【導(dǎo)讀】信號(hào)源是四大通用電子測(cè)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(cè)試的可重復(fù)性，降低測(cè)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） =a1 vi（t） + a2 vi2（t） + a3 vi3（t） + 。..
若輸入為理想正弦信號(hào)，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(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13 DDS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(cè)試
–雜散
–三階失真TOI
3.接收機(jī)測(cè)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(dòng)電平控制ALC，ALC檢測(cè)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(cè)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（Vector diagram） 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(cè)量比較困難。實(shí)際的接收機(jī)和測(cè)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?，接口簡單，電路簡單，基帶?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(cè)，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(cè)量信號(hào)同相和正交分量，我們不用直接去測(cè)量信號(hào)的相對(duì)相位。
I/Q解調(diào)器可測(cè)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(cè)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(cè)量。
圖24 I-Q格式坐標(biāo)
圖25 BPSK時(shí)域頻域特征
圖26 QPSK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。可生成兩張不同的眼圖，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27 I和Q眼圖
圖28 QAM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(cè)量
•接收機(jī)選通性測(cè)量
•器件失真測(cè)量
推薦閱讀：
