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圖文并茂，一文讀懂信號源

發(fā)布時間：2017-10-24 責(zé)任編輯：wenwei

【導(dǎo)讀】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)。

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：

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：

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(jī)的相位抖動，可理解為有隨機(jī)的噪聲對理想正弦信號進(jìn)行調(diào)相。

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(jìn)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） + 。..

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(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)

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(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，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)用于單點頻率信號合成。

2. 間接頻率合成

利用PLL鎖相環(huán)進(jìn)行頻率合成，其特點是可輸出寬頻率范圍信號，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。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)行信號波形合成，其特點是輸出頻率步進(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(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)于一個倍頻器：PLL輸出信號頻率變化步進(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。

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(jìn)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。

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。

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。

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。

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(jī)測試：

–調(diào)制方式

–幅度精度

–雜散性能

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，F(xiàn)M和PM。

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)

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)

圖17 頻率調(diào)制FM

圖18 相位調(diào)制PM

圖19 脈沖調(diào)制

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

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)。

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。

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(jī)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(xiàn)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，F(xiàn)M調(diào)制信號進(jìn)行測量。