信號源初步信號源概述信號源的作用和組成信號源的分類正弦信號源的性能指標頻率合成的基本概念正弦信號源的典型應用調制信號源

信號源是能夠產生不同頻率、不同幅度的規則或不規則波形的信號發生器。信號源的用途主要有以下三方面：激勵源。信號仿真。標準信號源。信號源的作用信號源的分類正弦波信號源；（RF～毫米波段含連續波掃描信號數字及模擬調制信號源——矢量信號源）函數信號源；（包括任意波形發生器(AWG)和函數發生器（AFG）。采用取樣技術，可以構建和修改幾乎任何形狀可以想象的波形。）邏輯信號源噪聲信號發生器。正弦波信號源正弦信號源在線性系統測試中具有特殊意義。眾所周知，在正弦信號的激勵下，線性電路內的所有電壓和電流都是具有同一頻率的正弦波，只是彼此之間的幅值和相位可起有所差別。此外，若己知線性系統對一切頻率(或一組靠得很近的頻率)的外加正弦信號的幅值和相位的響應，那么就能夠完全確定該系統在其線性工作范圍內對于任意輸入信號的。也就是說：正弦波測試是線性系統頻域分析的重要實驗方法。正弦信號源的性能指標——頻率（一）（1）頻率范圍頻率范圍指頻率合成器輸出最低頻率和輸出最高頻率之間的變化范圍，也可以用覆蓋系數k表示（k=fmax/fmin）。如果覆蓋系數k>2或3時，整個頻段可以劃分為幾個分波段。（2）頻率分辨率頻率合成器需在指定的頻率范圍內產生大量離散的頻率。頻率分辨率是指兩相鄰頻率點之間的間隔，故也稱為頻率間隔。不同用途的頻率合成器的分辨率要求相差很大。作為標準信號源的合成器，則希望有盡可能精細的頻率分辨率。（3）頻率轉換時間頻率轉換時間是指頻率合成器從某一頻率轉換到另一個頻率并達到穩定所需要的時間。不同類型的頻率合成方式，此指標相差較大，一般要求頻率轉換時間小于幾十毫秒。（4）頻率精度（１）輸出（功率）電平范圍（２）輸出電平準確度（３）輸出電平的頻率特性（帶內平坦度）（４）輸出阻抗正弦信號源的性能指標——幅度正弦信號源的性能指標——頻譜純度（一）影響頻率合成器輸出頻譜純度的因素主要有兩個，一是相位噪聲，二是寄生干擾。相位噪聲是一種瞬間頻率或相位的起伏；而寄生干擾分為諧波、次諧波和雜散（非諧波）頻率穩定度頻率穩定度是指在一定的時間間隔內，合成器輸出頻率變化的大小。一般可以分為長期穩定度、短期穩定度，但這種分法是相對而言的。長期穩定度：指在規定的外界條件下，在所要求的時間內工作頻率的相對變化，主要由晶體和元器件的老化決定；長期穩定度是指一天以上時間內（一般按年、月、日計）合成器輸出頻率的漂移，常用該時間內頻率的相對變化ΔFo/Fo來表示。它主要是由元器件老化及環境條件變化（如溫度、濕度、壓力等）引起的。頻率合成器的長期穩定度一般取決于所使用的參考頻率源的長期穩定度。正弦信號源的性能指標——頻譜純度（二）頻譜純度－相位噪聲（一）頻譜純度－相位噪聲（二）更高的相位噪聲指標意味著更高的頻譜利用率！頻譜純度－相位噪聲（三）信道外相位噪聲使帶內信號發生畸變AgilentE8257DPSGAnalogSignalGenerator頻率合成原理頻率的代數運算是通過倍頻、分頻及混頻技術來實現。頻率1輸出石英晶體代數運算（加、減、乘、除）頻率合成原理頻率n輸出基準頻率頻率合成的基本概念頻率源性能是伴隨著頻率合成技術的進步而發展的，從20世紀30年代開始形成頻率合成理論算起，頻率合成技術的發展至今經歷了三代：直接式頻率合成（ＤＳ）間接式頻率合成（ＰＬＬ）直接數字式頻率合成（ＤＤＳ）

頻率合成技術的發展晶振諧波發生器（倍頻）分頻（÷10）8MHz混頻（+）混頻（+）2MHz濾波分頻（÷10）2.8MHz濾波0.28MHz分頻（÷10）混頻（+）濾波6MHz6.28MHz0.628MHz3MHz3.628MHz直接式頻率合成原理框圖1MHz1MHz9MHz直接式頻率合成（二）

只有一個頻率參考源的叫做直接式相關頻率合成器，這種合成器由于只有一個參考源，它所需的所有頻率都由這一個頻率經過倍頻、分頻和混頻后得到，這樣，合成器所輸出頻率的穩定度和精度都與參考源一樣，現在絕大多數都使用這種方法。直接式頻率合成（三）優點頻率轉換速度快長期和短期頻率穩定度高具有很好的近載頻相位噪聲性能。缺點但由于大量采用了倍頻、分頻、混頻和濾波環節，因此：結構復雜、調試難度大雜散抑制較差，難以達到高的頻率分辨率。

在20世紀50年代出現的鎖相式頻率合成是一種間接的頻率合成方法，它利用鎖相環（PLL）把壓控振蕩器（VCO）的輸出頻率鎖定在基準頻率上，這樣通過不同形式的鎖相環就可以在一個基準頻率的基礎上合成不同的頻率。間接式頻率合成

鎖相環基本工作原理及性能

鎖相環是一個相位環負反饋控制系統。該環路由鑒相器（PD）、環路濾波器（LPF）、電壓控制振蕩器（VCO）及基準晶體振蕩器等部分組成。鎖相環控制系統原理圖frVrVCOPDLPFVofOVd鎖相環的基本形式－倍頻式（二）

分頻環實現對輸入頻率的除法運算，與倍頻環相似，也有兩種基本形式。

分頻式鎖相環原理圖VCOPDLPFfo=fi/Nfi÷N（b）數字分頻環VCOPDLPFfo=fi/Nfi諧波形成（a）諧波分頻環fi÷NPLLfo=fi/N（c）分頻環簡化圖鎖相環的基本形式－分頻式混頻環實現對頻率的加減運算

PDLPFVCOM（＋）fi1fi2fo+fi2（b）相減混頻環PDLPFVCOM（－）fi1fi2fo=fi1+fi2fo-fi2（a）相加混頻環fo=fi1-fi2混頻鎖相環+PLLfi1fi2fo=fi1+fi2-PLLfi1fi2fo=fi1-fi2（c）相加環簡化圖（d）相減環簡化圖鎖相環的基本形式－混頻式三環PLL合成器VCOBPDBLPFBfBfi÷NB÷MVCOCPDCLPFC－BPFfoVCOAPDALPFA+÷NAfA×NAPLL+PLL÷M×NBPLLfifo三環合成器簡化框圖fBfA鎖相環的基本形式－多環合成（二）鎖相環的基本形式－多環合成（三）毫米波CW信號源（多環/小數分頻技術——解決頻率分辨率與相位噪聲指標間的矛盾）

PLL相位噪聲的特點PLL的相位噪聲來源包括：參考源、鑒相器、VCO以及寬帶噪聲基底分頻比N決定了輸出頻率相位噪聲的惡化依據20logN這一公式！鎖相環的相位噪聲特點優點：易于集成化體積小結構簡單功耗低價格低缺點：頻率切換時間相對較長相位噪聲較大。

鎖相環小結

70年代,TierneyJ等人就首先提出了DDS的概念，直接數字合成（DirectDigitalSynthesis）的基本原理是基于取樣技術和計算技術，通過數字合成來生成頻率和相位對于固定的參考頻率可調的信號。直接數字頻率合成的基本組成原理直接數字式頻率合成（ＤＤＳ）輸出信號頻率fo:取決于兩個因數：⑴參考時鐘頻率；⑵ROM中存儲的正弦波；如果地址計數器以步進Ｋ（Ｋ>=1)進行累加，則可在fc和ROM數據不變的情況下改變輸出頻率，此時fo為：設取樣時鐘頻率為fc，正弦波每一周期由Ｎ個取樣點構成，則該正弦波的頻率為：ＤＤＳ工作原理（一）ＤＤＳ工作原理（二）輸入頻率控制字為K，則相位增量為：

可見，相位增量是由頻率控制字K決定的。這樣，在特定時鐘控制下，K數值越大，“走”完一個相位圓的“步數”越少，所花的時間越短，輸出頻率越高。此時，頻率控制字K對輸出頻率即起到控制作用。點數25640966553642949672962856N8121620243248在實際的DDS中，為了降低ROM的內存容量，采用了壓縮的方法，主要利用正弦波的對稱性，將360度范圍內的幅、相點減少到90度以內正弦函數的近似算法。ＤＤＳ工作原理（三）設相位累加器位數為N，頻率控制字為Ｋ，參考時鐘頻率為fc，則DDS輸出頻率為：

相位截斷誤差：一般舍去N的低位，只取N的高A位（如高16位）作為存儲器地址，使得相位的低位被截斷（即相位截尾）。當相位值變化小于1/2A時，波形幅值并不會發生變化，但輸出頻率的分辨率并不會降低，由于地址截斷而引起的幅值誤差，稱為截斷誤差。實際應用中一般取1≤Ｋ≤(N-2)ＤＤＳ工作原理（四）單片集成化的DDS輸出輸出串/并選擇6位地址或串行編程8位并行數據FSK/BPSK/HOLD數據輸入4×～20×參考時鐘倍乘頻率累加器相位偏移及調制+相位累加器相位轉換器300MHzDDS參考時鐘濾波器濾波器12位D/AM/DAC復位12位D/A頻率控制字/相位字啟停邏輯I/O更新讀寫可編程寄存器48位頻率控制字14位相位偏移/調制I/O端口緩沖12位AM調制比較器模擬輸入時鐘輸出AD9854DDS結構+-ＤＤＳ小結優點極高的頻率分辨率，可達微赫茲量級。例如，當DDS時鐘采用300MHz，相位累加器字長為48位，此時頻率分辨率約為1.066×10-6Hz，這在傳統的頻率合成技術看來是幾乎不可能實現的。輸出頻率相對帶寬很寬。極短的頻率轉換時間，可達納秒量級。頻率轉換時的相位連續性。具有任意波形輸出能力。具有數字調制功能。缺點工作頻率的限制。輸出信號雜散抑制差。幾種頻率合成技術對比正弦信號源的典型應用系統本振（相位噪聲頻率精度）器件（放大器）失真測試（三階交調寄生分量）接收機測試（寄生功率精度）掃描功能（功率掃描頻率掃描）的應用

系統本振本振頻率精度決定發射機頻率精度本振相位噪聲會影響鄰通道信號

失真測試（一）三階交調

當兩個信號進入非線性系統，將產生其它頻率分量，這個寄生信號往往對有用信號產生嚴重的干擾——互調失真。一階二階三階圖三階交調分量與三階交調截點失真測試（二）失真測試（三）放大器失真測試（三階交調測試）

接收機測試（寄生功率精度）

1dB壓縮點失真測試（四）可利用功率掃描功能進行測試1dB壓縮點比正弦波信號源更進一步！PSG8257D模似信號源E4438C或PSG8267D矢量信號源什么是調制？調制的基本意思是修正或調整。在通信中，它意味著在發送信號前要對該信號作某種形式的變化。如果我們能將此變化與我們要發送的信息相關聯，并在接收端可靠地檢測出此變化，就有可能導出我們想要發送的原數據。因此對任何調制都有兩項主要要求──信號特性的變化應與發送的數據相關聯，并能可靠檢測到這一改變。這兩項要求適用于任何調制，包括模擬或數字調制。把信號調制到介質有最好傳輸特性的頻段改善局部帶寬的使用無線電傳輸：減小天線的物理尺寸（f=30KHz→λ=10Km）在給定帶寬中實現多用戶的復用我們為什么要進行調制？調制種類（一）為了把信息信號（語音）放到載波信號上，我們可根據信息信號改變它的幅度、頻率或相位。模擬調制和數字調制間的差別在于信息信號。在這兩種方案中，改變的是載波信號的幅度、頻率或相位（或是其組合）。在模擬調制中，載波參數按連續的模擬信息信號改變，在數字調制中，參數（幅度、頻率或相位）按離散的數字信息改變。調制種類（二）I-Q（矢量）調制幅度＝相位＝

調制的趨勢函數(波形)信號發生器函數(波形)信號發生器這一類混合信號源是為輸出具有模擬特點的波形而設計的，包括模擬波(如正弦波和三角形波)到“方形”波。這些波形因其合成原理而具有量化誤差，但同時，它也因此而能夠模擬“實際環境”信號所具有的不完美性。在通用混合信號源中，可以控制幅度、頻率、相位及DC偏移和上升時間與下降時間；可以生成過沖等畸變；可以增加邊沿抖動、調制等等。AFG任意函數發生器（AibitrayFunctionGenerator）AWG任意波形發生器（AibitrayWaveGenerator）函數(波形)信號發生器可產生的信號正弦波方形波和矩形波鋸齒形波和三角形波步進脈沖合成波模擬調制信號、數字調制信號、脈寬調制信號和正交調制信號數字碼型和格式偽隨機碼流和字流主要波形技術指標（一）對于AWG和AFG這一類“混合”信號源來說除了與正弦波信號源相類似的頻率、幅度等技術指標外，根據其波形特點，還具有其它一些技術指標：上升時間和下降時間脈寬脈沖基本特點主要波形技術指標（二）偏移差分信號與單端信號AFG任意函數發生器（一）任意函數發生器(AFG)滿足了廣泛的激勵需求；事實上，它是當前業內流行的信號源結構。一般來說，這種儀器提供的波形變化要低于同等的AWG，但它具有杰出的穩定性及對頻率變化有快速響應能力。如果DUT要求典型的正弦波和方形波(等等)及要求能夠在兩個頻率之間幾乎瞬時切換，那么任意函數發生器(AFG)就提供了這種能力。另一個特點是任意函數發生器的成本很低，因此對不要求AWG通用性的應用極具吸引力。AFG的許多功能與AWG相同，但AFG在設計上是一種專用性更強的儀器。AFG提供了獨特的優勢：它以標準形狀精確、捷變地生成穩定的波形，特別是最重要的正弦波和方形波。AFG任意函數發生器（二）在過去，AFG使用模擬振蕩器和信號調節技術生成輸出信號。最新的AFG依賴直接數字合成(DDS)技術，確定將樣點讀出內存的時鐘速率。典型的AFG僅在內存中存儲少量的波形類型。一般來說，正弦波和方形波是許多測試應用使用最廣泛的波形。某些AFGs

則是混合設備，其提供了精確、捷變的基于DDS的正弦波和方形波；而其它波形則使用比較傳統的AWG技術生成。這是一種經濟的解決方案，它通過最關鍵的功能實現了最高的性能。盡管AFG不能和AWG一樣生成幾乎任何可以想象的波形，但AFG可以生成世界各地的實驗室、修理廠和設計部門中最常用的測試信號。此外，它提供了杰出的頻率捷變性。更重要的是，AFG通常是一種非常經濟的測試方式。AFG任意函數發生器（三）AWG任意波形發生器（一）任意波形發生器(AWG)都可以生成您能夠想象的任何波形。您可以使用各種方法，從數學公式到“畫出”波形，生成所需的輸出。從根本上看，任意波形發生器(AWG)是一種完整的回放系統，它根據存儲的數字數據提供波形，這些數據描述了AC信號不斷變化的電壓電平。它是一種方塊圖看上去比較簡單的工具。我們可以用人們熟悉的指標描述AWG概念，它很象一臺唱片機，實時讀出存儲的數據(在AWG中讀的是自己的波形內存；在唱片機中讀的是唱片本身)。AWG任意波形發生器（二）內存深度(記錄長度)取樣(時鐘)速率帶寬垂直(幅度)分辨率水平(定時)分辨率輸出通道數目數字輸出種類濾波排序、循環內置編輯器（公式圖形序列）數據導入方式AFG/AWG性能指標和考慮因素使用混合信號源生成波形TekAFG300系列任意函數/波形發生器AFG300系列產品是一種性能高超的16MHz函數發生器具有內置任意波形生成功能。這種儀器支持各種標準波形，其中包括正弦波、方波、三角波、斜波、脈沖、DC和噪聲等波形。此外該儀器還具有掃頻功能以及三種工作方式連續、觸發和突發。TEKAWG4000系列任意波形發生器2或3條獨立波形通道16位(1/65