引言

信号波达方向（Direction of Arrival,DOA）估计是阵列信号处理领域的重点研究方向，旨在通过天线阵列检测信号到达方向，实现对目标的追踪和检测，被广泛应用于雷达定位、自动驾驶和无线通信等领域。目前，对于DOA估计的问题的研究已经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]，对于DOA硬件系统的研究和实现相对较少。传统的DOA估计系统通常体型庞大，价格昂贵，限制了其在车载等轻量化应用场景中的适用性[4]。因此，对于设计节省空间、成本优化、低功耗的DOA估计硬件系统具有重要意义。

DOA估计硬件系统设计的难点在于多天线阵列的同步，不同天线阵元之间的相位误差会直接影响到定位的精度。如图1所示的远场信源模型，设远场发射信号为s(t)，信源的频率为，两个相距d的阵元接收到信号相位差为:

（1）

其中，即为信号波达方向。当天线阵元进行扩展到N个时，在同一时刻t对所有阵元接收到的信号进行采样得到的信号可表示为:

（2）

其中，为第个阵元在i时刻的噪声。DOA估计算法的工作主要集中在如何从噪声和信号准确地恢复出，从而计算对应的值。接着对式(1)进行不确定度分析，可以得到：

（3）

从上式可以看出，在小型化、集成度较高的DOA估计系统中，当阵元距离d为1.0 cm，信号频率为1 GHz时，每1°的多天线通道相位误差至少会带来4.8°的DOA估计误差。这个误差值当然可以通过增加阵元之间的距离来减小，但是随着阵元数量的增加和空间体积的限制，带来的改善是十分有限的。

图1　DOA远场信源模型

因此，改善阵元之间的同步精度，优化同步设计就变得至关重要。通道之间的相位同步主要与通道之间的对称性及本振信号的相位差有关，文献中大多采用外部输入多通道共用本振的方式来消除通道之间的相位误差。文献[5]中王子樵等人设计并实现了一种频控阵雷达多路相参信号源，通过多通道共用外部输入本振信号，并运用1 bit量化检测矫正相位模糊，从而实现8路信号相参；文献[6]中设计一款多输入多输出无线收发器，将外部输入时钟信号经过锁相环倍频后，再经过时钟缓冲器分成多路提供给多个通道，从而实现±5°的相位同步精度。

但是这种方式实现起来并不容易，在精度方面也差强人意。如果一个系统中使用多个射频本振，不仅要注意不同本振之间的相位一致，还需要注意本振相位漂移会随着通道和时间的变化而变化；如果本振信号由共同的本振产生，然后分布到系统中，但由于本振信号较高的频率，不仅走线误差和时钟缓冲器通道之间的抖动会带来相位误差，而且射频损耗和射频耦合使其变得相当困难[7]。

基于以上部分的考虑，本文设计并实现了一种用于DOA估计的高精度同步多天线系统。本文采用多片射频芯片AD9361组成射频前端电路，将校准源通过功分器反馈回多路需要同步的接收通道，配合以Xilinx Zynq系列XC7Z045为核心的基带处理模块，对多通道相位误差进行实时相位自校准，并在校准算法上进行优化，通过迭代优化校准的方式使得相位误差快速收敛到零。

相比共用外部本振的方式，本设计简化了本振系统的设计。通过在射频前端加入额外的硬件校准通路实现对多通道误差的校准。这种设计不仅能够解决本振信号引入的误差，还能处理多通道之间的不对称性引入的误差，并能有效应对温度漂移和环境变化引入的相位漂移，最后在实时性、稳定性和精度上都有了很大的提高，且具有自校准的能力。该校准方法还可以非常简单地拓展到更多的天线阵列。

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作者信息：

戚胜宇1，2，武杰1，2，马钰博1，2

（1.中国科学技术大学 近代物理系，安徽 合肥 230026；

2.中国科学技术大学 核探测技术与核电子学国家重点实验室，安徽 合肥 230026）