面向相干分布式天线阵的实时高精度全数字无线时间、频率与相位校准技术

《IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques》：Real-Time High-Accuracy Digital Wireless Time, Frequency, and Phase Calibration for Coherent Distributed Antenna Arrays

本文针对无外部参考（如GNSS）的商用软件定义无线电（SDR）构建相干分布式天线阵（CDA）的难题，提出了一种基于双向时间传递（TWTT）的全数字高精度实时校准方法。该方法利用频谱稀疏的双音波形，通过多步到达时间（ToA）精化过程，实现了对多径和相对运动具有鲁棒性的时间、频率和相位同步。实验验证表明，该方法在动态场景下实现了约60-70皮秒的时间与相位精度，中位相干增益超过99%，为下一代移动无线通信与感知系统提供了关键技术支撑。

　　

在无线通信、雷达成像和深空探测等领域，分布式天线阵（Distributed Antenna Arrays）正展现出巨大的应用潜力。与传统的单一天线阵相比，由多个独立节点组成的分布式天线阵具有无与伦比的可扩展性、适应性和可靠性。然而，要实现这些优势，一个核心的挑战在于如何让这些空间分离的节点“步调一致”，即实现时间、频率和相位的严格同步，从而像一台巨大的天线一样协同工作。

目前，实现同步主要有两种思路。一种是闭环系统，即依赖目标接收端的反馈来调整发射端。这种方法虽然简单，但要求单个节点有足够强的信号接收能力，且无法应用于与常规接收机通信或雷达遥感等场景。另一种是开环系统，即节点之间直接交换信息来协调各自的电气状态。开环系统虽然功能更强大，但实现难度也更高，因为它要求节点之间对彼此的位置、时间、频率和相位偏移有极其精确的估计，误差必须控制在载波波长的极小分数以内。

传统的同步方法往往依赖于外部参考源，如全球导航卫星系统（GNSS），或者需要额外的模拟硬件。这限制了系统在GNSS信号不可用或硬件受限环境下的应用。因此，开发一种不依赖外部参考、仅利用商用现成（COTS）软件定义无线电（SDR）就能实现高精度同步的全数字方法，成为了该领域亟待解决的关键问题。

为了攻克这一难题，来自密歇根州立大学和劳伦斯利弗莫尔国家实验室的研究团队在《IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques》上发表了一项突破性研究。他们提出并验证了一种完全数字化的高精度实时校准程序，能够为开环无线协调的相干分布式天线阵（CDA）实现时间、频率和相位的精确对齐。这项技术不仅消除了对GNSS或外部参考的依赖，还通过创新的信号处理算法，在存在多径散射和相对运动的动态场景下，依然保持了极高的同步精度。

关键技术方法

研究人员构建了一套基于商用软件定义无线电（SDR）的实验系统，并开发了相应的软件控制框架。其核心技术方法主要包括：

1. 1.
   双向时间传递（TWTT）：利用节点间双向交换信号来估计时间偏移，通过求平均的方式消除信道传播延迟的影响，从而实现对多径和非视距（NLoS）的鲁棒性。
2. 2.
   频谱稀疏双音（PTT）波形：设计了一种脉冲双音波形，通过将信号能量集中在可用带宽的边缘，最大化到达时间（ToA）估计的精度，同时最小化多普勒与距离的耦合效应。
3. 3.
   多步到达时间精化：采用匹配滤波、二次最小二乘（QLS）峰值精化和查找表（LUT）偏置校正相结合的方法，将时间估计精度提升至远低于采样周期的亚纳秒级别。
4. 4.
   间接频率估计：通过跟踪参考振荡器的时间漂移，间接估计频率误差，避免了直接载波频谱估计的模糊性问题，并实现了低占空比和高精度的频率同步。

研究结果

时间、频率和相位同步性能评估

研究人员首先评估了系统在不同信噪比（SNR）条件下的同步性能。结果显示，随着SNR的增加，系统的同步性能显著提升。在SNR达到24 dB时，中位相干增益（Coherent Gain）达到最大值约0.99，表明两个节点的信号几乎完全同相叠加。同时，到达时间差（Interarrival Time）的标准差随着SNR的增加而减小，在SNR为27 dB时，标准差达到约70皮秒（ps）。到达相位差（Interarrival Phase）则保持零均值，标准差约为23度。这些数据表明，该系统能够实现极高精度的时间与相位同步。

频率同步精度验证

为了验证频率估计的准确性，研究人员通过信号发生器在节点间引入了已知的静态频率偏移。实验结果表明，在0到10 ppm（百万分之一）的已知频率偏移范围内，系统能够准确估计并补偿这些偏移。在1 ppm的偏移下，系统仍能保持良好的同步性能。当偏移达到10 ppm时，由于时间与相位偏差的增加，性能开始下降。此外，在自由运行（FR）状态下，系统估计的节点间频率偏移约为-182 ppb（十亿分之一），标准差为2.04 ppb。经过补偿后，在示波器上测得的波束成形频率误差均值约为-1.25 ppb，标准差在30 dB SNR时达到4.22 ppb，验证了该频率估计方法的有效性。

与模拟连续波双音（CWTT）方法的对比

研究人员将提出的全数字PTT TWTT方法与传统的模拟连续波双音（CWTT）频率参考技术进行了对比。在静态和低速运动（3 mm/s）场景下，两种方法性能相当，均能实现高精度的同步。然而，在高速运动（300 mm/s）场景下，模拟CWTT方法的性能显著下降，而全数字PTT TWTT方法则表现出更强的鲁棒性。这是因为模拟CWTT方法对信道传播延迟的变化非常敏感，而全数字方法通过周期性的TWTT交换，能够有效跟踪并补偿由相对运动引起的相位变化。

研究结论与意义

本研究成功提出并验证了一种完全数字化的高精度无线时间、频率和相位校准方法。该方法利用双向时间传递（TWTT）和频谱稀疏双音（PTT）波形，实现了对商用软件定义无线电（SDR）的精确同步，无需任何外部参考源或额外的模拟硬件。

实验结果表明，该方法在动态场景下能够实现约60-70皮秒的时间与相位精度，中位相干增益超过99%，波束成形频率均方根误差（RMSE）低至3.73 ppb。与传统的模拟连续波双音（CWTT）方法相比，该方法在高速运动场景下表现出更强的鲁棒性。

这项研究的意义在于，它为实现完全无线的移动相干分布式天线阵（CDA）迈出了关键一步。该技术为下一代移动无线通信、雷达感知和深空探测等系统提供了强大的技术支撑，使得构建可扩展、自适应且高度可靠的分布式无线系统成为可能。