射频信号源基本原理

标签:射频信号
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射频信号源顾名思义就是产线射频信号的一个源,或者说是一台仪表。有些地方可能会称作矢量射频信号源,我们一般将只能产生模拟射频单频信号且无法产生调制信号的这一类仪表称作信号源,比如 Rigol 的 DG 系列。

 

 

它能产生标准的如正弦波、方波、三角波一类的简单信号,也可称作为是任意波形发生器。

 

 

真正意义上的信号源是用于产生矢量信号,即数字通信中常用的调制信号,支持如 l/Q 调制:ASK、FSK、MSK、PSK、QAM、AM、FM、脉冲信号等。

 

 

比如说 Rigol 的 DSG 系列。

 

 

通过下面框图可以简单的看一看射频信号源的原理。

 

信号流程从左至右首先看到的是一个 DDS 以及连接到它的 10M TCXO(或者也可以叫 OCXO),先来看这个DDS

 

DDS 直接数字合成

DDS 是直接数字合成技术,简单讲也就是频率合成技术。通过由混频器、倍频器和分频器等组成,对标准频率源进行加减乘除等必要的算术操作,再通过放大、滤波后分离选出需要的频率信号。

 

 

DDS 通常是输出一个频率比较小的信号,跟 10M 参考信号混频后降频主要负责仪表的低频段输出,而高频率部分由 VCO 输出。

 

10M TCXO

这个就是一个标准的 10MHz 的参考信号,一般在仪表的背部都会有一个 10MHz IN 和 10MHz OUT 两个接口,用于将两台仪表时钟同步。

 

 

在这里 10MHz 主要是提供一个标准的参考信号,在此功能的板端都会有一个内置的频率参考源用以输出 10M 信号(如下图),而上图所示主要是起外部时钟同步信号作用。

 

 

除了上述两种以外,还有第三种,有些仪表的选配项包括一个 TCXO 或者 OCXO 我们叫高稳晶振,或者叫晶体谐振器,它的谐振频率很稳定,所以一般用于选件的方式来添加,它一般通过仪表的背部接口处直接插入就好,比较方便,仪表厂商会重新针对频率项进行复测以确保频率是稳定且准确的。

 

 

 

VCO

VCO 一般指压控振荡器,通过原理图标我们可以看出这种图示一通常是源器件的标识。

 

 

压控振荡器指输出频率与输入控制电压有对应关系的振荡电路,其实也就是产生一个范围的频率区间。一部分频率会通过【P/D】鉴相器与 DDS 和 10M 参考信号混频而来的一路信号进行鉴相,鉴相器的主要功能就是将两路信号的相位进行鉴别和统一,保持相位的一致性。VCO 鉴相的这一条通过是通过下面两张图都有的一个器件:Divider 来操作的。

 

 

鉴相完以后的标准信号有些仪表可能会需要倍频,这个时候就会用到倍频器,如下图红框,倍频器的路径可能不是一条通路,举个例子:频率为 9k~15GHz 的频率范围,在频率合成单元可能只产生的是一个 9k~4GHz 的一个低频信号,然后通过倍频器,不段的往上倍频以产生更高频率的区间。

 

 

所以对于工程师而言在排查一些问题的时候,如果频率范围不一样可能板端走的路径是不同的。倍频主要是针对一些频率较高的仪表会使用。

 

IQ 调制

对于支持内外 IQ 调制功能的仪表会多一块 IQ 的板子,主要负责调制信号的产生。在仪表的背部会有 I IN、I OUT、Q IN、Q OUT 四个 BNC 接口用以连接外部调制信号。

 

 

另外一种是仪表自带的内部 IQ 调制功能,用户可选择内部和外部两种 IQ 调制方式,内部 I+Q 调制带宽达 60MHz,EVM<0.7%,EVM<2%(典型值),官网可以下载免费的 Ultra IQ Station 用于方便的生成矢量信号波形。

 

 

通常标配调幅,调频,调相等模拟调制方式,可选配脉冲调制及脉冲序列发生器自定义的脉冲序列,以及 I/Q 调制和 IQ 基带发生器,可生成 QAM、ASK、PSK、FSK、MSK 等各种常用的调制信号,所有调制都支持内部和外部调制源。

 

 

接下来信号会经过一个叫 ALC 的环路

ALC(Automatic Level Control)自动电平控制,是针对由于器件本身变化,环境引起工作点变化等,在电路中加入的稳定电平的电路。在一定范围内,ALC 电路自动纠正偏移的电平回到要求的数值。例如功率 ALC 电路,就是射频信号源的幅度输出值测试过程中,要求输出一定功率,由于器件由冷变热导致放大倍数变化功率偏离要求,ALC 电路自动感知这个变化调整回路的参数,使得功率维持正常数值。

 

实现上述这个过程中通常 ALC 电路会搭配可调衰减器来调整补偿幅度值。

 

可调衰减器电路通常是由反向串联的很多二极管组成。

 

 

ALC 电路其实还包含有如指数放大、比较积分、零点调节、对数放大、检波、功率分配等电路,整个过程还是挺复杂的,这里以后慢慢讲。

 

在信号流图的最后面输出之前会看到还有一个 ATT 的图示,这个是干什么的?

我们在使用信号源的时候功率输出幅度的范围通常是很大的一个区间,以 Riogl 的 DSG 系列射频信号源来说,其幅度值最大在 -110dBm~+20dBm,可是通过 ALC 电路搭配可调衰减器是不足以达到这么大的取值范围,所以在终端输出之前会再加一个单独的 ATT 电路,即固定衰减器电路,这里面是由不同大小的衰减器及直通开关组成,通过不同路径的组合达到衰减量变化的目的。

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