一、信号源分类
信号源从分类角度来说,可以分为以下几种
模拟信号源:
产生单音信号和模拟调制AM/FM/PhM/PM信号,频率一般小于6GHz,用途一般作为射频领域的通用仪器。
数字信号源(矢量信号源):
产生单音信号和模拟调制AM/FM/PhM/PM信号、数字调制、通信制式信号,频率一般小于6GHz,用途主要为产生数字调制信号,2G/3G/4G及其他数字通信领域。
基带信号源:
产生IQ基带信号,无射频,主要用于芯片测试
微波信号源:
产生单音信号和模拟调制AM/FM/PhM/PM信号,频率较高,一般可以达到40GHz,用于微波领域。
二、模拟信号源基本原理
模拟信号源和微波信号源比较类似,主要分为频率综合部分和信号输出部分。在频率综合部分,产生一个频率稳定的信号,并可以实现简单的调制,如FM/PhM。信号输出部分,主要有自动电平控制电路(ALC),放大器和衰减器。
自动电平控制电路的作用是在信号源的输出端口建立稳定的输出,是一个负反馈电路。此外,ALC电路也用来做调幅AM和脉冲调制。
2.1 频率综合技术
锁相环技术(Phase-Lock Loop)
直接模拟合成技术(Direct Analog Synthesis)—— 倍频 分频 混频
直接数字合成技术(Direct Digital Synthesis)
自激振荡源(Self-Oscillation Source)
锁相环技术(PLL):包括鉴相器PD、环路滤波器(低通滤波器LPF)、电压控制振荡器VCO、分频器1/N、参考频率f ref。VCO输出信号的频率随着VCO的输入电压变化。
PLL是一个相位负反馈控制系统,目的是稳定输出信号的频率。当输出频率偏高,分频后与参考频率鉴相,输出信号滤波后产生一个控制电压是VCO振荡频率降低;当输出频率偏低时,经过鉴相和信号滤波后产生一个控制电压使VCO振荡频率升高。经过不断的控制和调整,最后达到一个平衡,稳定后鉴相器的两个输入端信号的频率将会相等。
PLL的稳定分为两个过程,频率锁定和相位锁定。那么PD首先是充当鉴频器,然后是鉴相器。PLL可以直接完成调制过程,调制信号可以加在VCO前段,也可以直接加在参考频率上。PLL其输出频率的长期稳定度是与参考频率源的精度一样。另外,PLL输出信号频率短期稳定度即为相位噪声,近载频处由参考源近端相位噪声决定,远载频的相位噪声由VCO自身特性所决定,中间部分有环路滤波器所决定。
锁相环性能分析:
优点:带宽大,结构相对简单,转换速度快,方便实现模拟调制。
缺点:频率分辨率低,高稳的参考晶振体积较大,数字调制能力有限。
直接数字合成技术DDS
原理框图见下,此技术优点是结构紧凑,分辨率高达uHz级别,转换速度快,相位连续,方便实现数字调制。但缺点是带宽有限制,且杂散严重。
自激振荡器与YIG震荡器
一般的振荡器都是改变电容来实现频率改变,YIG振荡器是通过改变电感实现。通过线圈的电流发生变化,磁场也随着变化,电感变化了。
2.2 自动电平控制( ALC)
ALC技术是稳定输出电平(功率)的一项负反馈环路技术
ALC(Automatic Level Control),自动电平控制与AGC(Automatic Gain Control)自动增益
控制是一样的。当输出功率变高时,检波器得到的电压相应变大,他和参考值进行比较,输出一个控制信号使PIN 管的衰减增加,那么输出功率降低;当输出功率变低时,检波器得到的电压相应变小,和参考值比较,输出一个控制信号使PIN 衰减变小,那么最后的输出功率就变高了。经过环路的不断调整和控制,最后的输出信号功率将会变得很稳定。
输出信号的准确度决定于参考电压和整个自动控制环路。
信号源采用此技术来稳定输出信号的幅度,在大多数的情况下,ALC 的状态时开启的,但是当需要测量双音互调时,需要两台信号源,这时候需要将信号源的ALC 状态关闭。
三、矢量信号产生过程
和其他无线电发射机一样,矢量信号源包括基带部分和射频部分。
基带:实现编码,产生IQ 基带信号
射频:将IQ 基带信号进行频谱搬移到设定的频率上,并且保持输出信号的功率稳定
四、信号源技术指标
4.1 频率参数
- 频率范围
- 频率分辨率:频率变化的最小步进
- 射频频率有参考源(10MHz)通过频率综合技术实现,精度决定于参考源
- 频率进度= 误差频率/中心频率,单位为ppm
例如,信号源的设置频率为1GHz,实际频率为1.0000000032GHz,那么频率误差为32Hz,所以其频率精度为0.032ppm。
精度低或同精度的仪器不能度量精度高的仪器其性能指标。
4.2 功率/电平参数
1, 功率分辨率,表示功率变化的最小步进
2, 功率范围,信号输出部分包括衰减器(机械或电子的),可以使输出达到一个很大的范围,例如从-140dBm到19dBm。
3, 功率精度:实际输出功率和设置功率差值,测量实际输出功率推荐使用精度更高的功率计。
4, 输出端口的驻波比会影响输出精度,一般驻波比越小越好。
注:仪器上设置的功率Level都是指平均功率,峰值功率与平均功率的差异取决于信号的类型。单音信号的峰值功率和平均功率相等。
4.3 速度参数
频率设置时间,从开始频率设置至达到稳定输出所需要的时间,这个与锁相环的捕捉、入锁时间有关系。
电平设置时间,从开始电平设置到达到稳定输出所需要的时间,与ALC电路,衰减器的形式、反反应速度有关系。
IEEE(GPIB)总线传输时间,用以传输数据和控制信号。
快速的频率设置和IEEE总线传输对于调频、扫频测量具有非常重要的意义。
4.4 杂散
信号源也会产生杂散信号,其中包括了信号谐波、子谐波和非谐波的杂散分量,从而对于信号源输出信号的频谱纯度造成影响。
谐波分量主要是由信号产生器件的非线性因素造成的,基本不能够被100%地抑制。子谐波是由于采用了倍频器而产生的杂散分量。谐波和子谐波分布规律简单,所以很容易被检测出来。
非谐波的杂散信号和频率综合器有很大的关系,它的检测必须给予对于频率综合器结构有深入的了解。
4.5 信号源的扫描
频率扫描:频率随着时间变化,输出功率保持不变。技术参数包括步进频率、每个扫描点的停留时间。
功率扫描:输出功率随着时间变化,频率保持不变。技术参数包括步进功率、每个扫描点的停留时间。
List模式:信号源按照设定的频率和输出功率跳变。技术指标包括每个点的停留时间。