MIMO雷達之系統演進

多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output，MIMO)雷達把無線通信系統中的多輸入多輸出技術引入到雷達領域，并和數字陣列技術相結合而產生的一種新體制雷達，由于采用了波形分集技術，使得MIMO雷達擁有許多傳統相控陣雷達所無法比擬的優越性。

例如，美國海軍阿利·伯克級導彈驅逐艦裝備的一種主動相控陣雷達系統，名為AN/SPY-6，也被稱為“最強宙斯盾之眼”。MIMO技術作為其關鍵技術之一，可以同時監測和識別多個空中和導彈目標。

具體而言，AN/SPY-6雷達系統由多個“雷達模塊組件”組成，每個組件包含一個4x4的MIMO子陣列，通過將不同數量和形狀的組件拼接在一起，可以形成適應各種艦艇和任務的雷達天線。使得AN/SPY-6雷達系統具備了更高的靈敏度、分辨率、覆蓋范圍和抗干擾能力。鑒于此，SPY-6也是美國海軍第一臺真正具有可擴展性的雷達。

對比此類大型艦載射頻系統，基于MIMO雷達的靈活性和可擴展性，還可以根據不同應用場景和需求，設計出不同規模和形態的射頻系統。例如基于MIMO射頻系統構建的軟件定義的、可移植的小型化無人機任務載荷。

隨著MIMO技術在合成孔徑雷達（SAR）中的應用，無人機載荷也被賦予了更多的能力，近年來，一種采用MIMO-SAR模式的無人機載下視3D成像雷達系統引起了關注，這是一種專門為小型無人機設計的輕量級3D成像雷達系統，它結合了多輸入多輸出(MIMO)、數字波束形成和合成孔徑雷達技術，不僅能夠進行目標檢測和參數估計，還能夠進行目標跟蹤和識別等任務，完全適應了無人機在各種環境下的應用需求。面對高性能、低功耗、便攜式射頻系統需求的日益增加，這種集多通道系統收發與小型化產品形態于一體的射頻系統也正在被迫切需要。

MIMO系統之構建挑戰

綜上所述，MIMO系統以其多功能、高性能的技術優勢，逐漸被集成應用于不同領域和不同規模的射頻系統中，但在提升了系統整體能力的同時，此類系統的構建及驗證測試的復雜性也被同步提升。

挑戰

在當今日益復雜的電磁環境中，多通道是MIMO射頻系統的優勢，也是其面臨的基本問題，因為它需要更高的信號處理和傳輸帶寬，相應的對系統算力和總線帶寬的要求也更高，同時還要考慮超寬帶信號引入的進一步性能要求；

從技術層面上看，MIMO系統采用多通道輸入輸出架構，系統中各個射頻通道需要相干變頻，并針對數字信號做有效處理及分析，勢必會需要多通道中頻采樣的高精度同步；

這種多通道架構相比傳統的單通道架構SISO，通道數量的倍增也使得系統的復雜度增加了許多，系統的體積和重量都會增加很多倍，很難滿足對便攜性要求更高的現場測試需求；

另外，由于硬件的高度定制化，還會進一步增加軟件定義的復雜度，系統面臨不易擴展、難以重構、缺乏靈活性等問題。

MIMO系統構建之模塊化解決方案

針對上述MIMO射頻系統構建的難點，模塊化的PXIe平臺成為了非常有效的解決方案。專注于軟件化射頻系統的立思方公司以一系列單槽寬的高密度PXIe上下變頻模塊產品設計了一套MIMO射頻系統解決方案，頗具特點。

該方案以PXIe總線為基礎，內置超寬帶變頻模塊、本振頻率源模塊、PXIe IF收發儀以及MIMO軟件套件，構建了多功能、可重構、易擴展的MIMO系統。該系統中的本振頻率源配合超寬帶變頻模塊能夠實現高至20GHz頻率、2GHz瞬時帶寬的射頻信號的同步收發，并且能保證優秀的雜散抑制、相位噪聲和幅度平坦度。PXIe IF中頻收發模塊將前端模塊采集輸出的中頻信號進行預處理，并傳輸至上位機進行進一步計算與顯示。此外，該系統還支持利用MATLAB和Python進行二次開發，進一步提高了用戶的自由度和系統擴展的靈活性，且能夠適應不同的硬件需求和應用場景。

關鍵特性

其中，承擔著影響系統射頻性能的關鍵角色—射頻通道尤為重要，系統中使用到的射頻前端即是立思方的一款超寬帶、多通道的PXIe變頻模塊，頻段覆蓋范圍支持50MHz~18GHz，且可擴展至20GHz頻率范圍，擁有****最高2GHz瞬時帶寬，支持2通道發射或2通道接收，最多可在單個4U PXIe機箱內集成16x16收發通道，并支持10MHz參考時鐘和外部本振以實現多通道相參同步能力。

01超寬帶系統設計應對MIMO信號收發和處理

通道數量和信號帶寬的急劇增加使得MIMO系統的多通道數據需要被同時采集或者發送。立思方研制的PXIe系列超寬帶雙通道變頻模塊，滿足2GHz的瞬時帶寬，這對改善多目標情況下的分辨率、提高測量精度、判定目標屬性等有重要作用；另外，在PXIe總線系統提供最高24GB/s數據吞吐能力，利用立思方的PXIe GPU，可構成FPGA+GPU+CPU的異構計算平臺，也可以為射頻系統的算力提供更強有力的支持。

02優秀雜散抑制和低相位噪聲應對精確信號捕獲

定時和同步對于多通道雷達系統的信號測量精度至關重要，需要各通道間保持穩定的相位偏移，這就要求測試設備擁有高精度的性能指標。該系列PXIe超寬帶雙通道變頻模塊具備-60dBc的雜散抑制能力，在1kHz、10kHz、100kHz頻偏處的相位噪聲分別可以做到優于-95dBc/Hz、-105dBc/Hz以及-115dBc/Hz。

03多通道相參應對多通道信號同步性問題

仿真和測試諸如MIMO的多天線系統，需要測試系統能夠提供多路具有確定性頻率和幅度的信號，并且要求這些信號之間具有穩定的、可調的相位關系。立思方自研的系列PXIe變頻模塊，支持外部10MHz參考時鐘和本振輸入，可利用IF模塊支持ps級高精度同步，實現多通道信號的相干采集和發射，適用于多通道干涉儀測向及DBF波束賦形系統的構建要求。

04超外差結構保障優異的射頻性能

超外差體系結構被認為是性能更優秀的接收機拓撲結構，通過選擇合適的中頻和濾波器，可以實現優異的射頻性能。該系列PXIe變頻模塊，基于超外差結構本身的優勢，配合多種可選擇的瞬時帶寬（400MHz、1GHz、1.2GHz、2GHz）為用戶豐富選擇，滿足不同應用需求。

05模塊化開源開發拓展MIMO系統

對于研究和使用MIMO系統的用戶來說，微小的功能變化都可能對應不同的硬件配置，加之高通道數和復雜結構等特點，變更和升級硬件系統都是對成本的極大挑戰，這就要求設備具有可擴展能力和開源開發的可能性。PXIe系統以其高性能、模塊化、標準化等特點，為用戶提供了硬件層面的擴展，同時搭配立思方專研的弦豐軟件套件以及為二次開發所提供的開放式API接口，用戶可進行功能的自定義，真正實現軟件定義能力，無限拓展你的MIMO系統。