MIMO雷达射频系统的构建挑战和关键特性

MIMO雷达之系统演进

多输入多输出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)雷达把无线通信系统中的多输入多输出技术引入到雷达领域，并和数字阵列技术相结合而产生的一种新体制雷达，由于采用了波形分集技术，使得MIMO雷达拥有许多传统相控阵雷达所无法比拟的优越性。

例如，美国海军阿利·伯克级导弹驱逐舰装备的一种主动相控阵雷达系统，名为AN/SPY-6，也被称为“最强宙斯盾之眼”。MIMO技术作为其关键技术之一，可以同时监测和识别多个空中和导弹目标。

具体而言，AN/SPY-6雷达系统由多个“雷达模块组件”组成，每个组件包含一个4x4的MIMO子阵列，通过将不同数量和形状的组件拼接在一起，可以形成适应各种舰艇和任务的雷达天线。使得AN/SPY-6雷达系统具备了更高的灵敏度、分辨率、覆盖范围和抗干扰能力。鉴于此，SPY-6也是美国海军第一台真正具有可扩展性的雷达。

对比此类大型舰载射频系统，基于MIMO雷达的灵活性和可扩展性，还可以根据不同应用场景和需求，设计出不同规模和形态的射频系统。例如基于MIMO射频系统构建的软件定义的、可移植的小型化无人机任务载荷。

随着MIMO技术在合成孔径雷达（SAR）中的应用，无人机载荷也被赋予了更多的能力，近年来，一种采用MIMO-SAR模式的无人机载下视3D成像雷达系统引起了关注，这是一种专门为小型无人机设计的轻量级3D成像雷达系统，它结合了多输入多输出(MIMO)、数字波束形成和合成孔径雷达技术，不仅能够进行目标检测和参数估计，还能够进行目标跟踪和识别等任务，完全适应了无人机在各种环境下的应用需求。面对高性能、低功耗、便携式射频系统需求的日益增加，这种集多通道系统收发与小型化产品形态于一体的射频系统也正在被迫切需要。

MIMO系统之构建挑战

综上所述，MIMO系统以其多功能、高性能的技术优势，逐渐被集成应用于不同领域和不同规模的射频系统中，但在提升了系统整体能力的同时，此类系统的构建及验证测试的复杂性也被同步提升。

挑战

在当今日益复杂的电磁环境中，多通道是MIMO射频系统的优势，也是其面临的基本问题，因为它需要更高的信号处理和传输带宽，相应的对系统算力和总线带宽的要求也更高，同时还要考虑超宽带信号引入的进一步性能要求；

从技术层面上看，MIMO系统采用多通道输入输出架构，系统中各个射频通道需要相干变频，并针对数字信号做有效处理及分析，势必会需要多通道中频采样的高精度同步；

这种多通道架构相比传统的单通道架构SISO，通道数量的倍增也使得系统的复杂度增加了许多，系统的体积和重量都会增加很多倍，很难满足对便携性要求更高的现场测试需求；

另外，由于硬件的高度定制化，还会进一步增加软件定义的复杂度，系统面临不易扩展、难以重构、缺乏灵活性等问题。

MIMO系统构建之模块化解决方案

针对上述MIMO射频系统构建的难点，模块化的PXIe平台成为了非常有效的解决方案。专注于软件化射频系统的立思方公司以一系列单槽宽的高密度PXIe上下变频模块产品设计了一套MIMO射频系统解决方案，颇具特点。

该方案以PXIe总线为基础，内置超宽带变频模块、本振频率源模块、PXIe IF收发仪以及MIMO软件套件，构建了多功能、可重构、易扩展的MIMO系统。该系统中的本振频率源配合超宽带变频模块能够实现高至20GHz频率、2GHz瞬时带宽的射频信号的同步收发，并且能保证优秀的杂散抑制、相位噪声和幅度平坦度。PXIe IF中频收发模块将前端模块采集输出的中频信号进行预处理，并传输至上位机进行进一步计算与显示。此外，该系统还支持利用MATLAB和Python进行二次开发，进一步提高了用户的自由度和系统扩展的灵活性，且能够适应不同的硬件需求和应用场景。

关键特性

其中，承担着影响系统射频性能的关键角色—射频通道尤为重要，系统中使用到的射频前端即是立思方的一款超宽带、多通道的PXIe变频模块，频段覆盖范围支持50MHz~18GHz，且可扩展至20GHz频率范围，拥有****最高2GHz瞬时带宽，支持2通道发射或2通道接收，最多可在单个4U PXIe机箱内集成16x16收发通道，并支持10MHz参考时钟和外部本振以实现多通道相参同步能力。

01超宽带系统设计应对MIMO信号收发和处理

通道数量和信号带宽的急剧增加使得MIMO系统的多通道数据需要被同时采集或者发送。立思方研制的PXIe系列超宽带双通道变频模块，满足2GHz的瞬时带宽，这对改善多目标情况下的分辨率、提高测量精度、判定目标属性等有重要作用；另外，在PXIe总线系统提供最高24GB/s数据吞吐能力，利用立思方的PXIe GPU，可构成FPGA+GPU+CPU的异构计算平台，也可以为射频系统的算力提供更强有力的支持。

02优秀杂散抑制和低相位噪声应对精确信号捕获

定时和同步对于多通道雷达系统的信号测量精度至关重要，需要各通道间保持稳定的相位偏移，这就要求测试设备拥有高精度的性能指标。该系列PXIe超宽带双通道变频模块具备-60dBc的杂散抑制能力，在1kHz、10kHz、100kHz频偏处的相位噪声分别可以做到优于-95dBc/Hz、-105dBc/Hz以及-115dBc/Hz。

03多通道相参应对多通道信号同步性问题

仿真和测试诸如MIMO的多天线系统，需要测试系统能够提供多路具有确定性频率和幅度的信号，并且要求这些信号之间具有稳定的、可调的相位关系。立思方自研的系列PXIe变频模块，支持外部10MHz参考时钟和本振输入，可利用IF模块支持ps级高精度同步，实现多通道信号的相干采集和发射，适用于多通道干涉仪测向及DBF波束赋形系统的构建要求。

04超外差结构保障优异的射频性能

超外差体系结构被认为是性能更优秀的接收机拓扑结构，通过选择合适的中频和滤波器，可以实现优异的射频性能。该系列PXIe变频模块，基于超外差结构本身的优势，配合多种可选择的瞬时带宽（400MHz、1GHz、1.2GHz、2GHz）为用户丰富选择，满足不同应用需求。

05模块化开源开发拓展MIMO系统

对于研究和使用MIMO系统的用户来说，微小的功能变化都可能对应不同的硬件配置，加之高通道数和复杂结构等特点，变更和升级硬件系统都是对成本的极大挑战，这就要求设备具有可扩展能力和开源开发的可能性。PXIe系统以其高性能、模块化、标准化等特点，为用户提供了硬件层面的扩展，同时搭配立思方专研的弦丰软件套件以及为二次开发所提供的开放式API接口，用户可进行功能的自定义，真正实现软件定义能力，无限拓展你的MIMO系统。

审核编辑：汤梓红