近代电子测量技术-信号源课件

信号源初步信号源概述信号源的作用和组成信号源的分类正弦信号源的性能指标频率合成的基本概念正弦信号源的典型应用调制信号源

信号源是能够产生不同频率、不同幅度的规则或不规则波形的信号发生器。信号源的用途主要有以下三方面：激励源。信号仿真。标准信号源。信号源的作用信号源的分类正弦波信号源；（RF～毫米波段含连续波扫描信号数字及模拟调制信号源——矢量信号源）函数信号源；（包括任意波形发生器(AWG)和函数发生器（AFG）。采用取样技术，可以构建和修改几乎任何形状可以想象的波形。）逻辑信号源噪声信号发生器。正弦波信号源正弦信号源在线性系统测试中具有特殊意义。众所周知，在正弦信号的激励下，线性电路内的所有电压和电流都是具有同一频率的正弦波，只是彼此之间的幅值和相位可起有所差别。此外，若己知线性系统对一切频率(或一组靠得很近的频率)的外加正弦信号的幅值和相位的响应，那么就能够完全确定该系统在其线性工作范围内对于任意输入信号的。也就是说：正弦波测试是线性系统频域分析的重要实验方法。正弦信号源的性能指标——频率（一）（1）频率范围频率范围指频率合成器输出最低频率和输出最高频率之间的变化范围，也可以用覆盖系数k表示（k=fmax/fmin）。如果覆盖系数k>2或3时，整个频段可以划分为几个分波段。（2）频率分辨率频率合成器需在指定的频率范围内产生大量离散的频率。频率分辨率是指两相邻频率点之间的间隔，故也称为频率间隔。不同用途的频率合成器的分辨率要求相差很大。作为标准信号源的合成器，则希望有尽可能精细的频率分辨率。（3）频率转换时间频率转换时间是指频率合成器从某一频率转换到另一个频率并达到稳定所需要的时间。不同类型的频率合成方式，此指标相差较大，一般要求频率转换时间小于几十毫秒。（4）频率精度（１）输出（功率）电平范围（２）输出电平准确度（３）输出电平的频率特性（带内平坦度）（４）输出阻抗正弦信号源的性能指标——幅度正弦信号源的性能指标——频谱纯度（一）影响频率合成器输出频谱纯度的因素主要有两个，一是相位噪声，二是寄生干扰。相位噪声是一种瞬间频率或相位的起伏；而寄生干扰分为谐波、次谐波和杂散（非谐波）频率稳定度频率稳定度是指在一定的时间间隔内，合成器输出频率变化的大小。一般可以分为长期稳定度、短期稳定度，但这种分法是相对而言的。长期稳定度：指在规定的外界条件下，在所要求的时间内工作频率的相对变化，主要由晶体和元器件的老化决定；长期稳定度是指一天以上时间内（一般按年、月、日计）合成器输出频率的漂移，常用该时间内频率的相对变化ΔFo/Fo来表示。它主要是由元器件老化及环境条件变化（如温度、湿度、压力等）引起的。频率合成器的长期稳定度一般取决于所使用的参考频率源的长期稳定度。正弦信号源的性能指标——频谱纯度（二）频谱纯度－相位噪声（一）频谱纯度－相位噪声（二）更高的相位噪声指标意味着更高的频谱利用率！频谱纯度－相位噪声（三）信道外相位噪声使带内信号发生畸变AgilentE8257DPSGAnalogSignalGenerator频率合成原理频率的代数运算是通过倍频、分频及混频技术来实现。频率1输出石英晶体代数运算（加、减、乘、除）频率合成原理频率n输出基准频率频率合成的基本概念频率源性能是伴随着频率合成技术的进步而发展的，从20世纪30年代开始形成频率合成理论算起，频率合成技术的发展至今经历了三代：直接式频率合成（ＤＳ）间接式频率合成（ＰＬＬ）直接数字式频率合成（ＤＤＳ）

频率合成技术的发展晶振谐波发生器（倍频）分频（÷10）8MHz混频（+）混频（+）2MHz滤波分频（÷10）2.8MHz滤波0.28MHz分频（÷10）混频（+）滤波6MHz6.28MHz0.628MHz3MHz3.628MHz直接式频率合成原理框图1MHz1MHz9MHz直接式频率合成（二）

只有一个频率参考源的叫做直接式相关频率合成器，这种合成器由于只有一个参考源，它所需的所有频率都由这一个频率经过倍频、分频和混频后得到，这样，合成器所输出频率的稳定度和精度都与参考源一样，现在绝大多数都使用这种方法。直接式频率合成（三）优点频率转换速度快长期和短期频率稳定度高具有很好的近载频相位噪声性能。缺点但由于大量采用了倍频、分频、混频和滤波环节，因此：结构复杂、调试难度大杂散抑制较差，难以达到高的频率分辨率。

在20世纪50年代出现的锁相式频率合成是一种间接的频率合成方法，它利用锁相环（PLL）把压控振荡器（VCO）的输出频率锁定在基准频率上，这样通过不同形式的锁相环就可以在一个基准频率的基础上合成不同的频率。间接式频率合成

锁相环基本工作原理及性能

锁相环是一个相位环负反馈控制系统。该环路由鉴相器（PD）、环路滤波器（LPF）、电压控制振荡器（VCO）及基准晶体振荡器等部分组成。锁相环控制系统原理图frVrVCOPDLPFVofOVd锁相环的基本形式－倍频式（二）

分频环实现对输入频率的除法运算，与倍频环相似，也有两种基本形式。

分频式锁相环原理图VCOPDLPFfo=fi/Nfi÷N（b）数字分频环VCOPDLPFfo=fi/Nfi谐波形成（a）谐波分频环fi÷NPLLfo=fi/N（c）分频环简化图锁相环的基本形式－分频式混频环实现对频率的加减运算

PDLPFVCOM（＋）fi1fi2fo+fi2（b）相减混频环PDLPFVCOM（－）fi1fi2fo=fi1+fi2fo-fi2（a）相加混频环fo=fi1-fi2混频锁相环+PLLfi1fi2fo=fi1+fi2-PLLfi1fi2fo=fi1-fi2（c）相加环简化图（d）相减环简化图锁相环的基本形式－混频式三环PLL合成器VCOBPDBLPFBfBfi÷NB÷MVCOCPDCLPFC－BPFfoVCOAPDALPFA+÷NAfA×NAPLL+PLL÷M×NBPLLfifo三环合成器简化框图fBfA锁相环的基本形式－多环合成（二）锁相环的基本形式－多环合成（三）毫米波CW信号源（多环/小数分频技术——解决频率分辨率与相位噪声指标间的矛盾）

PLL相位噪声的特点PLL的相位噪声来源包括：参考源、鉴相器、VCO以及宽带噪声基底分频比N决定了输出频率相位噪声的恶化依据20logN这一公式！锁相环的相位噪声特点优点：易于集成化体积小结构简单功耗低价格低缺点：频率切换时间相对较长相位噪声较大。

锁相环小结

70年代,TierneyJ等人就首先提出了DDS的概念，直接数字合成（DirectDigitalSynthesis）的基本原理是基于取样技术和计算技术，通过数字合成来生成频率和相位对于固定的参考频率可调的信号。直接数字频率合成的基本组成原理直接数字式频率合成（ＤＤＳ）输出信号频率fo:取决于两个因数：⑴参考时钟频率；⑵ROM中存储的正弦波；如果地址计数器以步进Ｋ（Ｋ>=1)进行累加，则可在fc和ROM数据不变的情况下改变输出频率，此时fo为：设取样时钟频率为fc，正弦波每一周期由Ｎ个取样点构成，则该正弦波的频率为：ＤＤＳ工作原理（一）ＤＤＳ工作原理（二）输入频率控制字为K，则相位增量为：

可见，相位增量是由频率控制字K决定的。这样，在特定时钟控制下，K数值越大，“走”完一个相位圆的“步数”越少，所花的时间越短，输出频率越高。此时，频率控制字K对输出频率即起到控制作用。点数25640966553642949672962856N8121620243248在实际的DDS中，为了降低ROM的内存容量，采用了压缩的方法，主要利用正弦波的对称性，将360度范围内的幅、相点减少到90度以内正弦函数的近似算法。ＤＤＳ工作原理（三）设相位累加器位数为N，频率控制字为Ｋ，参考时钟频率为fc，则DDS输出频率为：

相位截断误差：一般舍去N的低位，只取N的高A位（如高16位）作为存储器地址，使得相位的低位被截断（即相位截尾）。当相位值变化小于1/2A时，波形幅值并不会发生变化，但输出频率的分辨率并不会降低，由于地址截断而引起的幅值误差，称为截断误差。实际应用中一般取1≤Ｋ≤(N-2)ＤＤＳ工作原理（四）单片集成化的DDS输出输出串/并选择6位地址或串行编程8位并行数据FSK/BPSK/HOLD数据输入4×～20×参考时钟倍乘频率累加器相位偏移及调制+相位累加器相位转换器300MHzDDS参考时钟滤波器滤波器12位D/AM/DAC复位12位D/A频率控制字/相位字启停逻辑I/O更新读写可编程寄存器48位频率控制字14位相位偏移/调制I/O端口缓冲12位AM调制比较器模拟输入时钟输出AD9854DDS结构+-ＤＤＳ小结优点极高的频率分辨率，可达微赫兹量级。例如，当DDS时钟采用300MHz，相位累加器字长为48位，此时频率分辨率约为1.066×10-6Hz，这在传统的频率合成技术看来是几乎不可能实现的。输出频率相对带宽很宽。极短的频率转换时间，可达纳秒量级。频率转换时的相位连续性。具有任意波形输出能力。具有数字调制功能。缺点工作频率的限制。输出信号杂散抑制差。几种频率合成技术对比正弦信号源的典型应用系统本振（相位噪声频率精度）器件（放大器）失真测试（三阶交调寄生分量）接收机测试（寄生功率精度）扫描功能（功率扫描频率扫描）的应用

系统本振本振频率精度决定发射机频率精度本振相位噪声会影响邻通道信号

失真测试（一）三阶交调

当两个信号进入非线性系统，将产生其它频率分量，这个寄生信号往往对有用信号产生严重的干扰——互调失真。一阶二阶三阶图三阶交调分量与三阶交调截点失真测试（二）失真测试（三）放大器失真测试（三阶交调测试）

接收机测试（寄生功率精度）

1dB压缩点失真测试（四）可利用功率扫描功能进行测试1dB压缩点比正弦波信号源更进一步！PSG8257D模似信号源E4438C或PSG8267D矢量信号源什么是调制？调制的基本意思是修正或调整。在通信中，它意味着在发送信号前要对该信号作某种形式的变化。如果我们能将此变化与我们要发送的信息相关联，并在接收端可靠地检测出此变化，就有可能导出我们想要发送的原数据。因此对任何调制都有两项主要要求──信号特性的变化应与发送的数据相关联，并能可靠检测到这一改变。这两项要求适用于任何调制，包括模拟或数字调制。把信号调制到介质有最好传输特性的频段改善局部带宽的使用无线电传输：减小天线的物理尺寸（f=30KHz→λ=10Km）在给定带宽中实现多用户的复用我们为什么要进行调制？调制种类（一）为了把信息信号（语音）放到载波信号上，我们可根据信息信号改变它的幅度、频率或相位。模拟调制和数字调制间的差别在于信息信号。在这两种方案中，改变的是载波信号的幅度、频率或相位（或是其组合）。在模拟调制中，载波参数按连续的模拟信息信号改变，在数字调制中，参数（幅度、频率或相位）按离散的数字信息改变。调制种类（二）I-Q（矢量）调制幅度＝相位＝

调制的趋势函数(波形)信号发生器函数(波形)信号发生器这一类混合信号源是为输出具有模拟特点的波形而设计的，包括模拟波(如正弦波和三角形波)到“方形”波。这些波形因其合成原理而具有量化误差，但同时，它也因此而能够模拟“实际环境”信号所具有的不完美性。在通用混合信号源中，可以控制幅度、频率、相位及DC偏移和上升时间与下降时间；可以生成过冲等畸变；可以增加边沿抖动、调制等等。AFG任意函数发生器（AibitrayFunctionGenerator）AWG任意波形发生器（AibitrayWaveGenerator）函数(波形)信号发生器可产生的信号正弦波方形波和矩形波锯齿形波和三角形波步进脉冲合成波模拟调制信号、数字调制信号、脉宽调制信号和正交调制信号数字码型和格式伪随机码流和字流主要波形技术指标（一）对于AWG和AFG这一类“混合”信号源来说除了与正弦波信号源相类似的频率、幅度等技术指标外，根据其波形特点，还具有其它一些技术指标：上升时间和下降时间脉宽脉冲基本特点主要波形技术指标（二）偏移差分信号与单端信号AFG任意函数发生器（一）任意函数发生器(AFG)满足了广泛的激励需求；事实上，它是当前业内流行的信号源结构。一般来说，这种仪器提供的波形变化要低于同等的AWG，但它具有杰出的稳定性及对频率变化有快速响应能力。如果DUT要求典型的正弦波和方形波(等等)及要求能够在两个频率之间几乎瞬时切换，那么任意函数发生器(AFG)就提供了这种能力。另一个特点是任意函数发生器的成本很低，因此对不要求AWG通用性的应用极具吸引力。AFG的许多功能与AWG相同，但AFG在设计上是一种专用性更强的仪器。AFG提供了独特的优势：它以标准形状精确、捷变地生成稳定的波形，特别是最重要的正弦波和方形波。AFG任意函数发生器（二）在过去，AFG使用模拟振荡器和信号调节技术生成输出信号。最新的AFG依赖直接数字合成(DDS)技术，确定将样点读出内存的时钟速率。典型的AFG仅在内存中存储少量的波形类型。一般来说，正弦波和方形波是许多测试应用使用最广泛的波形。某些AFGs

则是混合设备，其提供了精确、捷变的基于DDS的正弦波和方形波；而其它波形则使用比较传统的AWG技术生成。这是一种经济的解决方案，它通过最关键的功能实现了最高的性能。尽管AFG不能和AWG一样生成几乎任何可以想象的波形，但AFG可以生成世界各地的实验室、修理厂和设计部门中最常用的测试信号。此外，它提供了杰出的频率捷变性。更重要的是，AFG通常是一种非常经济的测试方式。AFG任意函数发生器（三）AWG任意波形发生器（一）任意波形发生器(AWG)都可以生成您能够想象的任何波形。您可以使用各种方法，从数学公式到“画出”波形，生成所需的输出。从根本上看，任意波形发生器(AWG)是一种完整的回放系统，它根据存储的数字数据提供波形，这些数据描述了AC信号不断变化的电压电平。它是一种方块图看上去比较简单的工具。我们可以用人们熟悉的指标描述AWG概念，它很象一台唱片机，实时读出存储的数据(在AWG中读的是自己的波形内存；在唱片机中读的是唱片本身)。AWG任意波形发生器（二）内存深度(记录长度)取样(时钟)速率带宽垂直(幅度)分辨率水平(定时)分辨率输出通道数目数字输出种类滤波排序、循环内置编辑器（公式图形序列）数据导入方式AFG/AWG性能指标和考虑因素使用混合信号源生成波形TekAFG300系列任意函数/波形发生器AFG300系列产品是一种性能高超的16MHz函数发生器具有内置任意波形生成功能。这种仪器支持各种标准波形，其中包括正弦波、方波、三角波、斜波、脉冲、DC和噪声等波形。此外该仪器还具有扫频功能以及三种工作方式连续、触发和突发。TEKAWG4000系列任意波形发生器2或3条独立波形通道16位(1/65