【實(shí)踐分享】多通道相參信號測試，選對工具很重要！

目前市場(chǎng)上對多通道相參信號的測試需求正快速增長(cháng)。在無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域，小靈通(PHS)時(shí)代首次提出了智能天線(xiàn)，到如今5G時(shí)代，天線(xiàn)陣列的規模更加龐大。在汽車(chē)雷達領(lǐng)域，利用多通道接收機實(shí)現到達角估計，部分廠(chǎng)商還開(kāi)始采用多通道發(fā)射機進(jìn)一步擴展覆蓋范圍。

如何高效分析這些復雜的相參信號呢？

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)現了4通道同步，還提供高級頻譜分析、自定義濾波器等功能，讓復雜的射頻信號分析更加輕松高效。

本文主要分為兩個(gè)部分，第一部分先使用雙通道信號源SMW200A來(lái)生成Chirp信號，模擬雙通道ADAS雷達發(fā)射機的中頻信號，然后用RTO6示波器對其進(jìn)行相位差測試，幫助客戶(hù)驗證實(shí)測相位差是否與雷達發(fā)射機的設定值一致。第二部分，本文會(huì )把示波器的2個(gè)通道接上天線(xiàn)陣，并對空中的CW信號進(jìn)行測向，實(shí)現類(lèi)似于雷達接收機中到達角估計的效果。

01

雙通道Chirp信號測試

首先，你需要先用SMW200A生成Chirp信號?？梢允褂肁RBtoolbox在電腦上編輯和生成Pulse類(lèi)型的Chirp信號。根據向導提示操作后會(huì )得到一個(gè)*.wv文件。

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

在這部分中，我們把兩路射頻信號的中心頻率都設置為2GHz。

接下來(lái)把SMW的兩個(gè)射頻口通過(guò)ZA17連接線(xiàn)和SMA轉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)設置為50歐。

再設定負脈寬觸發(fā)即可穩定觀(guān)察雷達中頻信號。

然后，我們可以使用FFT先看一下信號的頻譜幅度。

同理，我們也可以用FFT觀(guān)察信號的相位。

要觀(guān)察相位，建議刻度中選擇展開(kāi)，并設置抑制（噪聲）。

在所有通道都完成同樣的設置后，即可用數學(xué)運算求出相位差。

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

如果調節SMW中的Phase Offset，則M8中的相位差就會(huì )相應變化。

下面解釋一下為什么要展開(kāi)相位差，因為對于正弦波，單路信號的相位是在不斷增長(cháng)的，如果不選擇展開(kāi)，則相位增長(cháng)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(kāi)后，相位不會(huì )突變，此時(shí)再把相位作差就是我們預期地穩定圖形。

02

空中CW信號測向

接下來(lái)，我們要把示波器作為一個(gè)簡(jiǎn)易的無(wú)線(xiàn)電測向機，測出從空中接收到的信號的方向。

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

繼續使用SMW200A作為信號源，設定其中一個(gè)通道發(fā)射CW信號，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(xiàn)。

空中的信號多種多樣，包含Wi-Fi、手機信號、廣播電臺等等。

一般的無(wú)線(xiàn)電接收機都會(huì )有硬件濾波器，按頻率過(guò)濾出我們關(guān)心的信號。但示波器是一個(gè)寬帶接收機，它會(huì )接收從0Hz起到最大帶寬的所有信號。因此，我們要用數學(xué)運算的方式設定一個(gè)帶通濾波器。

你可以使用Matlab的Filter Designer實(shí)現。

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

無(wú)論你用何種方式，需要設定的主要參數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前采樣率。對于RTO6，4個(gè)通道全開(kāi)時(shí)最高采樣率是10GSa/s，因此我們設置為10e9。有了濾波器數據文件(*.csv)后，我們就可以開(kāi)始在示波器上導入這個(gè)文件。

與第一部分實(shí)驗類(lèi)似，所有通道都要設置為50歐耦合。

用Math對每個(gè)通道分別設置自定義帶通濾波器。

設置完帶通濾波器后，我們再次用FFT觀(guān)察頻譜幅度，現在頻譜上只有我們關(guān)心的信號了。

由于帶通濾波通過(guò)示波器Math功能實(shí)現，我們要觀(guān)察Math信號的頻譜，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(guān)察Math1對應的頻譜幅度。

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

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

除了得到某一時(shí)刻的相位差外，我們還可以開(kāi)啟跟蹤，描繪相位與時(shí)間的對應關(guān)系。

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

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(lái)直接顯示測向結果，最終實(shí)現類(lèi)似雷達屏幕的效果。

對于線(xiàn)陣，假設入射的無(wú)線(xiàn)電波（紅色）到達天線(xiàn)陣元（綠色）時(shí)已經(jīng)是平面波（藍色），由于經(jīng)過(guò)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 )導致相位差。根據相位、頻率和時(shí)間的關(guān)系式 和波長(cháng)、光速、頻率的關(guān)系式可推得，此相位差與到達角 對應關(guān)系是：相位差= （單位弧度）其中d是天線(xiàn)間距， 是波長(cháng)，我們的天線(xiàn)間距正好選取為波長(cháng)的0.33倍。另外，示波器上的相位差用角度顯示。因此，相位差公式轉化為2*180*0.33* （單位角度）所以到達角 就是arcsin(Track1/118.8)。其中，Track1代表相位差。

假設我們的測向結果圖是一個(gè)單位圓，到達角從右側坐標軸起作為0度，逆時(shí)針旋轉作為正方向，則描繪目標方向的像素點(diǎn)的x軸坐標值應該是1*cos(到達角)，而y軸坐標值應該是1*sin(到達角)

因此，我們可以開(kāi)啟兩個(gè)新的運算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(xiàn)，只能做成線(xiàn)陣，因此只能測出-90度~90度的方向，相位差為正時(shí)在右上方，相位差為負時(shí)在右下方。如果使用更多的示波器通道，就能測出整個(gè)360度范圍內的角度。

結語(yǔ)

本文介紹了在無(wú)線(xiàn)通信（如5G天線(xiàn)陣列）和汽車(chē)雷達領(lǐng)域中，使用 高端示波器（如RTO6）進(jìn)行多通道相參信號測試 的重要性和優(yōu)勢。通過(guò)兩個(gè)實(shí)驗示例（雙通道Chirp信號測試和空中CW信號測向），展示了示波器的多通道同步分析能力和高級頻譜分析功能，幫助實(shí)現高效和精確的信號測試和測量。