近代電子測(cè)量技術(shù)-信號(hào)源課件

信號(hào)源初步信號(hào)源概述信號(hào)源的作用和組成信號(hào)源的分類正弦信號(hào)源的性能指標(biāo)頻率合成的基本概念正弦信號(hào)源的典型應(yīng)用調(diào)制信號(hào)源

信號(hào)源是能夠產(chǎn)生不同頻率、不同幅度的規(guī)則或不規(guī)則波形的信號(hào)發(fā)生器。信號(hào)源的用途主要有以下三方面：激勵(lì)源。信號(hào)仿真。標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源。信號(hào)源的作用信號(hào)源的分類正弦波信號(hào)源；（RF～毫米波段含連續(xù)波掃描信號(hào)數(shù)字及模擬調(diào)制信號(hào)源——矢量信號(hào)源）函數(shù)信號(hào)源；（包括任意波形發(fā)生器(AWG)和函數(shù)發(fā)生器（AFG）。采用取樣技術(shù)，可以構(gòu)建和修改幾乎任何形狀可以想象的波形。）邏輯信號(hào)源噪聲信號(hào)發(fā)生器。正弦波信號(hào)源正弦信號(hào)源在線性系統(tǒng)測(cè)試中具有特殊意義。眾所周知，在正弦信號(hào)的激勵(lì)下，線性電路內(nèi)的所有電壓和電流都是具有同一頻率的正弦波，只是彼此之間的幅值和相位可起有所差別。此外，若己知線性系統(tǒng)對(duì)一切頻率(或一組靠得很近的頻率)的外加正弦信號(hào)的幅值和相位的響應(yīng)，那么就能夠完全確定該系統(tǒng)在其線性工作范圍內(nèi)對(duì)于任意輸入信號(hào)的。也就是說(shuō)：正弦波測(cè)試是線性系統(tǒng)頻域分析的重要實(shí)驗(yàn)方法。正弦信號(hào)源的性能指標(biāo)——頻率（一）（1）頻率范圍頻率范圍指頻率合成器輸出最低頻率和輸出最高頻率之間的變化范圍，也可以用覆蓋系數(shù)k表示（k=fmax/fmin）。如果覆蓋系數(shù)k>2或3時(shí)，整個(gè)頻段可以劃分為幾個(gè)分波段。（2）頻率分辨率頻率合成器需在指定的頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生大量離散的頻率。頻率分辨率是指兩相鄰頻率點(diǎn)之間的間隔，故也稱為頻率間隔。不同用途的頻率合成器的分辨率要求相差很大。作為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源的合成器，則希望有盡可能精細(xì)的頻率分辨率。（3）頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間是指頻率合成器從某一頻率轉(zhuǎn)換到另一個(gè)頻率并達(dá)到穩(wěn)定所需要的時(shí)間。不同類型的頻率合成方式，此指標(biāo)相差較大，一般要求頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間小于幾十毫秒。（4）頻率精度（１）輸出（功率）電平范圍（２）輸出電平準(zhǔn)確度（３）輸出電平的頻率特性（帶內(nèi)平坦度）（４）輸出阻抗正弦信號(hào)源的性能指標(biāo)——幅度正弦信號(hào)源的性能指標(biāo)——頻譜純度（一）影響頻率合成器輸出頻譜純度的因素主要有兩個(gè)，一是相位噪聲，二是寄生干擾。相位噪聲是一種瞬間頻率或相位的起伏；而寄生干擾分為諧波、次諧波和雜散（非諧波）頻率穩(wěn)定度頻率穩(wěn)定度是指在一定的時(shí)間間隔內(nèi)，合成器輸出頻率變化的大小。一般可以分為長(zhǎng)期穩(wěn)定度、短期穩(wěn)定度，但這種分法是相對(duì)而言的。長(zhǎng)期穩(wěn)定度：指在規(guī)定的外界條件下，在所要求的時(shí)間內(nèi)工作頻率的相對(duì)變化，主要由晶體和元器件的老化決定；長(zhǎng)期穩(wěn)定度是指一天以上時(shí)間內(nèi)（一般按年、月、日計(jì)）合成器輸出頻率的漂移，常用該時(shí)間內(nèi)頻率的相對(duì)變化ΔFo/Fo來(lái)表示。它主要是由元器件老化及環(huán)境條件變化（如溫度、濕度、壓力等）引起的。頻率合成器的長(zhǎng)期穩(wěn)定度一般取決于所使用的參考頻率源的長(zhǎng)期穩(wěn)定度。正弦信號(hào)源的性能指標(biāo)——頻譜純度（二）頻譜純度－相位噪聲（一）頻譜純度－相位噪聲（二）更高的相位噪聲指標(biāo)意味著更高的頻譜利用率！頻譜純度－相位噪聲（三）信道外相位噪聲使帶內(nèi)信號(hào)發(fā)生畸變AgilentE8257DPSGAnalogSignalGenerator頻率合成原理頻率的代數(shù)運(yùn)算是通過(guò)倍頻、分頻及混頻技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。頻率1輸出石英晶體代數(shù)運(yùn)算（加、減、乘、除）頻率合成原理頻率n輸出基準(zhǔn)頻率頻率合成的基本概念頻率源性能是伴隨著頻率合成技術(shù)的進(jìn)步而發(fā)展的，從20世紀(jì)30年代開(kāi)始形成頻率合成理論算起，頻率合成技術(shù)的發(fā)展至今經(jīng)歷了三代：直接式頻率合成（ＤＳ）間接式頻率合成（ＰＬＬ）直接數(shù)字式頻率合成（ＤＤＳ）

頻率合成技術(shù)的發(fā)展晶振諧波發(fā)生器（倍頻）分頻（÷10）8MHz混頻（+）混頻（+）2MHz濾波分頻（÷10）2.8MHz濾波0.28MHz分頻（÷10）混頻（+）濾波6MHz6.28MHz0.628MHz3MHz3.628MHz直接式頻率合成原理框圖1MHz1MHz9MHz直接式頻率合成（二）

只有一個(gè)頻率參考源的叫做直接式相關(guān)頻率合成器，這種合成器由于只有一個(gè)參考源，它所需的所有頻率都由這一個(gè)頻率經(jīng)過(guò)倍頻、分頻和混頻后得到，這樣，合成器所輸出頻率的穩(wěn)定度和精度都與參考源一樣，現(xiàn)在絕大多數(shù)都使用這種方法。直接式頻率合成（三）優(yōu)點(diǎn)頻率轉(zhuǎn)換速度快長(zhǎng)期和短期頻率穩(wěn)定度高具有很好的近載頻相位噪聲性能。缺點(diǎn)但由于大量采用了倍頻、分頻、混頻和濾波環(huán)節(jié)，因此：結(jié)構(gòu)復(fù)雜、調(diào)試難度大雜散抑制較差，難以達(dá)到高的頻率分辨率。

在20世紀(jì)50年代出現(xiàn)的鎖相式頻率合成是一種間接的頻率合成方法，它利用鎖相環(huán)（PLL）把壓控振蕩器（VCO）的輸出頻率鎖定在基準(zhǔn)頻率上，這樣通過(guò)不同形式的鎖相環(huán)就可以在一個(gè)基準(zhǔn)頻率的基礎(chǔ)上合成不同的頻率。間接式頻率合成

鎖相環(huán)基本工作原理及性能

鎖相環(huán)是一個(gè)相位環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)。該環(huán)路由鑒相器（PD）、環(huán)路濾波器（LPF）、電壓控制振蕩器（VCO）及基準(zhǔn)晶體振蕩器等部分組成。鎖相環(huán)控制系統(tǒng)原理圖frVrVCOPDLPFVofOVd鎖相環(huán)的基本形式－倍頻式（二）

分頻環(huán)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入頻率的除法運(yùn)算，與倍頻環(huán)相似，也有兩種基本形式。

分頻式鎖相環(huán)原理圖VCOPDLPFfo=fi/Nfi÷N（b）數(shù)字分頻環(huán)VCOPDLPFfo=fi/Nfi諧波形成（a）諧波分頻環(huán)fi÷NPLLfo=fi/N（c）分頻環(huán)簡(jiǎn)化圖鎖相環(huán)的基本形式－分頻式混頻環(huán)實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率的加減運(yùn)算

PDLPFVCOM（＋）fi1fi2fo+fi2（b）相減混頻環(huán)PDLPFVCOM（－）fi1fi2fo=fi1+fi2fo-fi2（a）相加混頻環(huán)fo=fi1-fi2混頻鎖相環(huán)+PLLfi1fi2fo=fi1+fi2-PLLfi1fi2fo=fi1-fi2（c）相加環(huán)簡(jiǎn)化圖（d）相減環(huán)簡(jiǎn)化圖鎖相環(huán)的基本形式－混頻式三環(huán)PLL合成器VCOBPDBLPFBfBfi÷NB÷MVCOCPDCLPFC－BPFfoVCOAPDALPFA+÷NAfA×NAPLL+PLL÷M×NBPLLfifo三環(huán)合成器簡(jiǎn)化框圖fBfA鎖相環(huán)的基本形式－多環(huán)合成（二）鎖相環(huán)的基本形式－多環(huán)合成（三）毫米波CW信號(hào)源（多環(huán)/小數(shù)分頻技術(shù)——解決頻率分辨率與相位噪聲指標(biāo)間的矛盾）

PLL相位噪聲的特點(diǎn)PLL的相位噪聲來(lái)源包括：參考源、鑒相器、VCO以及寬帶噪聲基底分頻比N決定了輸出頻率相位噪聲的惡化依據(jù)20logN這一公式！鎖相環(huán)的相位噪聲特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：易于集成化體積小結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單功耗低價(jià)格低缺點(diǎn)：頻率切換時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)相位噪聲較大。

鎖相環(huán)小結(jié)

70年代,TierneyJ等人就首先提出了DDS的概念，直接數(shù)字合成（DirectDigitalSynthesis）的基本原理是基于取樣技術(shù)和計(jì)算技術(shù)，通過(guò)數(shù)字合成來(lái)生成頻率和相位對(duì)于固定的參考頻率可調(diào)的信號(hào)。直接數(shù)字頻率合成的基本組成原理直接數(shù)字式頻率合成（ＤＤＳ）輸出信號(hào)頻率fo:取決于兩個(gè)因數(shù)：⑴參考時(shí)鐘頻率；⑵ROM中存儲(chǔ)的正弦波；如果地址計(jì)數(shù)器以步進(jìn)Ｋ（Ｋ>=1)進(jìn)行累加，則可在fc和ROM數(shù)據(jù)不變的情況下改變輸出頻率，此時(shí)fo為：設(shè)取樣時(shí)鐘頻率為fc，正弦波每一周期由Ｎ個(gè)取樣點(diǎn)構(gòu)成，則該正弦波的頻率為：ＤＤＳ工作原理（一）ＤＤＳ工作原理（二）輸入頻率控制字為K，則相位增量為：

可見(jiàn)，相位增量是由頻率控制字K決定的。這樣，在特定時(shí)鐘控制下，K數(shù)值越大，“走”完一個(gè)相位圓的“步數(shù)”越少，所花的時(shí)間越短，輸出頻率越高。此時(shí)，頻率控制字K對(duì)輸出頻率即起到控制作用。點(diǎn)數(shù)25640966553642949672962856N8121620243248在實(shí)際的DDS中，為了降低ROM的內(nèi)存容量，采用了壓縮的方法，主要利用正弦波的對(duì)稱性，將360度范圍內(nèi)的幅、相點(diǎn)減少到90度以內(nèi)正弦函數(shù)的近似算法。ＤＤＳ工作原理（三）設(shè)相位累加器位數(shù)為N，頻率控制字為Ｋ，參考時(shí)鐘頻率為fc，則DDS輸出頻率為：

相位截?cái)嗾`差：一般舍去N的低位，只取N的高A位（如高16位）作為存儲(chǔ)器地址，使得相位的低位被截?cái)啵聪辔唤匚玻．?dāng)相位值變化小于1/2A時(shí)，波形幅值并不會(huì)發(fā)生變化，但輸出頻率的分辨率并不會(huì)降低，由于地址截?cái)喽鸬姆嫡`差，稱為截?cái)嗾`差。實(shí)際應(yīng)用中一般取1≤Ｋ≤(N-2)ＤＤＳ工作原理（四）單片集成化的DDS輸出輸出串/并選擇6位地址或串行編程8位并行數(shù)據(jù)FSK/BPSK/HOLD數(shù)據(jù)輸入4×～20×參考時(shí)鐘倍乘頻率累加器相位偏移及調(diào)制+相位累加器相位轉(zhuǎn)換器300MHzDDS參考時(shí)鐘濾波器濾波器12位D/AM/DAC復(fù)位12位D/A頻率控制字/相位字啟停邏輯I/O更新讀寫(xiě)可編程寄存器48位頻率控制字14位相位偏移/調(diào)制I/O端口緩沖12位AM調(diào)制比較器模擬輸入時(shí)鐘輸出AD9854DDS結(jié)構(gòu)+-ＤＤＳ小結(jié)優(yōu)點(diǎn)極高的頻率分辨率，可達(dá)微赫茲量級(jí)。例如，當(dāng)DDS時(shí)鐘采用300MHz，相位累加器字長(zhǎng)為48位，此時(shí)頻率分辨率約為1.066×10-6Hz，這在傳統(tǒng)的頻率合成技術(shù)看來(lái)是幾乎不可能實(shí)現(xiàn)的。輸出頻率相對(duì)帶寬很寬。極短的頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間，可達(dá)納秒量級(jí)。頻率轉(zhuǎn)換時(shí)的相位連續(xù)性。具有任意波形輸出能力。具有數(shù)字調(diào)制功能。缺點(diǎn)工作頻率的限制。輸出信號(hào)雜散抑制差。幾種頻率合成技術(shù)對(duì)比正弦信號(hào)源的典型應(yīng)用系統(tǒng)本振（相位噪聲頻率精度）器件（放大器）失真測(cè)試（三階交調(diào)寄生分量）接收機(jī)測(cè)試（寄生功率精度）掃描功能（功率掃描頻率掃描）的應(yīng)用

系統(tǒng)本振本振頻率精度決定發(fā)射機(jī)頻率精度本振相位噪聲會(huì)影響鄰?fù)ǖ佬盘?hào)

失真測(cè)試（一）三階交調(diào)

當(dāng)兩個(gè)信號(hào)進(jìn)入非線性系統(tǒng)，將產(chǎn)生其它頻率分量，這個(gè)寄生信號(hào)往往對(duì)有用信號(hào)產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾——互調(diào)失真。一階二階三階圖三階交調(diào)分量與三階交調(diào)截點(diǎn)失真測(cè)試（二）失真測(cè)試（三）放大器失真測(cè)試（三階交調(diào)測(cè)試）

接收機(jī)測(cè)試（寄生功率精度）

1dB壓縮點(diǎn)失真測(cè)試（四）可利用功率掃描功能進(jìn)行測(cè)試1dB壓縮點(diǎn)比正弦波信號(hào)源更進(jìn)一步！PSG8257D模似信號(hào)源E4438C或PSG8267D矢量信號(hào)源什么是調(diào)制？調(diào)制的基本意思是修正或調(diào)整。在通信中，它意味著在發(fā)送信號(hào)前要對(duì)該信號(hào)作某種形式的變化。如果我們能將此變化與我們要發(fā)送的信息相關(guān)聯(lián)，并在接收端可靠地檢測(cè)出此變化，就有可能導(dǎo)出我們想要發(fā)送的原數(shù)據(jù)。因此對(duì)任何調(diào)制都有兩項(xiàng)主要要求──信號(hào)特性的變化應(yīng)與發(fā)送的數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，并能可靠檢測(cè)到這一改變。這兩項(xiàng)要求適用于任何調(diào)制，包括模擬或數(shù)字調(diào)制。把信號(hào)調(diào)制到介質(zhì)有最好傳輸特性的頻段改善局部帶寬的使用無(wú)線電傳輸：減小天線的物理尺寸（f=30KHz→λ=10Km）在給定帶寬中實(shí)現(xiàn)多用戶的復(fù)用我們?yōu)槭裁匆M(jìn)行調(diào)制？調(diào)制種類（一）為了把信息信號(hào)（語(yǔ)音）放到載波信號(hào)上，我們可根據(jù)信息信號(hào)改變它的幅度、頻率或相位。模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制間的差別在于信息信號(hào)。在這兩種方案中，改變的是載波信號(hào)的幅度、頻率或相位（或是其組合）。在模擬調(diào)制中，載波參數(shù)按連續(xù)的模擬信息信號(hào)改變，在數(shù)字調(diào)制中，參數(shù)（幅度、頻率或相位）按離散的數(shù)字信息改變。調(diào)制種類（二）I-Q（矢量）調(diào)制幅度＝相位＝

調(diào)制的趨勢(shì)函數(shù)(波形)信號(hào)發(fā)生器函數(shù)(波形)信號(hào)發(fā)生器這一類混合信號(hào)源是為輸出具有模擬特點(diǎn)的波形而設(shè)計(jì)的，包括模擬波(如正弦波和三角形波)到“方形”波。這些波形因其合成原理而具有量化誤差，但同時(shí)，它也因此而能夠模擬“實(shí)際環(huán)境”信號(hào)所具有的不完美性。在通用混合信號(hào)源中，可以控制幅度、頻率、相位及DC偏移和上升時(shí)間與下降時(shí)間；可以生成過(guò)沖等畸變；可以增加邊沿抖動(dòng)、調(diào)制等等。AFG任意函數(shù)發(fā)生器（AibitrayFunctionGenerator）AWG任意波形發(fā)生器（AibitrayWaveGenerator）函數(shù)(波形)信號(hào)發(fā)生器可產(chǎn)生的信號(hào)正弦波方形波和矩形波鋸齒形波和三角形波步進(jìn)脈沖合成波模擬調(diào)制信號(hào)、數(shù)字調(diào)制信號(hào)、脈寬調(diào)制信號(hào)和正交調(diào)制信號(hào)數(shù)字碼型和格式偽隨機(jī)碼流和字流主要波形技術(shù)指標(biāo)（一）對(duì)于AWG和AFG這一類“混合”信號(hào)源來(lái)說(shuō)除了與正弦波信號(hào)源相類似的頻率、幅度等技術(shù)指標(biāo)外，根據(jù)其波形特點(diǎn)，還具有其它一些技術(shù)指標(biāo)：上升時(shí)間和下降時(shí)間脈寬脈沖基本特點(diǎn)主要波形技術(shù)指標(biāo)（二）偏移差分信號(hào)與單端信號(hào)AFG任意函數(shù)發(fā)生器（一）任意函數(shù)發(fā)生器(AFG)滿足了廣泛的激勵(lì)需求；事實(shí)上，它是當(dāng)前業(yè)內(nèi)流行的信號(hào)源結(jié)構(gòu)。一般來(lái)說(shuō)，這種儀器提供的波形變化要低于同等的AWG，但它具有杰出的穩(wěn)定性及對(duì)頻率變化有快速響應(yīng)能力。如果DUT要求典型的正弦波和方形波(等等)及要求能夠在兩個(gè)頻率之間幾乎瞬時(shí)切換，那么任意函數(shù)發(fā)生器(AFG)就提供了這種能力。另一個(gè)特點(diǎn)是任意函數(shù)發(fā)生器的成本很低，因此對(duì)不要求AWG通用性的應(yīng)用極具吸引力。AFG的許多功能與AWG相同，但AFG在設(shè)計(jì)上是一種專用性更強(qiáng)的儀器。AFG提供了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：它以標(biāo)準(zhǔn)形狀精確、捷變地生成穩(wěn)定的波形，特別是最重要的正弦波和方形波。AFG任意函數(shù)發(fā)生器（二）在過(guò)去，AFG使用模擬振蕩器和信號(hào)調(diào)節(jié)技術(shù)生成輸出信號(hào)。最新的AFG依賴直接數(shù)字合成(DDS)技術(shù)，確定將樣點(diǎn)讀出內(nèi)存的時(shí)鐘速率。典型的AFG僅在內(nèi)存中存儲(chǔ)少量的波形類型。一般來(lái)說(shuō)，正弦波和方形波是許多測(cè)試應(yīng)用使用最廣泛的波形。某些AFGs

則是混合設(shè)備，其提供了精確、捷變的基于DDS的正弦波和方形波；而其它波形則使用比較傳統(tǒng)的AWG技術(shù)生成。這是一種經(jīng)濟(jì)的解決方案，它通過(guò)最關(guān)鍵的功能實(shí)現(xiàn)了最高的性能。盡管AFG不能和AWG一樣生成幾乎任何可以想象的波形，但AFG可以生成世界各地的實(shí)驗(yàn)室、修理廠和設(shè)計(jì)部門中最常用的測(cè)試信號(hào)。此外，它提供了杰出的頻率捷變性。更重要的是，AFG通常是一種非常經(jīng)濟(jì)的測(cè)試方式。AFG任意函數(shù)發(fā)生器（三）AWG任意波形發(fā)生器（一）任意波形發(fā)生器(AWG)都可以生成您能夠想象的任何波形。您可以使用各種方法，從數(shù)學(xué)公式到“畫(huà)出”波形，生成所需的輸出。從根本上看，任意波形發(fā)生器(AWG)是一種完整的回放系統(tǒng)，它根據(jù)存儲(chǔ)的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)提供波形，這些數(shù)據(jù)描述了AC信號(hào)不斷變化的電壓電平。它是一種方塊圖看上去比較簡(jiǎn)單的工具。我們可以用人們熟悉的指標(biāo)描述AWG概念，它很象一臺(tái)唱片機(jī)，實(shí)時(shí)讀出存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)(在AWG中讀的是自己的波形內(nèi)存；在唱片機(jī)中讀的是唱片本身)。AWG任意波形發(fā)生器（二）內(nèi)存深度(記錄長(zhǎng)度)取樣(時(shí)鐘)速率帶寬垂直(幅度)分辨率水平(定時(shí))分辨率輸出通道數(shù)目數(shù)字輸出種類濾波排序、循環(huán)內(nèi)置編輯器（公式圖形序列）數(shù)據(jù)導(dǎo)入方式AFG/AWG性能指標(biāo)和考慮因素使用混合信號(hào)源生成波形TekAFG300系列任意函數(shù)/波形發(fā)生器AFG300系列產(chǎn)品是一種性能高超的16MHz函數(shù)發(fā)生器具有內(nèi)置任意波形生成功能。這種儀器支持各種標(biāo)準(zhǔn)波形，其中包括正弦波、方波、三角波、斜波、脈沖、DC和噪聲等波形。此外該儀器還具有掃頻功能以及三種工作方式連續(xù)、觸發(fā)和突發(fā)。TEKAWG4000系列任意波形發(fā)生器2或3條獨(dú)立波形通道16位(1/65