IC好文推薦：信號(hào)源是如何工作的？

2017-08-09 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

信號(hào)源是四大通用電子測(cè)量?jī)x器之一,其他三種是:網(wǎng)絡(luò)分析儀,頻譜分析儀和示波器。這篇介紹信號(hào)源所涉及的相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)。信號(hào)源的最常用的功能是用來產(chǎn)生一個(gè)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(hào)特性

通過正弦波信號(hào)的表達(dá)等式,可以反映其信號(hào)所包含的參數(shù)為:信號(hào)幅度;頻率;初始相位。信號(hào)的頻率和初始相位可以包含在信號(hào)的相位信息中。

對(duì)于理想的正弦波信號(hào)而言,其幅度和頻率及初始相位應(yīng)該為確定參數(shù),所以正弦波信號(hào)是比較簡(jiǎn)單的信號(hào)。定義一個(gè)連續(xù)波信號(hào)只需要幅度和頻率兩方面指標(biāo)。

圖1 正弦波信號(hào)特性

信號(hào)源產(chǎn)生正弦波的典型幅度參數(shù)有如下幾項(xiàng):

圖2 信號(hào)源輸出正弦波的典型幅度參數(shù)

信號(hào)源要考慮幅度精度,以提高測(cè)試的可重復(fù)性,降低測(cè)試不確定度。

信號(hào)源的典型頻率參數(shù)有如下幾項(xiàng):

圖3 信號(hào)源輸出正弦波的典型頻率參數(shù)

信號(hào)源的頻率精度與參考振蕩器的年老化率及校準(zhǔn)之后經(jīng)歷的時(shí)間有關(guān)。

實(shí)際正弦波的信號(hào)特征比理想信號(hào)要復(fù)雜的多,需要考慮相位噪聲,寄生調(diào)頻,雜散,如圖4所示。相位噪聲在頻域反映為噪聲邊帶,在時(shí)域上反映為隨機(jī)的相位抖動(dòng),可理解為有隨機(jī)的噪聲對(duì)理想正弦信號(hào)進(jìn)行調(diào)相。

圖4 實(shí)際正弦波的信號(hào)特征

正弦波或連續(xù)波信號(hào)質(zhì)量好壞的評(píng)估主要在頻域上進(jìn)行,頻域上的雜散包含連續(xù)和離散成份,它們都對(duì)應(yīng)時(shí)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(jù)其與基波的頻率關(guān)系分為諧波和雜波。

相位噪聲主要由振蕩器內(nèi)部噪聲帶來,而諧波雜波的形成與器件的非線性有關(guān):

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

若輸入為理想正弦信號(hào),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(hào)的相位噪聲定義

相位噪聲指標(biāo)主要在頻域上進(jìn)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(biāo)用對(duì)數(shù)表示。

二、點(diǎn)頻信號(hào)源

一般來說,點(diǎn)頻信號(hào)源由三部分組成:

1. 參考源部分:決定整個(gè)信號(hào)源頻率穩(wěn)定度;

2. 頻率合成部分:決定輸出信號(hào)頻率參數(shù);

3. 輸出功率控制部分:決定輸出信號(hào)功率參數(shù)

圖6 信號(hào)源組成框圖

合成滿足各項(xiàng)指標(biāo)要求信號(hào)的技術(shù)稱為頻率合成技術(shù),對(duì)信號(hào)頻率進(jìn)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(hào),晶體振蕩器因其Q值高而得到廣泛應(yīng)用,采用恒溫晶振和穩(wěn)補(bǔ)晶振可進(jìn)一步提高其頻率穩(wěn)定度。主要應(yīng)用于單點(diǎn)頻率信號(hào)合成。

2. 間接頻率合成

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

3.直接數(shù)字合成(DDS)

利用數(shù)字技術(shù)進(jìn)行信號(hào)波形合成,其特點(diǎn)是輸出頻率步進(jìn)指標(biāo)很高,頻率跳變速度很快,但輸出頻率范圍較窄。

圖7 信號(hào)源頻率合成技術(shù)及其優(yōu)缺點(diǎn)

直接頻率合成技術(shù)原理框圖如下圖所示。采用溫補(bǔ)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(shù)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(guān)系上分析,PLL相當(dāng)于一個(gè)倍頻器:PLL輸出信號(hào)頻率變化步進(jìn)為其鑒相器工作頻率。

如果要求頻率變化步進(jìn)越小,鑒相頻率相應(yīng)變小,而要保證輸出頻率值則N值相應(yīng)變大。較小的鑒相頻率會(huì)使PLL環(huán)路帶寬相應(yīng)減小,從而使PLL動(dòng)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(duì)PLL輸出信號(hào)的相位噪聲指標(biāo)進(jìn)行分析。

對(duì)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(hào)相噪按N倍頻惡化。N越大,PLL輸出相噪指標(biāo)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(biāo)

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

圖12 改善PLL輸出信號(hào)相噪的方法

直接數(shù)字頻率合成DDS是隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的新技術(shù),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(shù)字合成技術(shù)原理框圖

信號(hào)源利用ALC(自動(dòng)電平控制)技術(shù)來保證輸出信號(hào)的幅度。大范圍幅度調(diào)整由衰減器完成。

圖14 信號(hào)源輸出信號(hào)功率的控制

點(diǎn)頻信號(hào)源的應(yīng)用:

1.系統(tǒng)本振:

–相位噪聲

–頻率精度

2.器件失真性能測(cè)試

–雜散

–三階失真TOI

3.接收機(jī)測(cè)試:

–調(diào)制方式

–幅度精度

–雜散性能

一般點(diǎn)頻信號(hào)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(jìn)掃描和列表掃描。頻率掃描需要關(guān)注:電平精度,平坦度,源匹配。

步進(jìn)掃描需要關(guān)注:精度,掃描點(diǎn)數(shù),切換時(shí)間。列表掃描需要關(guān)注:精度,切換時(shí)間,停留時(shí)間。

功率掃描需要關(guān)注:功率掃描范圍,功率斜率范圍,源匹配。功率掃描通過:自動(dòng)電平控制ALC,ALC檢測(cè)器,ALC驅(qū)動(dòng)器和ALC調(diào)制器配合完成。

三、模擬信號(hào)發(fā)生器即模擬調(diào)制信號(hào)源

調(diào)制信號(hào)根據(jù)其調(diào)制信號(hào)的不同可分為模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制。

正弦波信號(hào)含有三個(gè)獨(dú)立參數(shù),幅度,頻率和相位。如果一個(gè)連續(xù)正弦波未調(diào)制的話,那它的包絡(luò)幅度,振動(dòng)頻率以及初相永遠(yuǎn)會(huì)是一個(gè)常數(shù)(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(diào)制,就是用調(diào)制信號(hào)改變載波的這三個(gè)參量,使載波攜帶調(diào)制的信息,從一端傳到另一端。

為什么調(diào)制信號(hào)要被調(diào)制到載波上去呢?載波的功能在于:使用一個(gè)更高的RF或MW頻率作為載波,這樣信息會(huì)使傳播更遠(yuǎn),如用基帶傳播,距離一般會(huì)越近越好,打個(gè)比方,就好比你用電話與大樓內(nèi)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(shù)字調(diào)制是一種新技術(shù),但實(shí)際上所有調(diào)制方式都可歸結(jié)為基本為AM,FM和PM。

圖15 調(diào)制信息所在位置

調(diào)幅AM信號(hào)需以下參數(shù):

1.載波頻率

2.調(diào)制信號(hào)頻率

3.調(diào)制指數(shù)

圖16 幅度調(diào)制AM

調(diào)頻FM信號(hào)需以下參數(shù):

1.載波頻率

2.調(diào)制信號(hào)頻率

3.調(diào)制頻偏

4.調(diào)制指數(shù)

圖17 頻率調(diào)制FM

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圖18 相位調(diào)制PM

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圖19 脈沖調(diào)制

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圖20 模擬調(diào)制信號(hào)源原理框圖

四、矢量信號(hào)發(fā)生器即數(shù)字調(diào)制信號(hào)源

圖21 各種調(diào)制方式波形對(duì)比

用矢量來描述一個(gè)正弦波是非常方便的。在極坐標(biāo)中,矢量表示正弦波的峰值電壓幅度對(duì)于相位改變量的關(guān)系。相位旋轉(zhuǎn)360度表示一個(gè)完整的頻率周期。請(qǐng)注意,相向符號(hào)提供了一種表示正弦波相位隨時(shí)間變化的便捷方法。圖中示波器表示了一種信號(hào)幅度隨時(shí)間變化的過程。向量不能直接提供任何頻率信息。事實(shí)上,我們測(cè)量向量相對(duì)于載波信號(hào)的參考相位。這樣作意味著,矢量?jī)H在頻率不同時(shí)會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)。

圖22 極坐標(biāo)中,用矢量來描述一個(gè)正弦波

下圖各種調(diào)制信號(hào)在I/Q平面表示的例子。理解了它們,你對(duì)所有I/Q調(diào)制原理也就理解了。在任何I/Q圖中,如圖信號(hào)沿徑向改變幅度,意味著信號(hào)相位在變化(且僅僅是相位發(fā)生變化)。所以AM調(diào)制,I/Q圖中僅是矢量徑向變化。PM調(diào)制是矢量旋轉(zhuǎn)。FM看起來象PM,因?yàn)槠x載波頻率就是單位時(shí)間內(nèi)相位的變化。記住,幅度和相位變化都是相對(duì)于未調(diào)制載波的。失量圖(Vector diagram) 是描述矢量信號(hào)變化軌跡的一種直觀方式。

圖23 極坐標(biāo)中的信號(hào)改變

矢量的相位直接測(cè)量比較困難。實(shí)際的接收機(jī)和測(cè)量系統(tǒng)使用I/Q解調(diào)方式。它把信號(hào)相位的控制問題轉(zhuǎn)換成2路正交分量電壓的控制問題。

首先因?yàn)樗?jiǎn)單,接口簡(jiǎn)單,電路簡(jiǎn)單,基帶實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單;第二,I/Q表示了對(duì)調(diào)制信號(hào)正交變量,一個(gè)信號(hào)相對(duì)于載波90度相移,如果僅用I通道檢測(cè),由于COS(90°)=0, 雖然輸入信號(hào)存在,但I(xiàn)路輸出為0V, 那I路無(wú)輸出信號(hào)。所以,通過分別測(cè)量信號(hào)同相和正交分量,我們不用直接去測(cè)量信號(hào)的相對(duì)相位。

I/Q解調(diào)器可測(cè)量幅度和相位,那頻率參量怎么辦呢?頻率是相位相對(duì)于時(shí)間的變化,I/Q解調(diào)器實(shí)際上直接測(cè)量所有類型的調(diào)制而不是僅對(duì)AM,PM,FM調(diào)制信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。

圖24 I-Q格式坐標(biāo)

圖25 BPSK時(shí)域頻域特征

圖26 QPSK時(shí)域和星座圖映射

觀察數(shù)字調(diào)制信號(hào)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(shù)據(jù),另一張是Q通道數(shù)據(jù)。

眼圖以無(wú)限持續(xù)的方式反復(fù)顯示I和Q幅度對(duì)時(shí)間。I和Q轉(zhuǎn)換可單獨(dú)顯示,在確定符號(hào)的時(shí)刻形成“眼睛”。QPSK有4個(gè)不同I/Q狀態(tài),各在一個(gè)象限。I/Q各有兩個(gè)電平,對(duì)每個(gè)I和Q形成一個(gè)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(hào)具有“張大”的眼睛,交點(diǎn)對(duì)應(yīng)星座圖上符號(hào)點(diǎn)位置,調(diào)制質(zhì)量越高,交點(diǎn)越集中。