IC好文推薦：信號源是如何工作的？

2017-08-09 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網

信號源是四大通用電子測量儀器之一,其他三種是:網絡分析儀,頻譜分析儀和示波器。這篇介紹信號源所涉及的相關基礎知識。信號源的最常用的功能是用來產生一個正弦波,所以先從介紹正弦波的特征開始本篇文章。

一、正弦波的信號特性

通過正弦波信號的表達等式,可以反映其信號所包含的參數為:信號幅度;頻率;初始相位。信號的頻率和初始相位可以包含在信號的相位信息中。

對于理想的正弦波信號而言,其幅度和頻率及初始相位應該為確定參數,所以正弦波信號是比較簡單的信號。定義一個連續(xù)波信號只需要幅度和頻率兩方面指標。

圖1 正弦波信號特性

信號源產生正弦波的典型幅度參數有如下幾項:

圖2 信號源輸出正弦波的典型幅度參數

信號源要考慮幅度精度,以提高測試的可重復性,降低測試不確定度。

信號源的典型頻率參數有如下幾項:

圖3 信號源輸出正弦波的典型頻率參數

信號源的頻率精度與參考振蕩器的年老化率及校準之后經歷的時間有關。

實際正弦波的信號特征比理想信號要復雜的多,需要考慮相位噪聲,寄生調頻,雜散,如圖4所示。相位噪聲在頻域反映為噪聲邊帶,在時域上反映為隨機的相位抖動,可理解為有隨機的噪聲對理想正弦信號進行調相。

圖4 實際正弦波的信號特征

正弦波或連續(xù)波信號質量好壞的評估主要在頻域上進行,頻域上的雜散包含連續(xù)和離散成份,它們都對應時域上的失真。連續(xù)的噪聲邊帶稱為相位噪聲,離散的雜散根據其與基波的頻率關系分為諧波和雜波。

相位噪聲主要由振蕩器內部噪聲帶來,而諧波雜波的形成與器件的非線性有關:

vo(t) =a1 vi(t) + a2 vi2(t) + a3 vi3(t) + 。..

若輸入為理想正弦信號,通過非線性作用輸出為:

vo(t) =a1 sin(wt) + a2 sin2(wt) + a3 sin3(wt) + 。..

=a2/2 + a1 sin(wt) + 3a3/4 sin(wt)+ a2/2 sin(2wt) + a3/4 sin(3wt) + 。..

圖5 正弦信號的相位噪聲定義

相位噪聲指標主要在頻域上進行描述,用一定頻偏(offset)下單邊帶(SSB)噪聲功率譜密度與載波功率比值來表示。工程上考察的頻偏范圍為:10Hz ~ 1MHz, 頻偏橫座標用對數表示。

二、點頻信號源

一般來說,點頻信號源由三部分組成:

1. 參考源部分:決定整個信號源頻率穩(wěn)定度;

2. 頻率合成部分:決定輸出信號頻率參數;

3. 輸出功率控制部分:決定輸出信號功率參數

圖6 信號源組成框圖

合成滿足各項指標要求信號的技術稱為頻率合成技術,對信號頻率進行合成的方式主要有三種:

1.直接頻率合成

利用振蕩器直接輸出要求的頻率信號,晶體振蕩器因其Q值高而得到廣泛應用,采用恒溫晶振和穩(wěn)補晶振可進一步提高其頻率穩(wěn)定度。主要應用于單點頻率信號合成。

2. 間接頻率合成

利用PLL鎖相環(huán)進行頻率合成,其特點是可輸出寬頻率范圍信號,頻率變化步進較小,頻率跳變速度較快。但存在頻率變化步進和相噪指標相矛盾的缺點。PLL間接頻率合成是頻率合成的主要方式。

3.直接數字合成(DDS)

利用數字技術進行信號波形合成,其特點是輸出頻率步進指標很高,頻率跳變速度很快,但輸出頻率范圍較窄。

圖7 信號源頻率合成技術及其優(yōu)缺點

直接頻率合成技術原理框圖如下圖所示。采用溫補晶振和恒溫晶振可以提高晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度。

圖8 直接頻率合成原理框圖

間接頻率合成技術原理框圖如下圖所示。鎖相環(huán)由鑒相器;環(huán)路濾波器;壓控振蕩器(VCO);分頻器等組成。

從頻率關系上分析,PLL相當于一個倍頻器:PLL輸出信號頻率變化步進為其鑒相器工作頻率。

如果要求頻率變化步進越小,鑒相頻率相應變小,而要保證輸出頻率值則N值相應變大。較小的鑒相頻率會使PLL環(huán)路帶寬相應減小,從而使PLL動態(tài)性能(頻率跳變速度)變壞。

圖10 間接頻率合成原理框圖

對PLL輸出信號的相位噪聲指標進行分析。

對參考源,PLL 為低通特性,帶寬為環(huán)路帶寬。PLL輸出相噪是參考信號相噪按N倍頻惡化。N越大,PLL輸出相噪指標越差。在環(huán)路帶寬外,PLL輸出相噪由VCO 決定。

圖11 鎖相環(huán)輸出相位噪聲指標

提高PLL輸出信號相位噪聲指標的原則是減小分頻比N,通過采用多鎖相環(huán)和小數分頻技術可以實現(xiàn)以上目的。

圖12 改善PLL輸出信號相噪的方法

直接數字頻率合成DDS是隨著數字技術的發(fā)展而出現(xiàn)的新技術,原理框圖如下圖所示。DDS由相位累加器;ROM 表;DAC;低通濾波器組成。

圖13 DDS直接數字合成技術原理框圖

信號源利用ALC(自動電平控制)技術來保證輸出信號的幅度。大范圍幅度調整由衰減器完成。

圖14 信號源輸出信號功率的控制

點頻信號源的應用:

1.系統(tǒng)本振:

–相位噪聲

–頻率精度

2.器件失真性能測試

–雜散

–三階失真TOI

3.接收機測試:

–調制方式

–幅度精度

–雜散性能

一般點頻信號源都有掃描的功能,包括:頻率掃描功能和功率掃描功能。

頻率掃描有2種方式:步進掃描和列表掃描。頻率掃描需要關注:電平精度,平坦度,源匹配。

步進掃描需要關注:精度,掃描點數,切換時間。列表掃描需要關注:精度,切換時間,停留時間。

功率掃描需要關注:功率掃描范圍,功率斜率范圍,源匹配。功率掃描通過:自動電平控制ALC,ALC檢測器,ALC驅動器和ALC調制器配合完成。

三、模擬信號發(fā)生器即模擬調制信號源

調制信號根據其調制信號的不同可分為模擬調制和數字調制。

正弦波信號含有三個獨立參數,幅度,頻率和相位。如果一個連續(xù)正弦波未調制的話,那它的包絡幅度,振動頻率以及初相永遠會是一個常數(不考慮噪聲因素),這樣的正弦波信息量為零。我們傳統(tǒng)的模擬調制,就是用調制信號改變載波的這三個參量,使載波攜帶調制的信息,從一端傳到另一端。

為什么調制信號要被調制到載波上去呢?載波的功能在于:使用一個更高的RF或MW頻率作為載波,這樣信息會使傳播更遠,如用基帶傳播,距離一般會越近越好,打個比方,就好比你用電話與大樓內其他同事聯(lián)系比你站在走廊上大喊大叫要方便和省力多了。很多人想象數字調制是一種新技術,但實際上所有調制方式都可歸結為基本為AM,FM和PM。

圖15 調制信息所在位置

調幅AM信號需以下參數:

1.載波頻率

2.調制信號頻率

3.調制指數

圖16 幅度調制AM

調頻FM信號需以下參數:

1.載波頻率

2.調制信號頻率

3.調制頻偏

4.調制指數

圖17 頻率調制FM

圖18 相位調制PM

圖19 脈沖調制

圖20 模擬調制信號源原理框圖

四、矢量信號發(fā)生器即數字調制信號源

圖21 各種調制方式波形對比

用矢量來描述一個正弦波是非常方便的。在極坐標中,矢量表示正弦波的峰值電壓幅度對于相位改變量的關系。相位旋轉360度表示一個完整的頻率周期。請注意,相向符號提供了一種表示正弦波相位隨時間變化的便捷方法。圖中示波器表示了一種信號幅度隨時間變化的過程。向量不能直接提供任何頻率信息。事實上,我們測量向量相對于載波信號的參考相位。這樣作意味著,矢量僅在頻率不同時會發(fā)生旋轉。

圖22 極坐標中,用矢量來描述一個正弦波

下圖各種調制信號在I/Q平面表示的例子。理解了它們,你對所有I/Q調制原理也就理解了。在任何I/Q圖中,如圖信號沿徑向改變幅度,意味著信號相位在變化(且僅僅是相位發(fā)生變化)。所以AM調制,I/Q圖中僅是矢量徑向變化。PM調制是矢量旋轉。FM看起來象PM,因為偏離載波頻率就是單位時間內相位的變化。記住,幅度和相位變化都是相對于未調制載波的。失量圖(Vector diagram) 是描述矢量信號變化軌跡的一種直觀方式。

圖23 極坐標中的信號改變

矢量的相位直接測量比較困難。實際的接收機和測量系統(tǒng)使用I/Q解調方式。它把信號相位的控制問題轉換成2路正交分量電壓的控制問題。

首先因為它簡單,接口簡單,電路簡單,基帶實現(xiàn)簡單;第二,I/Q表示了對調制信號正交變量,一個信號相對于載波90度相移,如果僅用I通道檢測,由于COS(90°)=0, 雖然輸入信號存在,但I路輸出為0V, 那I路無輸出信號。所以,通過分別測量信號同相和正交分量,我們不用直接去測量信號的相對相位。

I/Q解調器可測量幅度和相位,那頻率參量怎么辦呢?頻率是相位相對于時間的變化,I/Q解調器實際上直接測量所有類型的調制而不是僅對AM,PM,FM調制信號進行測量。

圖24 I-Q格式坐標

圖25 BPSK時域頻域特征

圖26 QPSK時域和星座圖映射

觀察數字調制信號的令一種方法是采用眼圖?？缮蓛蓮埐煌难蹐D,一張是I通道數據,另一張是Q通道數據。

眼圖以無限持續(xù)的方式反復顯示I和Q幅度對時間。I和Q轉換可單獨顯示,在確定符號的時刻形成“眼睛”。QPSK有4個不同I/Q狀態(tài),各在一個象限。I/Q各有兩個電平,對每個I和Q形成一個眼睛。下面一張圖是16QAM的例子,4電平圍成3只眼。重要的是理解眼圖的概念。好的信號具有“張大”的眼睛,交點對應星座圖上符號點位置,調制質量越高,交點越集中。