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基于合成仪器架构的信号发生器有哪些应用?

58 信号发生器 振荡器 接口
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什么是合成仪器?
基于合成仪器架构的信号发生器有什么优点?
基于合成仪器架构的信号发生器有哪些应用?
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2021-5-11 07:05:22   评论 分享淘帖 邀请回答
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  根据信号发生器的主要用途或公司的预算,设计师通常会采用传统的信号发生器设计,如YIG调谐或带状合成器。然而,最近出现的基于合成仪器(Synthetic-instrument,SI)架构的信号发生器有望改变这种选择。
  当测试频率捷变无线电时,找到能够跟随所期望的跳频图案的信号发生器(跳变速率和延迟时间都很快的仪器)使用户受到了限制。如果测试系统只要求产生简单的频率调制,或仅作为快速跳变的本地振荡器,那么选择快速调谐信号发生器就行了。不过,这种信号发生器是无法产生最近商用无线或军用通信标准所需的复杂的调制信号。
  因此,设计人员通常会购买两台或更多的信号发生器来完成该种应用的某一个任务,这就增加了相当可观的花费。合成仪器信号发生器——包括一个任意波形发生器(AWG)和一个矢量上变频器——的出现使得减少所需仪器的个数成为可能,从而降低了成本。
  什么是合成仪器
  SIWG(合成仪器工作组)将SI定义为:将硬件和软件模块结合在一起以实现仪器配置的灵活性,如图1所示,从而和传统仪器相匹敌。
  SIWG被授权开发各模块间的接口标准,以提高不同厂商和模块之间的互换性。互换能力将提高测试系统的寿命和升级能力。
  
  图1 合成仪器架构将软硬件间按功能进行划分以提高灵活性
  选择仪器的构架
  在某个信号发生器中,硬件模块可能包括一个矢量上变频器和一个AWG,软件模块可能包括一些基带信号发生软件。软件部分可以装在PC中也可以装在AWG中。
  采用SI信号发生器的好处是为设计师提供了依据被测设备选择仪器性能的灵活性。例如,若所有被测设备都是窄带、低频,测试工程师就可以选用一个便宜的AWG和RF上变频器。又如,当某个公司开发需要高带宽或工作频率高的新产品时,工程师可以仅升级此前选好的AWG或上变频器。
  传统的信号发生器有给定的调谐、或频率开关,以及在从某个频率调谐到下个给定了频率和振幅稳定性的频率的速率。目前,最普遍的传统信号发生器基于YIG调谐振荡器,它是开关速率受限制的源头。
  这种信号发生器的主要优点是其内部能生成复杂的调制的基带,得益于其可选的内置I/Q调制和灵活的AWG。尽管这类仪器的开关速率逐年上升,最新的产品的开关速率可以满足商用无线产品的需求,但对于频率捷变雷达等应用还不够快。
  另一种信号发生器是带状合成器设计。为获得期望的基频,合成器将高性能的本地振荡器的输出倍频或分频。
  这种技术可使开关速率小于1μs——这么快的速率足以满足如Link 16高级战术雷达等许多雷达应用的需求,但是,这种设计并没有Link 16和其他现代的频率捷变数字通信应用所需的灵活调制类型。如何解决这个看似矛盾的问题呢?采用一个超宽带宽的AWG配合带有超宽带调制器的矢量上变频器是解决方案之一。
  另一种选择是采用“黄金样品(golden radio)”信号发生法。这种方法从很早就开始采用了,一直是测试最新的调制格式的唯一方法。
  这种方法使用一台实际的无线电作为测试设备的一部分,首先在测试设备中已校准的部分(如功率计、频谱分析仪和矢量信号分析仪)测试无线电的性能,假定这个无线电的性能是“完美”的。这个“金子般的”完美的无线电此后就被用来测量其他可比的无线电。这种测试方法有很多优点,包括低成本和正确的调制数据和格式。
  然而,黄金样品往往不能像NIST(国家标准及技术学会)可追踪测试设备一样稳定,所以就会出现一些问题。如果黄金样品的性能发生了变化,就有可能留下好的产品而使有问题的那些通过测试。
  折中方案的实例
  Link 16是一个很好的例子,它同时挑战了开关速率和当今复杂调制方案所需的灵活性。一些读者可能对这种军用系统不熟悉,其实它的无线电广播技术也可在商用系统中见到。
  Link 16是一个对等的军用战术无线电网络,以其频率灵敏性来避免干扰,和流行的蓝牙网络的操作方式很相似。亚微秒开关速率和数据编码所需的最小频移键控(MSK)调制使生成的Link 16波形具有挑战性。
  目前,现有的信号发生器都还不能同时提供高开关速率和高灵活性,这就需要客户采用定制的信号发生器或采用“黄金样品”法来测试Link 16无线电。然而,这些方式要么成本很高,要么没有足够的支持,要么则不能提供所需的测试精确比率(TAR)以验证其操作性能。
  军事应用中,最低的TAR要求是 3:1,意思是信号发生器的性能至少应是被测无线电的3倍。由于“黄金样品”法采用实际的无线电,它的TAR值仅稍稍优于1:1。
  与蓝牙不同,Link 16的频率跳变顺序由安全密码单元决定,安全密码单元将给出在哪里调谐以接收下一个数据信息。这个附加的需求促使无线电厂商采用“黄金样品”法。但由于发生器必须是测试设备中的安全的部分,比通用仪器复杂得多,采用定制的信号发生器的做法无法实现。
  SI信号发生器能够解决这个复杂的问题,如图2所示。其中AWG提供了能够将任意调制格式和相关数据存入内存的灵活性。
  
  图2 N8241A任意波形发生器工作在1.25Gs/s(500MHz),N8212A矢量上变频器可从250kHz调至20GHz
  采用SI信号发生器,人们可以调谐上变频器到期望的频率,并对AWG编程,数字式改变其频率,而不用试图调谐矢量I/Q上变频器来满足加密。
  AWG的带宽(采样率)应该至少和跳频(Link 16为255MHz)的宽度一样,那么测试工程师就可以对所有可能的(基带)频率以所需的波形来编程,这些将被以正确的顺序进行排序。这与快速调谐无线电的效果一样。矢量上变频器必须达到所需的整个跳变波形范围的带宽(255MHz)。
  由于跳变的图形往往是未知的,这就需要能够直接与加密硬件接口的方法。用加密设备提供的数字口令来告知AWG播放哪段波形将提供所需的连接。
  如果所需的仅是窄带RF能力,那么目前SI方案可能要比传统的信号发生器成本低。不过,随着高性能DAC的价格不断降低,SI信号发生器的应用将越来越普遍。
2021-5-11 10:15:40 评论

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