信號發(fā)生器的發(fā)展、分類及關(guān)鍵技術(shù)

01回顧歷史

信號發(fā)生器的發(fā)展

信號發(fā)生器是一種常用的信號源，廣泛應(yīng)用于電子電路、自動控制和科學試驗等領(lǐng)域。它是一種為電子測量和計量工作提供符合嚴格技術(shù)要求的電信號設(shè)備。因此，信號發(fā)生器和示波器、電壓表、頻率計等儀器一樣是最普通、最基本的，也是應(yīng)用最廣泛的電子儀器之一，幾乎所有的電參量的測量都需要用到信號發(fā)生器。

自六十年代以來，信號發(fā)生器有了迅速的發(fā)展，出現(xiàn)了函數(shù)發(fā)生器、掃頻信號發(fā)生器、合成信號發(fā)生器、程控信號發(fā)生器等新種類。各類信號發(fā)生器的主要性能指標也都有了大幅度的提高，同時在簡化機械結(jié)構(gòu)、小型化、多功能等各方面也有了顯著的進展。

?這是1930年由馬可尼儀器公司發(fā)明的電子管信號源，滿滿的復古感。

?1935年的信號源產(chǎn)品比1930年的顯得小巧精致一些。

?1947年的信號源控制鍵多了許多，對于儀表的操作更加靈活。

?1950年信號源的產(chǎn)品質(zhì)量得到了明顯提升。

?1970年的信號源已經(jīng)可以產(chǎn)生AM/FM信號。

?1972年的信號源在頻率穩(wěn)定度和精度方面得到了很大提升。

?1976年的信號源內(nèi)部已經(jīng)采用了頻率綜合器技術(shù)，該技術(shù)現(xiàn)在還在使用中。

?1981年的信號源已經(jīng)支持GPIB可編程了，儀表操作自動化程控得以實現(xiàn)。

?1990年LCD顯示屏幕的信號源誕生。

?1992年的信號源已經(jīng)和現(xiàn)在信號源非常接近了。

02信號發(fā)生器的分類

現(xiàn)在市場上充斥著很多種信號源，它的分類經(jīng)常讓人摸不著頭腦，如圖11所示，對常用信號源的分類。

圖11

總的來說信號源分為復合信號發(fā)生器和邏輯信號發(fā)生器兩種，其中復合信號發(fā)生器包括射頻信號發(fā)生器、函數(shù)發(fā)生器以及任意波形發(fā)生器三種，而邏輯信號發(fā)生器又包括了脈沖信號發(fā)生器和碼型信號發(fā)生器兩種。其中被使用最廣泛的就是函數(shù)發(fā)生器和任意波形發(fā)生器。

03信號發(fā)生器的關(guān)鍵技術(shù)

頻率合成技術(shù)

頻率合成技術(shù)起源于二十世紀30年代，至今己有六十多年的歷史。所謂頻率合成就是將具有低相位噪聲、高精度和高穩(wěn)定度等綜合指標的參考頻率源經(jīng)過電路上的混頻、倍頻或分頻等信號處理以便對其進行數(shù)學意義上的加、減、乘、除等四則運算，從而產(chǎn)生大量具有同樣精確度的頻率源。實現(xiàn)頻率合成的電路叫頻率合成器，頻率合成器是現(xiàn)代電子系統(tǒng)的重要組成部分。在通信、雷達和導航等設(shè)備中，頻率合成器既是發(fā)射機的激勵信號源，又是接收機的本地振器;在電子對抗設(shè)備中，它可以作為干擾信號發(fā)生器;在測試設(shè)備中，可作為標準信號源，因此頻率合成器被人們稱為許多電子系統(tǒng)的“心臟”。

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。

圖12 直接頻率合成原理框圖

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相矛盾的缺點。PLL間接頻率合成是頻率合成的主要方式。

圖13 間接頻率合成原理框圖

3.直接數(shù)字合成（DDS）

JosephTierney等3人于1971年提了直接數(shù)字頻率合成的思想，但由于受當時微電子技術(shù)和數(shù)字信號處理技術(shù)的限制，DDS技術(shù)沒有受到足夠重視，隨著電子工程領(lǐng)域的實際需要以及數(shù)字集成電路和微電子技術(shù)的發(fā)展，DDS技術(shù)日益顯露出它的優(yōu)性，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很高，頻率跳變速度很快，但輸出頻率范圍較窄。

圖14 DDS直接數(shù)字合成技術(shù)原理框圖

圖15 信號源頻率合成技術(shù)及其優(yōu)缺點

04典型射頻微波源原理

模擬源和矢量源

圖16 模擬射頻微波源原理圖

由上圖，我們可以看到模擬微波源主要由參考時鐘，頻率綜合器和輸出單元構(gòu)成，參考部分主要負責輸出穩(wěn)定的參考時鐘信號，頻率綜合器通過PLL技術(shù)進行倍頻，輸出需要的頻率范圍，輸出單元通過ALC負反饋技術(shù)負責調(diào)整輸出期望電平。

圖17 矢量射頻微波源原理圖

矢量信號源是在模擬源的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，主要增加了基帶發(fā)生器和I/Q調(diào)制器，任何一個復雜信號都可以拆分為I信號和Q信號，因此矢量源得到了廣泛的應(yīng)用，比如大家熟悉的LTE,5G NR,WIFI等等復雜信號都是可以由矢量信號源產(chǎn)生。

05射頻微波源的典型應(yīng)用

高質(zhì)量信號測試（例如本地振蕩器替代）如圖18，R&S SMA100B業(yè)界SSB性能最優(yōu)的測試方案。

增益、線性度的測量，如圖19，這是射頻微波領(lǐng)域典型的元器件測試方案。

組件開發(fā)/測試（例如 ADC），如圖20，該方案在ADC芯片測試開發(fā)中，可以精準高效地幫客戶完成測試。

接收機測試（雙音測試，產(chǎn)生干擾或阻塞信號），如圖21，在終端客戶測試中，接收雙音和阻塞測試是終端必測項目，R&S的產(chǎn)品提供了完整方案。

EMC測試，如圖22，眾所周知，EMC測試在電子領(lǐng)域的重要性，R&S在該領(lǐng)域深耕多年，得到了業(yè)界普遍認可，我們的模擬源在EMS測試中扮演了重要角色。

航空電子應(yīng)用（例如 VOR、ILS），如圖23，對于VOR/ILS測試，R&S的射頻微波源都有很好的解決方案。

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軍事/雷達應(yīng)用，如圖24，微波脈沖信號產(chǎn)生器在軍工，民航等廣泛領(lǐng)域得到了普遍應(yīng)用。

無線通信，如圖25，我們的矢量信號源SMW200A是基站廠商必選的矢量源，主要是最大2G調(diào)制帶寬，帶內(nèi)平坦度小于0.4db，F(xiàn)ading和MIMO等關(guān)鍵指標優(yōu)秀，得到了業(yè)界普遍認可。

數(shù)字廣播，如圖26，我們的SMCV100B信號源可為客戶提供：audio AM/FM，DAB/DAB+，ISDBT，DRM，CDR等多種數(shù)字廣播標準，與眾多車企都有廣泛合作。

GNSS導航，如圖27，高性價比SMBV100B衛(wèi)星模擬器支持GPS, BeiDou，Glonass，Galileo四大導航系統(tǒng)和QZSS，IRNSS兩個區(qū)域定位系統(tǒng)，為廣大的導航客戶提供了完備的解決方案。

矢量信號源產(chǎn)生自定義數(shù)字了調(diào)制信號，如圖28，該方案為客戶自定義調(diào)制方式提供了很好的方案，客戶基于我們的工具Vam，可以完全定義數(shù)字信號組和與之對應(yīng)的模擬IQ值，星座圖對應(yīng)產(chǎn)生，該方案在客戶自定義調(diào)制方案中應(yīng)用廣泛。

羅德與施瓦茨業(yè)務(wù)涵蓋測試測量、技術(shù)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)安全，致力于打造一個更加安全、互聯(lián)的世界。成立90 年來，羅德與施瓦茨作為全球科技集團，通過發(fā)展尖端技術(shù)，不斷突破技術(shù)界限。公司領(lǐng)先的產(chǎn)品和解決方案賦能眾多行業(yè)客戶，助其獲得數(shù)字技術(shù)領(lǐng)導力。羅德與施瓦茨總部位于德國慕尼黑，作為一家私有企業(yè)，公司在全球范圍內(nèi)獨立、長期、可持續(xù)地開展業(yè)務(wù)。