RF信号发生器的使用与介绍

成都信息工程学院第一章引言1射频微波测量《射频微波测量技术》电子工程学院曹俊友[e-mail]成都信息工程学院第一章引言2射频微波测量前置放大功放滤波基带信号基带信号发射本振低噪声放大双工器接收本振滤波成都信息工程学院第一章引言3射频微波测量•思考：–语音信号如何传送到很远的地方？–收音机选台本质上是调节什么？成都信息工程学院第一章引言4射频微波测量常见的信号发生器名称•函数信号发生器•模拟信号发生器•数字信号发生器•频率捷变信号发生器•微波信号发生器√成都信息工程学院第一章引言5射频微波测量定义：一般将输出频率范围在300MHz～30GHz、工作波长为1m～10mm的信号发生器称为微波信号发生器。输出频率范围在30GHz～300GHz、工作波长为10mm～1mm的信号发生器称为毫米波信号发生器。30MHz300MHz3GHz30GHz300GHz米波分米波厘米波毫米波成都信息工程学院第一章引言6射频微波测量•一、微波信号源的性能特性•二、微波信号源的种类•三、微波扫源•四、微波合成源•五、微波合成扫源•六、微波信号源新技术本章主要内容成都信息工程学院第一章引言7射频微波测量dBm,dBw,dBμvdBm:10lg(P/1mw)dBw:10lg(P)dBμv:20lg(U/1μv)dBuV=90+dBm+10*log(R)dBuV=107+dBm(50欧姆)dBuV=108.75+dBm(75欧姆)成都信息工程学院第一章引言8射频微波测量为什么用dBm等对数方式表示信号的大小？功率的计算公式：P=U2/R信号的大小通常是用电压来表示的；在RF系统中，有确定的阻抗50Ω或75Ω，因此可用功率来描述信号的大小。成都信息工程学院第一章引言9射频微波测量对数表示更直观1W=30dBm100mW=20dBm10mW=10dBm1mW=0dBm0.1mW=-10dBm0.01mW=-20dBm0.001mW=-30dBm0.0001mW=-40dBmRF仪器中，功率常用线性和对数两种方式显示。线性显示时，单位为V、mV、uV等；对数显示时，单位为dBm、dBuV等。成都信息工程学院第一章引言10射频微波测量一、微波信号源的性能特性理想的微波信号是CW信号定常波（CostantWave)：正弦波的各个系数都是常数连续波（ContinueWave)：无始无终的正弦波u（t）=A0cos（ω0t+ψ0）微波信号成都信息工程学院第一章引言11射频微波测量信号信号是可以以某种方式感知的客观现象信号可以按照其物理和数学特征分类信号具备可以被感知和描述的特征信号可以提供或探索信息信号发生器是信号的产生装置物理特征分类声信号光信号电信号数学特征分类正弦信号脉冲信号随机信号高低强弱明暗颜色场强波形振幅频率周期脉宽均值方差信息成都信息工程学院第一章引言12射频微波测量信息信息是人类对信号特征及其变化赋予或抽象出的特定含义；可以从信号的存在特征中提取信息；（信号特征的测量）可以从信号特征的变化规律中提取信息；（网络测量）可以利用对信号特征的控制和检测传递信息。（通信）成都信息工程学院第一章引言13射频微波测量信息信息源发出信号信号特征测量分析获取信息信号源激励信号被测网络响应信号信号特征比对网络信息反求载波信号调制调制信号信息注入发送传输接收调制信号解调信息再生成都信息工程学院第一章引言14射频微波测量电信号对电磁场存在特征的物理表达和数学描述电磁场某一特征的表征量对时间的变化关系如电压、电流、场强、电势、磁通等等傅立叶级数与傅立叶变换u(t)=U(f)周期信号可以表示为一系列不同幅度、频率和初始相位的正弦信号的叠加非周期信号可以表示为具有不同分布密度的正弦信号的叠加utf成都信息工程学院第一章引言15射频微波测量•由于工程和技术的原因，微波信号往往是在频域表达的；•根据微波的正弦表达式，信号具有幅度频率和相位特性；•实际的微波信号其正弦表达式的每一个因子都是时变的；•根据信号特征的变化，微波信号可以调幅、调频和调相；•在线性系统中，调频和调相是可以互相转化的表达形式；•在非线性系统中，调幅和调频调相可以有条件互相转化。微波信号成都信息工程学院第一章引言16射频微波测量调幅调频调相))](())(cos[()]([)(000ttttAAtU成都信息工程学院第一章引言17射频微波测量A（ω）谐波寄生实际信号理想信号分谐波谱密度ω成都信息工程学院第一章引言18射频微波测量微波信号特征参数频率特性频率：信号特征每秒中重复次数；周期，波长，角频率频率稳定度：频率随时间的起伏变化；长期，短期频率准确度：实际频率与标称频率的差异；绝对，相对频率分辨率：最小频率变化间隔；绝对，相对跳频速度：频率突变的过渡时间谐波寄生：波形畸变造成的倍频伴随分量；分谐波非谐波：无规则寄生伴随频率分量相位噪声：随机相位起伏造成的频谱展宽；剩余调频：扫频信号发生器在无调制点频工作状态下，输出信号频率的短期不稳定度或晃动。扫频特性：频率连续变化特性；扫频速度、准确度成都信息工程学院第一章引言19射频微波测量微波信号特征参数功率特性功率：向特定阻抗负载注入能量的能力；振幅功率稳定度：功率随时间的起伏变化；长期，短期功率准确度：实际功率与标称功率的差异；功率平坦度功率分辨率：功率变化的最小间隔源驻波：信号源吸收倒灌功率的能力成都信息工程学院第一章引言20射频微波测量微波信号特征参数调制特性脉冲调制幅度调制频率调制相位调制成都信息工程学院第一章引言21射频微波测量微波信号源功能与构成微波振荡源稳幅功率准确度功率稳定度功率平坦度功率分辨率信号源驻波扫描模拟扫步进扫列表扫锁滚扫合成扫功率扫合成准确稳定捷变高纯高分辨率调制脉冲调制调幅调频调相组合调制I/Q调制一个微波振荡器，配以必要的控制驱动电路，就构成了最基本的信号源。不同的应用，对信号源的输出有不同的特性要求。信号源的设计，就是围绕振荡器，施加不同的控制处理电路，满足不同应用需求的过程。成都信息工程学院第一章引言22射频微波测量二、微波信号源的种类•信号源一般有以下三种：–微波扫源–微波合成源–微波合成扫源成都信息工程学院第一章引言23射频微波测量三、微波扫源输出信号的频率在一定范围内，按照一定规律重复连续变化的信号源成为扫频信号源。在某一时刻，扫源的输出波形为正弦波，因此，微波扫源具有一般正弦信号源的特性。扫源也可以设置成单一连续波频率的工作状态。成都信息工程学院第一章引言24射频微波测量微波扫源基本构成框图扫描发生器ＣＰＵ电源主振驱动调制驱动器ＡＬＣ系统微波主振调制组件输出组件成都信息工程学院第一章引言25射频微波测量主振AF振荡器模型|AF|1AF=2n常用的振荡器VCXO压控晶振DRO介质振荡器VTO（VCO）压控振荡器YTOYIG振荡器OCXO恒温晶振频率单一频谱纯净稳定度好频率微调频谱纯净稳定度较好频率单一频谱较净稳定度较好调谐范围较大频谱一般稳定度一般调谐范围很宽频谱一般稳定度一般成都信息工程学院第一章引言26射频微波测量微波扫源的优缺点•优点–电路相对简单–成本相对较低•缺点–频率稳定度和准确度都很差–由于剩余调频很大，谈不上相位噪声成都信息工程学院第一章引言27射频微波测量四、微波合成源微波扫源实现比较容易，频率准确度和稳定度比较差，不能用于精密测量场合。利用频率合成技术，使得频率准确度和稳定度达到要求，称该源为微波合成源。成都信息工程学院第一章引言28射频微波测量微波合成源的原理框图电源时基ＣＰＵ频率合成器主振驱动调制驱动器ＡＬＣ系统微波主振调制组件输出组件ＰＬＬ合成信号发生器原理框图成都信息工程学院第一章引言29射频微波测量频率合成频率合成是指利用物理方法实现频率的数学运算直接合成包括分频、倍频、混频、取样数字直接合成间接合成主要是指锁相环（PLL）频率合成数字合成DDS☆相位累加器☆相位寄存器☆D/A☆低通滤波锁相合成☆相位负反馈☆鉴频鉴相器☆环路滤波器☆VCO直接合成☆混频（加、减）☆倍频（乘）☆分频（除）☆滤波频率合成成都信息工程学院第一章引言30射频微波测量请大家思考DS、PLL、DDS这3种频率合成技术的原理和优缺点？熟悉这3种技术的优缺点对于指导我们的设计有非常重要的作用，下面我们一起来复习。成都信息工程学院第一章引言31射频微波测量直接式频率合成——DS直接式频率合成使用的元件多，结构复杂，体积大，造价高，杂波抑制太差，这是它的一个致命缺点，足以抵消它的所有优点。如何抑制杂波以及组合频率也是直接频率合成器首要关注的问题。因此，几乎在所有的应用场合，均被锁相技术的间接频率合成方法所代替。成都信息工程学院第一章引言32射频微波测量间接式频率合成间接式频率合成是第二代频率合成技术，以高指标的晶体振荡器作为参考频率，利用锁相环技术进行锁相并达到倍频的目的，产生所需要的频点。间接式频率合成又称锁相环频率合成技术。合成器具有良好的窄带跟踪特性，可以很好的选择所需要频率的信号，频率覆盖范围较大，杂散抑制也很好，并且避免了使用大量的滤波器，十分有利于集成化和小型化。参考文献：AnalogDevices,Fractional-NFrequencySynthesizer,ADF4154,DeviceDatasheet,2004:6~7成都信息工程学院第一章引言33射频微波测量基本锁相环FoFr频率参考鉴频／鉴相器环路滤波器调谐振荡器反馈网络(Ｔ)FvfOUTPDLPFVCOfREFfOUT=N×fREF÷N成都信息工程学院第一章引言34射频微波测量微波锁相环fOUT=N×fLO+fREFPDLPFVCO×NfREFfOUTfLOfIFoFr频率参考鉴频／鉴相器环路滤波器调谐振荡器反馈网络(Ｔ)Fv成都信息工程学院第一章引言35射频微波测量输出信号的相位噪声相噪频偏振荡器自由噪声频率参考等效噪声锁相输出实际噪声低通滤波增益带宽FoFr频率参考鉴频／鉴相器环路滤波器调谐振荡器反馈网络(Ｔ)Fv成都信息工程学院第一章引言36射频微波测量成都信息工程学院第一章引言37射频微波测量锁相频率合成技术最大的缺点是频率步进和跳频时间相互制约。为使PLL的转换时间比较快，由经验公式或者仿真容易知道，这需要提高PLL的参考信号频率，但这样会使频率步进太大，也就是频率分辨率降低。整数分频频率合成器，跳频时间和频率分辨率是不可调和的矛盾，所以整数锁相环往往难以满足实际需要；如果减小步进而降低参考信号频率，又会增加频率转换时间和相位噪声。小数分频器在一定程度上缓和了这个矛盾，在较大的鉴相频率下，小数分频频率合成器可以实现小数分频，使得频率合成器的分辨率可以很小，而鉴相频率不变，也就是说保持了较短的跳频时间。小数分频器的杂散抑制比较差，目前主流芯片只能做到-70dBc。成都信息工程学院第一章引言38射频微波测量直接数字频率合成——DDS数字直接式频率合成是第三代频率合成技术。它利用数字计算机和数模变换器来产生信号。完成直接式频率合成的办法，或者是利用计算机求解一个数字递推关系式，或者是查询表格上所存储的正弦波值。目前用得较多的是查表法。这种合成器体积小、功耗低，并且可以几乎是实时的以连续相位转换频率，给出非常高的频率分辨率。参考文献：AnalogDevices,Inc.,2.7GHzDDS-BasedAgiledRFSynthesizerAD9956,DeviceDatasheet,2004:1~15成都信息工程学院第一章引言39射频微波测量DDS累加器寄存器cosθD/ALPF循环展开低通滤波成都信息工程学院第一章引言40射频微波测量直接数字频率合成——DDS直接式数字频率合成器有一个很大的缺点，其输出的信号频率较低，目前形成产品的DDS芯片的最高时钟频率到1.6GHz，而且实际输出频率更低，约600MHz。直接式数字频率合成器还有一个弱点，其输出杂散抑制差。目前，据资料，AD公司的DDS产品在窄带输出的