引言

信號波達方向（Direction of Arrival,DOA）估計是陣列信號處理領域的重點研究方向，旨在通過天線陣列檢測信號到達方向，實現對目標的追蹤和檢測，被廣泛應用于雷達定位、自動駕駛和無線通信等領域。目前，對于DOA估計的問題的研究已經有了很多重要的研究成果，但大都是基于仿真的算法研究[1-3]，對于DOA硬件系統的研究和實現相對較少。傳統的DOA估計系統通常體型龐大，價格昂貴，限制了其在車載等輕量化應用場景中的適用性[4]。因此，對于設計節省空間、成本優化、低功耗的DOA估計硬件系統具有重要意義。

DOA估計硬件系統設計的難點在于多天線陣列的同步，不同天線陣元之間的相位誤差會直接影響到定位的精度。如圖1所示的遠場信源模型，設遠場發射信號為s(t)，信源的頻率為，兩個相距d的陣元接收到信號相位差為:

（1）

其中，即為信號波達方向。當天線陣元進行擴展到N個時，在同一時刻t對所有陣元接收到的信號進行采樣得到的信號可表示為:

（2）

其中，為第個陣元在i時刻的噪聲。DOA估計算法的工作主要集中在如何從噪聲和信號準確地恢復出，從而計算對應的值。接著對式(1)進行不確定度分析，可以得到：

（3）

從上式可以看出，在小型化、集成度較高的DOA估計系統中，當陣元距離d為1.0 cm，信號頻率為1 GHz時，每1°的多天線通道相位誤差至少會帶來4.8°的DOA估計誤差。這個誤差值當然可以通過增加陣元之間的距離來減小，但是隨著陣元數量的增加和空間體積的限制，帶來的改善是十分有限的。

圖1　DOA遠場信源模型

因此，改善陣元之間的同步精度，優化同步設計就變得至關重要。通道之間的相位同步主要與通道之間的對稱性及本振信號的相位差有關，文獻中大多采用外部輸入多通道共用本振的方式來消除通道之間的相位誤差。文獻[5]中王子樵等人設計并實現了一種頻控陣雷達多路相參信號源，通過多通道共用外部輸入本振信號，并運用1 bit量化檢測矯正相位模糊，從而實現8路信號相參；文獻[6]中設計一款多輸入多輸出無線收發器，將外部輸入時鐘信號經過鎖相環倍頻后，再經過時鐘緩沖器分成多路提供給多個通道，從而實現±5°的相位同步精度。

但是這種方式實現起來并不容易，在精度方面也差強人意。如果一個系統中使用多個射頻本振，不僅要注意不同本振之間的相位一致，還需要注意本振相位漂移會隨著通道和時間的變化而變化；如果本振信號由共同的本振產生，然后分布到系統中，但由于本振信號較高的頻率，不僅走線誤差和時鐘緩沖器通道之間的抖動會帶來相位誤差，而且射頻損耗和射頻耦合使其變得相當困難[7]。

基于以上部分的考慮，本文設計并實現了一種用于DOA估計的高精度同步多天線系統。本文采用多片射頻芯片AD9361組成射頻前端電路，將校準源通過功分器反饋回多路需要同步的接收通道，配合以Xilinx Zynq系列XC7Z045為核心的基帶處理模塊，對多通道相位誤差進行實時相位自校準，并在校準算法上進行優化，通過迭代優化校準的方式使得相位誤差快速收斂到零。

相比共用外部本振的方式，本設計簡化了本振系統的設計。通過在射頻前端加入額外的硬件校準通路實現對多通道誤差的校準。這種設計不僅能夠解決本振信號引入的誤差，還能處理多通道之間的不對稱性引入的誤差，并能有效應對溫度漂移和環境變化引入的相位漂移，最后在實時性、穩定性和精度上都有了很大的提高，且具有自校準的能力。該校準方法還可以非常簡單地拓展到更多的天線陣列。

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作者信息：

戚勝宇1，2，武杰1，2，馬鈺博1，2

（1.中國科學技術大學 近代物理系，安徽 合肥 230026；

2.中國科學技術大學 核探測技術與核電子學國家重點實驗室，安徽 合肥 230026）