信號(hào)源所涉及的相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)

信號(hào)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(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，以提高測試的可重復(fù)性，降低測試不確定度。

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)=a1vi(t)+ a2vi2(t)+ a3vi3(t)+ ...

若輸入為理想正弦信號(hào)，通過非線性作用輸出為：

vo(t)=a1sin(wt)+ a2sin2(wt)+ a3sin3(wt)+ ...

=a2/2+ a1sin(wt)+ 3a3/4sin(wt)+a2/2sin(2wt) + a3/4sin(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13DDS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.器件失真性能測試–雜散–三階失真TOI3.接收機(jī)測試：–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，F(xiàn)M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

圖18相位調(diào)制PM

圖19脈沖調(diào)制

圖20模擬調(diào)制信號(hào)源原理框圖

三、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，矢量僅在頻率不同時(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（Vectordiagram) 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

矢量的相位直接測量比較困難。實(shí)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(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唵危?a target="_blank">接口簡單，電路簡單，基帶實(shí)現(xiàn)簡單；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，由于COS（90°）=0，雖然輸入信號(hào)存在，但I(xiàn)路輸出為0V，那I路無輸出信號(hào)。所以，通過分別測量信號(hào)同相和正交分量，我們不用直接去測量信號(hào)的相對(duì)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(duì)于時(shí)間的變化，I/Q解調(diào)器實(shí)際上直接測量所有類型的調(diào)制而不是僅對(duì)AM，PM，F(xiàn)M調(diào)制信號(hào)進(jìn)行測量。

圖24I-Q格式坐標(biāo)

圖25BPSK時(shí)域頻域特征

圖26QPSK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。

圖27I和Q眼圖

圖28QAM的矢量圖和星座圖

圖29矢量調(diào)制特征對(duì)比

圖30矢量信號(hào)發(fā)生器原理框圖

圖31矢量信號(hào)發(fā)生器中的基帶信號(hào)發(fā)生器

圖32基帶信號(hào)發(fā)生器中的濾波器作用

IQ調(diào)制器：I和Q路信號(hào)由同一本振信號(hào)合成，但本振有90度相移，I/Q路互不干擾，最后得到一和路信號(hào)。

圖33矢量信號(hào)發(fā)生器中的IQ調(diào)制器

矢量信號(hào)發(fā)生器主要應(yīng)用：

產(chǎn)生具體格式的矢量信號(hào)

接收靈敏度測量

接收機(jī)選通性測量

器件失真測量

審核編輯 ：李倩