(cè)試 的重要性和優(yōu)勢(shì)。通過兩個(gè)實(shí)驗(yàn)示例（雙通道Chirp信號(hào)測(cè)試和空中CW信號(hào)測(cè)向），展示了示波器的多通道同步分析能力和高級(jí)頻譜分析功能，幫助實(shí)現(xiàn)高效和精確的信號(hào)測(cè)試和測(cè)量。