圖文并茂，一文讀懂信號源

2017-03-19 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

信號源是四大通用電子測量儀器之一,其他三種是:網(wǎng)絡(luò)分析儀,頻譜分析儀和示波器。這篇介紹信號源所涉及的相關(guān)基礎(chǔ)知識。信號源的最常用的功能是用來產(chǎn)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(dá)等式,可以反映其信號所包含的參數(shù)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(yīng)該為確定參數(shù),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(biāo)。

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圖1 正弦波信號特性

信號源產(chǎn)生正弦波的典型幅度參數(shù)有如下幾項:

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圖2 信號源輸出正弦波的典型幅度參數(shù)

信號源要考慮幅度精度,以提高測試的可重復(fù)性,降低測試不確定度。

信號源的典型頻率參數(shù)有如下幾項:

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圖3 信號源輸出正弦波的典型頻率參數(shù)

信號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)歷的時間有關(guān)。

實際正弦波的信號特征比理想信號要復(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(diào)相。

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圖4 實際正弦波的信號特征

正弦波或連續(xù)波信號質(zhì)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(yīng)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(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,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) + 。..

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圖5 正弦信號的相位噪聲定義

相位噪聲指標(biāo)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(biāo)用對數(shù)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(shù);

3. 輸出功率控制部分:決定輸出信號功率參數(shù)

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圖6 信號源組成框圖

合成滿足各項指標(biāo)要求信號的技術(shù)稱為頻率合成技術(shù),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(yīng)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(yīng)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(biāo)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(shù)字合成(DDS)

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

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圖7 信號源頻率合成技術(shù)及其優(yōu)缺點

直接頻率合成技術(shù)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。

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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(yīng)變小,而要保證輸出頻率值則N值相應(yīng)變大。較小的鑒相頻率會使PLL環(huán)路帶寬相應(yīng)減小,從而使PLL動態(tài)性能(頻率跳變速度)變壞。

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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(biāo)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(biāo)越差。在環(huán)路帶寬外,PLL輸出相噪由VCO 決定。

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圖11 鎖相環(huán)輸出相位噪聲指標(biāo)

提高PLL輸出信號相位噪聲指標(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)可以實現(xiàn)以上目的。

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圖12 改善PLL輸出信號相噪的方法

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。

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圖13 DDS直接數(shù)字合成技術(shù)原理框圖

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

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圖14 信號源輸出信號功率的控制

點頻信號源的應(yīng)用:

1.系統(tǒng)本振:

–相位噪聲

–頻率精度

2.器件失真性能測試

–雜散

–三階失真TOI

3.接收機測試:

–調(diào)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(guān)注:電平精度,平坦度,源匹配。

步進掃描需要關(guān)注:精度,掃描點數(shù),切換時間。列表掃描需要關(guān)注:精度,切換時間,停留時間。

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:自動電平控制ALC,ALC檢測器,ALC驅(qū)動器和ALC調(diào)制器配合完成。

三、模擬信號發(fā)生器即模擬調(diào)制信號源

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

正弦波信號含有三個獨立參數(shù),幅度,頻率和相位。如果一個連續(xù)正弦波未調(diào)制的話,那它的包絡(luò)幅度,振動頻率以及初相永遠(yuǎn)會是一個常數(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)制信號改變載波的這三個參量,使載波攜帶調(diào)制的信息,從一端傳到另一端。

為什么調(diào)制信號要被調(diào)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(yuǎn),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(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),但實際上所有調(diào)制方式都可歸結(jié)為基本為AM,FM和PM。

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圖15 調(diào)制信息所在位置

調(diào)幅AM信號需以下參數(shù):

1.載波頻率

2.調(diào)制信號頻率

3.調(diào)制指數(shù)

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圖16 幅度調(diào)制AM

調(diào)頻FM信號需以下參數(shù):

1.載波頻率

2.調(diào)制信號頻率

3.調(diào)制頻偏

4.調(diào)制指數(shù)

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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)制信號源原理框圖

三、矢量信號發(fā)生器即數(shù)字調(diào)制信號源

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圖21 各種調(diào)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(biāo)中,矢量表示正弦波的峰值電壓幅度對于相位改變量的關(guān)系。相位旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)。

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圖22 極坐標(biāo)中,用矢量來描述一個正弦波

下圖各種調(diào)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(diào)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(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,因為偏離載波頻率就是單位時間內(nèi)相位的變化。記住,幅度和相位變化都是相對于未調(diào)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。

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圖23 極坐標(biāo)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(diào)方式。它把信號相位的控制問題轉(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(diào)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(diào)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(diào)器實際上直接測量所有類型的調(diào)制而不是僅對AM,PM,FM調(diào)制信號進行測量。

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圖24 I-Q格式坐標(biāo)

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圖25 BPSK時域頻域特征

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圖26 QPSK時域和星座圖映射

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

眼圖以無限持續(xù)的方式反復(fù)顯示I和Q幅度對時間。I和Q轉(zhuǎn)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(yīng)星座圖上符號點位置,調(diào)制質(zhì)量越高,交點越集中。

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