信号源图文并茂，一文读懂信号源

信号源是四大通用电子测量仪器之一，另外三大是网络分析仪、频谱分析仪和示波器。本文介绍信号源的基本知识。信号源最常用的功能是产生正弦波，所以本文从介绍正弦波的特性开始。

一、正弦波的信号特征

通过正弦波信号的表达式方程，可以反映出信号中包含的参数有:信号幅度；频率；初始阶段。信号的频率和初始相位可以包含在信号的相位信息中。

对于一个理想的正弦波信号，其幅值、频率和初始相位都应该是确定的参数，所以正弦波信号是一个比较简单的信号。要定义连续波信号，只需要振幅和频率。

图1正弦波信号特征

信号源产生正弦波的典型幅度参数如下:

图2信号源输出正弦波的典型幅度参数

信号源应考虑幅度精度，以提高测试的重复性，降低测试的不确定度。

信号源的典型频率参数如下:

图3信号源输出正弦波的典型频率参数

信号源的频率精度与参考振荡器的年老化率和校准后经过的时间有关。

实际正弦波的信号特性比理想信号的信号特性复杂得多，因此应考虑相位噪声、杂散频率调制和杂散，如图4所示。相位噪声在频域表现为噪声边带，在时域表现为随机相位抖动，可以理解为调制理想正弦信号相位的随机噪声。

图4实际正弦波的信号特征

正弦波或连续波信号质量的评估主要在频域进行。频域杂散包含连续分量和离散分量，它们都对应于时域失真。连续噪声边带称为相位噪声，离散杂散根据与基波的频率关系分为谐波和杂波。

相位噪声主要由振荡器内部噪声引起，谐波杂波的形成与器件的非线性有关:

VO(t)= a1 VI(t)+a2 vi2(t)+a3 vi3(t)+...

如果输入是理想正弦信号，输出为:

VO(t)= a1 sin(wt)+a2 sin 2(wt)+a3 sin 3(wt)+...

= a2/2+a1 sin(wt)+3a 3/4 sin(wt)+a2/2 sin(2wt)+a3/4 sin(3wt)+...

图5正弦信号相位噪声的定义

相位噪声指数主要在频域描述，用一定偏移下SSB噪声功率谱密度与载波功率之比表示。工程上调查的频偏范围为10Hz ~ 1MHz，频偏水平坐标用对数表示。

二、点频率信号源

一般来说，点频率信号源由三部分组成:

1.参考源部分:确定整个信号源的频率稳定性；

2.频率合成部分:确定输出信号的频率参数；

3.输出功率控制部分:确定输出信号功率参数

图6信号源框图

满足各种指标要求合成信号的技术称为频率合成技术，合成信号频率的方法主要有三种:

1.直接频率合成

利用振荡器直接输出所需的频率信号，晶体振荡器因其高Q值而得到广泛应用。使用恒温晶体振荡器和稳定补偿晶体振荡器可以进一步提高其频率稳定性。主要应用于单点频率信号合成。

2.间接频率合成

采用锁相环的频率合成具有信号输出频率范围宽、频率变化步长小、频率跳变快的特点。然而，存在频率变化步长和相位噪声指数矛盾的缺点。锁相环间接频率合成是频率合成的主要方式。

3.直接数字合成

采用数字技术的信号波形合成的特点是输出频率步进指数高，频率跳变快，但输出频率范围窄。

图7信号源频率合成技术及其优缺点

直接频率合成技术的原理框图如下图所示。采用温度补偿晶体振荡器和恒温晶体振荡器可以提高晶体振荡器的频率稳定性。

图8直接频率合成原理框图

间接频率合成技术的原理框图如下图所示。锁相环由鉴相器组成；环路滤波器；压控振荡器；分频器等。

从频率关系分析，锁相环相当于一个倍频器:锁相环输出信号的频率变化步进到其鉴相器的工作频率。

如果要求频率变化步长较小，鉴相频率相应较小，而N的值相应较大，以保证输出频率值。鉴相频率越小，锁相环带宽相应降低，锁相环动态性能(跳频速度)变差。

图10间接频率合成原理框图

分析了锁相环输出信号的相位噪声指标。

对于参考源，锁相环具有低通特性，带宽为环路带宽。锁相环输出相位噪声是参考信号相位噪声的N倍恶化。n越大，锁相环输出的相位噪声指数越差。在环路带宽之外，锁相环输出相位噪声由压控振荡器决定。

图11锁相环的输出相位噪声指数

改善锁相环输出信号相位噪声指数的原理是降低分频比n，这可以采用多锁相环和分数分频技术来实现。

图12改善锁相环输出信号相位噪声的方法

直接数字频率合成DDS是随着数字技术的发展而出现的新技术，其原理框图如下图所示。DDS由相位累加器组成；ROM表；DAC低通滤波器。

图13 DDS直接数字合成技术原理框图

信号源采用ALC(自动电平控制)技术，确保输出信号的幅度。大幅度的幅度调整由衰减器完成。

图14信号源输出信号功率的控制

点频率信号源的应用；

1.系统本地振荡器:

–相位噪声

–频率精度

2.器件失真性能测试

–虚假

–三阶失真TOI

3.接收器测试:

–调制方法

–幅度精度

–杂散性能

功率扫描需要注意:功率扫描范围、功率斜率范围、源匹配。功率扫描由自动电平控制ALC、ALC检测器、ALC驱动器和ALC调制器完成。

第三，模拟信号发生器是模拟调制信号源

根据调制信号的不同，调制信号可以分为模拟调制和数字调制。

正弦波信号包含振幅、频率和相位三个独立的参数。如果一个连续的正弦波未调制，则其包络幅度、振动频率和初始相位将始终是一个常数(不考虑噪声因子)，所以正弦波信息为零。我们传统的模拟调制是用调制信号改变载波的这三个参数，使载波携带调制后的信息从一端传到另一端。

为什么调制信号被调制到载波上？载波的作用是使用更高的射频或微波频率作为载波，使信息可以传输得更远。如果是基带传输，距离越近越好。比如，你用电话联系大楼里的其他同事，比你在走廊里喊要方便省力得多。很多人想象数字调制是一种新技术，但实际上所有的调制方式都可以归结为AM、FM、PM。

图15调制信息的位置

调幅am信号需要以下参数:

1.载波频率

2.调制信号频率

3.调制指数

图16调幅am

调频调频信号需要以下参数:

1.载波频率

2.调制信号频率

3.调制频率偏移

4.调制指数

图17调频调频

图18相位调制永磁

图19脉冲调制

图20模拟调制信号源原理框图

第三，矢量信号发生器是数字调制信号源

图21各种调制方法的波形比较

用矢量来描述一个正弦波是非常方便的。在极坐标中，矢量表示正弦波的峰值电压幅度与相位变化量之间的关系。360度的相位旋转表示完整的频率周期。请注意，相反的符号提供了一种方便的方式来显示正弦波相位随时间的变化。图中示波器显示信号幅度随时间变化的过程。矢量不能直接提供任何频率信息。事实上，我们测量矢量相对于载波信号的参考相位。这意味着矢量只有在频率不同时才会旋转。

图22在极坐标中，正弦波由矢量描述

下图显示了在输入/输出平面中表示的各种调制信号的示例。理解了它们，你就明白了所有的I/Q调制原理。在任何一个I/Q图中，如果信号的幅度在径向发生变化，就意味着信号的相位发生了变化(而且只有相位发生了变化)。所以在am调制的I/Q图中，只有矢量是径向变化的。PM调制是矢量旋转。FM看起来像PM，因为偏离载波频率就是单位时间内的相位变化。请记住，幅度和相位变化都是相对于未调制载波的。矢量图是描述矢量信号变化轨迹的直观方式。

图23极坐标中的信号变化

矢量的相位很难直接测量。实际的接收机和测量系统使用输入输出解调。它将信号相位的控制问题转化为两个正交分量电压的控制问题。

首先因为简单，接口简单，电路简单，基带实现简单；其次，I/Q表示与调制信号正交的变量，一个信号相对于载波相移90度。如果只用I通道检测，因为COS (90) = 0，虽然输入信号存在，但是I通道的输出是0V，那么I通道没有输出信号。因此，通过分别测量信号的同相和正交分量，我们不需要直接测量信号的相对相位。

I/Q解调器可以测量幅度和相位。频率参数呢？频率是相位相对于时间的变化。事实上，I/Q解调器直接测量所有类型的调制，而不仅仅是AM、PM和FM调制信号。

图24输入输出格式坐标

图25 bpsk的时域和频域特性

图26 QPSK时域和星座映射

观察数字调制信号的一种方法是使用眼图。可以生成两个不同的眼图，一个是I通道数据，一个是Q通道数据。

眼图以无限的方式反复显示了I和Q振幅与时间的关系。I和Q过渡可以单独显示，在确定符号的瞬间形成“眼睛”。QPSK有四个不同的输入输出状态，每个都在一个象限内。I/Q各有两个级别，每个I和Q形成一个眼，下图是16QAM的例子，四个级别围着三个眼。理解眼图的概念很重要。好的信号眼睛“宽”，交点对应星座图上符号点的位置。调制质量越高，交点越集中。