RF信號發(fā)生器的使用與介紹 (2)課件

《射頻微波測量技術(shù)》前置放大功放濾波基帶信號基帶信號發(fā)射本振低噪聲放大雙工器接收本振濾波思考：語音信號如何傳送到很遠(yuǎn)的地方？收音機(jī)選臺本質(zhì)上是調(diào)節(jié)什么？定義：一般將輸出頻率范圍在300MHz～

30GHz、工作波長為1m～10mm的信號發(fā)生器稱為微波信號發(fā)生器。輸出頻率范圍在30GHz～

300GHz、工作波長為10mm～1mm的信號發(fā)生器稱為毫米波信號發(fā)生器。30MHz300MHz3GHz30GHz300GHz米波分米波厘米波毫米波一、微波信號源的性能特性二、微波信號源的種類三、微波掃源四、微波合成源五、微波合成掃源六、微波信號源新技術(shù)本章主要內(nèi)容dBm,dBw,dBμvdBm:10lg(P/1mw)dBw:10lg(P)dBμv:20lg(U/1μv) dBuV=90+dBm+10*log(R) dBuV=107+dBm(50歐姆) dBuV=108.75+dBm(75歐姆)對數(shù)表示更直觀

1W =30dBm 100mW =20dBm 10mW =10dBm 1mW =0dBm 0.1mW =-10dBm 0.01mW =-20dBm 0.001mW =-30dBm 0.0001mW =-40dBmRF儀器中，功率常用線性和對數(shù)兩種方式顯示。線性顯示時，單位為V、mV、uV等；對數(shù)顯示時，單位為dBm、dBuV等。一、微波信號源的性能特性理想的微波信號是CW信號定常波（CostantWave)：正弦波的各個系數(shù)都是常數(shù)連續(xù)波（ContinueWave)：無始無終的正弦波

u（t）=A0cos（ω0t+ψ0）

微波信號信號

信號是可以以某種方式感知的客觀現(xiàn)象信號可以按照其物理和數(shù)學(xué)特征分類信號具備可以被感知和描述的特征信號可以提供或探索信息信號發(fā)生器是信號的產(chǎn)生裝置物理特征分類聲信號光信號電信號數(shù)學(xué)特征分類正弦信號脈沖信號隨機(jī)信號高低強(qiáng)弱明暗顏色場強(qiáng)波形振幅頻率周期脈寬均值方差信息信息信息源發(fā)出信號信號特征測量分析獲取信息信號源激勵信號被測網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)信號信號特征比對網(wǎng)絡(luò)信息反求載波信號調(diào)制調(diào)制信號信息注入傳輸調(diào)制信號解調(diào)信息再生電信號對電磁場存在特征的物理表達(dá)和數(shù)學(xué)描述電磁場某一特征的表征量對時間的變化關(guān)系如電壓、電流、場強(qiáng)、電勢、磁通等等

傅立葉級數(shù)與傅立葉變換

u(t)<=>U(f)周期信號可以表示為一系列不同幅度、頻率和初始相位的正弦信號的疊加非周期信號可以表示為具有不同分布密度的正弦信號的疊加utf由于工程和技術(shù)的原因，微波信號往往是在頻域表達(dá)的；根據(jù)微波的正弦表達(dá)式，信號具有幅度頻率和相位特性；實(shí)際的微波信號其正弦表達(dá)式的每一個因子都是時變的；根據(jù)信號特征的變化，微波信號可以調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相；在線性系統(tǒng)中，調(diào)頻和調(diào)相是可以互相轉(zhuǎn)化的表達(dá)形式；在非線性系統(tǒng)中，調(diào)幅和調(diào)頻調(diào)相可以有條件互相轉(zhuǎn)化。微波信號A（ω）諧波寄生實(shí)際信號理想信號分諧波譜密度ω微波信號特征參數(shù)頻率特性頻率：信號特征每秒中重復(fù)次數(shù)；周期，波長，角頻率頻率穩(wěn)定度：頻率隨時間的起伏變化；長期，短期頻率準(zhǔn)確度：實(shí)際頻率與標(biāo)稱頻率的差異；絕對，相對頻率分辨率：最小頻率變化間隔；絕對，相對跳頻速度：頻率突變的過渡時間諧波寄生：波形畸變造成的倍頻伴隨分量；分諧波非諧波：無規(guī)則寄生伴隨頻率分量相位噪聲：隨機(jī)相位起伏造成的頻譜展寬；剩余調(diào)頻：掃頻信號發(fā)生器在無調(diào)制點(diǎn)頻工作狀態(tài)下，輸出信號頻率的短期不穩(wěn)定度或晃動。掃頻特性：頻率連續(xù)變化特性；掃頻速度、準(zhǔn)確度微波信號特征參數(shù)功率特性功率：向特定阻抗負(fù)載注入能量的能力；振幅功率穩(wěn)定度：功率隨時間的起伏變化；長期，短期功率準(zhǔn)確度：實(shí)際功率與標(biāo)稱功率的差異；功率平坦度功率分辨率：功率變化的最小間隔源駐波：信號源吸收倒灌功率的能力微波信號源功能與構(gòu)成微波振蕩源穩(wěn)幅功率準(zhǔn)確度功率穩(wěn)定度功率平坦度功率分辨率信號源駐波掃描模擬掃步進(jìn)掃列表掃鎖滾掃合成掃功率掃合成準(zhǔn)確穩(wěn)定捷變高純高分辨率調(diào)制脈沖調(diào)制調(diào)幅調(diào)頻調(diào)相組合調(diào)制I/Q調(diào)制一個微波振蕩器，配以必要的控制驅(qū)動電路，就構(gòu)成了最基本的信號源。不同的應(yīng)用，對信號源的輸出有不同的特性要求。信號源的設(shè)計，就是圍繞振蕩器，施加不同的控制處理電路，滿足不同應(yīng)用需求的過程。二、微波信號源的種類信號源一般有以下三種：微波掃源微波合成源微波合成掃源三、微波掃源輸出信號的頻率在一定范圍內(nèi)，按照一定規(guī)律重復(fù)連續(xù)變化的信號源成為掃頻信號源。在某一時刻，掃源的輸出波形為正弦波，因此，微波掃源具有一般正弦信號源的特性。掃源也可以設(shè)置成單一連續(xù)波頻率的工作狀態(tài)。主振AF振蕩器模型|AF|>1AF=2n常用的振蕩器VCXO壓控晶振DRO介質(zhì)振蕩器VTO（VCO）壓控振蕩器YTOYIG振蕩器OCXO恒溫晶振頻率單一頻譜純凈穩(wěn)定度好頻率微調(diào)頻譜純凈穩(wěn)定度較好頻率單一頻譜較凈穩(wěn)定度較好調(diào)諧范圍較大頻譜一般穩(wěn)定度一般調(diào)諧范圍很寬頻譜一般穩(wěn)定度一般微波掃源的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)電路相對簡單成本相對較低缺點(diǎn)頻率穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度都很差由于剩余調(diào)頻很大，談不上相位噪聲四、微波合成源微波掃源實(shí)現(xiàn)比較容易，頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度比較差，不能用于精密測量場合。利用頻率合成技術(shù)，使得頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度達(dá)到要求，稱該源為微波合成源。頻率合成頻率合成是指利用物理方法實(shí)現(xiàn)頻率的數(shù)學(xué)運(yùn)算直接合成包括分頻、倍頻、混頻、取樣數(shù)字直接合成間接合成主要是指鎖相環(huán)（PLL）頻率合成數(shù)字合成DDS☆相位累加器☆相位寄存器☆D/A☆低通濾波鎖相合成☆相位負(fù)反饋☆鑒頻鑒相器☆環(huán)路濾波器☆VCO直接合成☆混頻（加、減）☆倍頻（乘）☆分頻（除）☆濾波頻率合成

請大家思考DS、PLL、DDS這3種頻率合成技術(shù)的原理和優(yōu)缺點(diǎn)？

熟悉這3種技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)對于指導(dǎo)我們的設(shè)計有非常重要的作用，下面我們一起來復(fù)習(xí)。直接式頻率合成——DS直接式頻率合成使用的元件多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大，造價高，雜波抑制太差，這是它的一個致命缺點(diǎn)，足以抵消它的所有優(yōu)點(diǎn)。如何抑制雜波以及組合頻率也是直接頻率合成器首要關(guān)注的問題。因此，幾乎在所有的應(yīng)用場合，均被鎖相技術(shù)的間接頻率合成方法所代替。

間接式頻率合成間接式頻率合成是第二代頻率合成技術(shù)，以高指標(biāo)的晶體振蕩器作為參考頻率，利用鎖相環(huán)技術(shù)進(jìn)行鎖相并達(dá)到倍頻的目的，產(chǎn)生所需要的頻點(diǎn)。間接式頻率合成又稱鎖相環(huán)頻率合成技術(shù)。合成器具有良好的窄帶跟蹤特性，可以很好的選擇所需要頻率的信號，頻率覆蓋范圍較大，雜散抑制也很好，并且避免了使用大量的濾波器，十分有利于集成化和小型化。參考文獻(xiàn)：

AnalogDevices,Fractional-NFrequencySynthesizer,ADF4154,DeviceDatasheet,2004:6~7基本鎖相環(huán)FoFr頻率參考鑒頻／鑒相器環(huán)路濾波器調(diào)諧振蕩器反饋網(wǎng)絡(luò)(Ｔ)FvfOUTPDLPFVCOfREF

fOUT=N×fREF÷N微波鎖相環(huán)

fOUT=N×fLO+fREFPDLPFVCO×NfREFfOUTfLOfIFoFr頻率參考鑒頻／鑒相器環(huán)路濾波器調(diào)諧振蕩器反饋網(wǎng)絡(luò)(Ｔ)Fv輸出信號的相位噪聲相噪頻偏振蕩器自由噪聲頻率參考等效噪聲鎖相輸出實(shí)際噪聲低通濾波增益帶寬FoFr頻率參考鑒頻／鑒相器環(huán)路濾波器調(diào)諧振蕩器反饋網(wǎng)絡(luò)(Ｔ)Fv鎖相頻率合成技術(shù)最大的缺點(diǎn)是頻率步進(jìn)和跳頻時間相互制約。為使PLL的轉(zhuǎn)換時間比較快，由經(jīng)驗(yàn)公式或者仿真容易知道，這需要提高PLL的參考信號頻率，但這樣會使頻率步進(jìn)太大，也就是頻率分辨率降低。整數(shù)分頻頻率合成器，跳頻時間和頻率分辨率是不可調(diào)和的矛盾，所以整數(shù)鎖相環(huán)往往難以滿足實(shí)際需要；如果減小步進(jìn)而降低參考信號頻率，又會增加頻率轉(zhuǎn)換時間和相位噪聲。小數(shù)分頻器在一定程度上緩和了這個矛盾，在較大的鑒相頻率下，小數(shù)分頻頻率合成器可以實(shí)現(xiàn)小數(shù)分頻，使得頻率合成器的分辨率可以很小，而鑒相頻率不變，也就是說保持了較短的跳頻時間。小數(shù)分頻器的雜散抑制比較差，目前主流芯片只能做到-70dBc。直接數(shù)字頻率合成——DDS數(shù)字直接式頻率合成是第三代頻率合成技術(shù)。它利用數(shù)字計算機(jī)和數(shù)模變換器來產(chǎn)生信號。完成直接式頻率合成的辦法，或者是利用計算機(jī)求解一個數(shù)字遞推關(guān)系式，或者是查詢表格上所存儲的正弦波值。目前用得較多的是查表法。這種合成器體積小、功耗低，并且可以幾乎是實(shí)時的以連續(xù)相位轉(zhuǎn)換頻率，給出非常高的頻率分辨率。參考文獻(xiàn)：AnalogDevices,Inc.,2.7GHzDDS-BasedAgiledRFSynthesizerAD9956,DeviceDatasheet,2004:1~15DDS累加器寄存器cosθD/ALPF循環(huán)展開低通濾波直接數(shù)字頻率合成——DDS直接式數(shù)字頻率合成器有一個很大的缺點(diǎn)，其輸出的信號頻率較低，目前形成產(chǎn)品的DDS芯片的最高時鐘頻率到1.6GHz，而且實(shí)際輸出頻率更低，約600MHz。直接式數(shù)字頻率合成器還有一個弱點(diǎn)，其輸出雜散抑制差。目前，據(jù)資料，AD公司的DDS產(chǎn)品在窄帶輸出的情況下，雜散抑制能夠做到80dBc。參考文獻(xiàn)：AnalogDevices,Inc.,2.7GHzDDS-BasedAgiledRFSynthesizerAD9956,DeviceDatasheet,2004:1~15微波頻率合成器的原理框圖時基參考信號發(fā)生器中頻環(huán)本振環(huán)鑒相器取樣器帶通/隔離微波主振環(huán)路濾波器中頻frf1fVfO本振環(huán)時基參考信號發(fā)生器中頻環(huán)本振環(huán)鑒相器取樣器帶通/隔離微波主振環(huán)路濾波器中頻frf1fVfO中頻環(huán)時基參考信號發(fā)生器中頻環(huán)本振環(huán)鑒相器取樣器帶通/隔離微波主振環(huán)路濾波器中頻frf1fVfO把微波頻率分辨率轉(zhuǎn)化為射頻載波下的同等分辨率，降低了相對分辨率要求，那么問題解決了嗎？小數(shù)分頻技術(shù)DDS技術(shù)儀器軟件各種誤差補(bǔ)償電平準(zhǔn)確度補(bǔ)償電平平坦度補(bǔ)償YTO線性補(bǔ)償掃頻準(zhǔn)確度補(bǔ)償儀器的自檢測、自診斷復(fù)雜的步進(jìn)掃頻、列表掃頻功能……微波合成源實(shí)例分析Φ緩沖分頻參考環(huán)ΦLFN.FΦYO驅(qū)動ΦLF8~10YIG梳狀波發(fā)生器⊕CPU控制5M10MCPU控制÷10÷101M10M÷2÷4500M~1GVCO795~1005M5MSTEP50~100M小數(shù)環(huán)YO環(huán)步進(jìn)環(huán)800M~1G440MHzOCXOEXTRET10MDAC五、微波合成掃源 微波模擬掃源的缺點(diǎn)： 頻率精度和頻率穩(wěn)定性都非常差，即便是通過各種補(bǔ)償措施也不能達(dá)到精密測量的要求 為了克服模擬掃源的缺點(diǎn)，結(jié)合微波合成源的的優(yōu)點(diǎn)，人們研制出了具有模擬掃頻功能的合成源，這是我們接下來要討論的微波合成掃源合成掃源示意框圖環(huán)路濾波器鑒相器取樣保持求和調(diào)諧振蕩器計數(shù)器掃描發(fā)生器取樣器中頻參考ｆｒｆｖｆｏ頻率預(yù)制合成掃頻信號發(fā)生器基本構(gòu)成掃頻方式一“鎖滾”式合成掃頻

先鎖定起始頻率，使用取樣保持電路保持住起始點(diǎn)壓，然后斷開環(huán)路，將掃描電壓疊加到起始點(diǎn)壓上，實(shí)現(xiàn)“鎖滾”式合成掃頻。tVtVtV+=前提是主振的掃頻特性是線性的，掃描速度和掃寬準(zhǔn)確tfYTOI/V轉(zhuǎn)換tf缺點(diǎn)： 掃描過程中沒有修正，由于掃速掃寬不準(zhǔn)確導(dǎo)致終止頻率不準(zhǔn)確tVt0t0f0f1f2需要的斜率實(shí)際的斜率需要的頻率實(shí)際輸出頻率掃頻方式二帶掃頻準(zhǔn)確度校準(zhǔn)的“鎖