本文将首先分析相位在宽带同步校准采集系统中的缺点，引出基于时延误差校准的必要性，然后给出基于PXI平台的宽带多通道相干采样系统设计架构，最后讨论基于NI-TCLK同步误差校准的方法。

未来的通信网络不仅要实现万物智联功能，还应具备感知物理世界的功能，简称通信感知一体化。所以用于通信的电磁波在实现信息传递的同时，具有空间环境信息采集的功能，进而催生出Tbps级通信速率和毫米级感知精度等网络性能需求。因而毫米波、THz通信、信道探测等获得广泛的探索和研究，其共同特征是：超宽带、多通道。

为满足学术界、产业界对宽带多通道通信平台的要求，NI提出了基于PXI平台的宽带多通道中频采集系统。为应对超宽带多通道同步性能要求带来的挑战，我们采用数字可变分数延迟滤波器补偿同步误差，使得采集通道之间同步精度控制在10ps以内。

通过调整相位误差，实现各采集通道同步校准，是窄带采集系统常用做法。但调整相位在宽带系统中存在频率选择性问题，后期数据反演结果不能反应真实信号特征。

现以应用场景举例说明：

两个ADC同时采集中频200MHz、带宽200MHz的信号，对其中一路进行移相/时延(周期360度，5ns)，然后计算两通道之间的互相关值。下图蓝线”----”所示的是相关值随相位偏差引起的现象，红色”-o-”是相关值随着通道时延增加呈现“SinC”函数衰减现象：

设中心频率为1GHz，信号实时带宽为100MHz，天线为128阵元的标准线阵，分别仿真了0.95GHz, 1GHz和 1.05GHz，设定波束指向为20°。从仿真波束指向观察，0.95GHz的峰值≈19°，1.05GHz的峰值≈21°，两者相差≈2°。

针对上述问题，业界一般采用延迟线或者数字时延手段应用在宽带系统中。数字时延方法没有延迟线带来的功耗、体积、分辨率等问题，成为主流的宽带多通道系统中误差补偿手段。

基于NI高性能PXI平台搭建宽带多通道同步采集系统，具有通道之间互联互通、同步误差补偿、实时信号调理、流盘、可视化等功能。该系统的模块包括：高性能的处理器(PXIe 8880/8881)、宽带机箱(例如PXIe 1095)、时钟板卡PXIe 6674T，和包含信号处理器(FPGA)数字化仪(例如 PXIe 5764)等，与下变频网络构建多天线测试系统，如下图所示：

系统中PXIe-6674T功能主要包括：

• 提供高稳定的参考时钟；

• 路由同步触发脉冲。

系统中包含FPGA的数字化仪主要功能包括：

• 输出/接收TCLK同步脉冲；

• 将中频模拟信号数字化；

• 对采样信号进行调理，包括：希尔伯特变换，数字变下频，整周期时延调整，分数时延调整，其信号处理，

图中ADC采样数据传输到FPGA做同步误差校准处理，同时做信号调理功能，包括：

• Hilbert Transform (希尔伯特变换)：把实中频信号转换为复数中频信号；

• DDC (数字变下频)：将中频下变频至基带信号，同时做幅度、频率、相位等参数补偿；

• Integral Delay：整采样周期T时延误差补偿；

• Variable Fraction Delay (可变分数时延滤波器)：在[-0.5，+0.5]T内实现小数时延补偿，结合客户系统需求，我们设计一组滤波器系数，其性能参数如下(T是采样周期，F_s是采样频率) ：

  ▷ 时延分辨率：＜10^-5T；

  ▷ 带宽为：0.4×F_s；

  ▷ 带内平纹动：＜0.1dB；

  ▷ 带外衰减：＞80dB。

• Time Delay Estimation (TDE)：从宽带信号中提取时延误差，包括整数时延和分数时延，具体算法可参考完整版技术白皮书。

同一机箱内部在板卡支持的情况下只需要采用NI原生TClk同步驱动，即可以实现采集板卡同步采集。

跨机箱板卡无法直接采用NI原生TCLK技术，其瓶颈在于时钟信号和触发脉冲的路由。基于这样的限制，我们分步骤解决：

1）时钟的配置，由主机箱中的6674T产生10M时钟Oscillator导出Clk- Out后经过等长路径导入本身ClkIn和从机箱中的6674T板卡的ClkIn并驯服背板PXI_Clk10时钟总线。

2）触发脉冲的配置，由程序控制主机箱产生触发信号通过机箱PXI_Tr-igx总线导出到6674T的PFIx接口，经等长路径传递到本身另外的PFIy口和从机箱6674T板卡的PFIy口，并导入到各机箱的PXI_Triger总线上供程序响应。

触发同步的原理如图5所示，各板卡之间共享Common Periodic Time Reference检测是否出现采样同步的脉冲下降沿。在检测到开始触发后在当前reference的下降沿分发路由信号，路由信号在从板卡上和下一个参考的脉冲下降沿对齐，所有的板卡均响应由路由信号和参考对其的下降沿，从而保证开始触发信号的对齐。

本文提供一个基于PXIe 5764的宽带中频采集系统例子，它与外置变下频器构成宽带波束成形验证平台，也可以作为相控阵系统的Testbed.PXIe 5764是一块4通道、1GS/s、16bit量化位宽的高密度数字化仪，同时也包括一枚大容量FPGA芯片做实时信号调理，

其中PXIe 5764的信号处理流程如图4所示。假设射频信号为2GHz，跳频系统覆盖带宽为400MHz，由128个阵元组成ULA天线阵。当以中心频率为参考指向θ=20°时，分两种情况分析时延补偿在宽带相控阵中的作用：

• 仅调整相位时，如图8 (a)所示在某些跳频点出现指向偏差，最高达到2°；

• 基于TTD (True Time Delay) 的宽带波束形成，如图8 (b)所示发现在400MHz带宽内所有的频点均指向20°。

该平台可应用在多通道通信系统的研发和测试阶段，例如毫米波通信、THz通信、宽带卫星接收终端、信道探测等领域[1-5]。

未完待续！更多内容，例如基于可变分数延迟滤波器的误差补偿等，请下载《宽带多通道同步采集系统校准设计 》白皮书查看。