高純信號發生器

高純信號發生器是指通過先進的頻率合成技術使輸出信號的頻譜純度大大優於一般信號發生器的一類信號發生裝置。高純信號發生器的主要技術特點是可以概括為極低的噪聲、低諧波、低雜散以及極高的長期頻率穩定度等。

基本介紹

• 中文名：高純信號發生器
• 類型：一種信號發生器
• 特點：低噪聲、低諧波和低雜散
• 套用：用於信道內外的性能測試

簡要概述

根據用途和設計性能的不同，高純信號發生器的構造和實現原理也不盡相同，主要可分為以下幾種：

1、 簡易高純信號發生器。為了某一特定的套用，進行專門設計定製的高純信號發生器。此類高純信號發生器一般功能不多，頻段不寬，無豐富的各種高性能的調製，追求的是在所需的頻段內產生滿足使用要求的高頻譜純度的信號。

2、 通用高純信號發生器。通常是指那些不僅具有極高的頻譜純度、優良的電平精度以及精細的頻率和幅度分辨力，同時還能夠實現高性能的各種複雜模擬調製或數字調製功能強大的高性能信號發生器。通用高純信號發生器從其輸出頻率範圍上又可分為射頻高純信號發生器和微波與毫米波高純信號發生器，其相應頻段的劃分與一般信號發生器頻段的劃分相一致。

3、 捷變頻高純信號發生器。指能夠在不同頻率之間快速跳變的高純信號發生器。由於其不僅要有極高的頻譜純度，還要求輸出信號能夠連續地快速跳變，跳變時間通常在微秒級甚至達百納秒級，因此在頻率合成的實現方案上與通用高純信號發生器有很大不同。

早期的高純信號發生器大都集中在射頻頻段，主要套用在雷達、衛星通信和相位噪聲測量領域，作為發射機本振替代和頻率參考發生。代表典型產品當屬原HP公司的HP8662A、HP8663A，由於採用了複雜的頻率合成技術，所以儀器本身體積較大，比較笨重，使得它主要套用在了信號發生器的高端套用領域。

在20世紀90年代，高純信號發生器的發展並不迅速。但是在進入新世紀以來，高純信號發生器得到了快速發展，國外各大公司相繼推出了一系列高純信號發生器。這些信號發生器在10GHz載頻10kHz偏頻處的相位噪聲達到了-110dBc/Hz,頻率上限拓展到了70GHz。

從近年推出的一系列高純信號發生器來看，高純信號發生器正向著更高的頻譜純度、更高的輸出頻率上限、更寬的頻率覆蓋、更高的輸出功率、更大的輸出功率動態範圍以及能夠實現高性能的各種複雜模擬和數字調製等方向發展。

基本工作原理

高純信號發生器的基本工作原理與一般信號發生器並沒有什麼大的不同，只是採用了更加先進的頻率合成技術，使得輸出信號的頻譜純度與一般信號發生器相比有了大幅度提升。在高純信號的產生技術方法上，最簡單直接的方法就是利用晶體諧振器直接產生所需的信號。但是由於晶體諧振器產生的信號一般頻率較低，且一個晶體諧振器只能產生一種頻率的信號，所以要獲得更高、更多頻率的高純信號，還需要利用直接頻率合成方法，即採用倍頻、混頻和分頻方法對一個或幾個晶體諧振器產生的基準頻率進行加、減、乘和除的運算，產生所需頻率的高純信號。這種高純信號發生器的工作原理簡單，但是由於它只能產生一個或固定的若干個信號，難以實現寬頻高分辨力的頻率覆蓋。

通用高純信號發生器一般都是利用低噪聲的VCO、YTO等作為基本的信號發生單元，以晶體振盪器作為頻率基準，通過各種頻率合成技術把最終輸出鎖定到頻率基準上，這和非高純信號發生器的基本原理是一樣的。但是高純信號發生器為了獲得更低的邊帶相位噪聲，通常又採用兩種技術方法：其一是鎖頻環（FLL）方式，即採用延遲線鑒頻器來降低相位噪聲；其二是高純本振取樣變頻方式。

採用延遲鑒頻器的鎖頻環路利用了一個基本原理，即在振盪器的諧振迴路中相頻特性愈陡峭，則說明偏離諧振頻率以外的頻率相移愈大，這些頻率就不能滿足振盪的相位條件，從而出現在邊帶上的噪聲就愈小，這種方法原理框圖如圖1-1所示。一個典型的套用例子就是FLUKE公司的6070/71，其主倍頻程VCO經這種方法改善了約20dB。但是這種技術方法一個典型的缺點就是在環路里無法實現高性能的頻率/相位調製，此外由於採用可多路電纜延遲線，不可避免地造成儀器過於笨重，在新一代的高純信號發生器里已不多見。

圖1-1 延遲線鑒頻方法原理框圖

目前新一代通用高純信號發生器最常用的技術方法是高純取樣變頻。其高純頻率合成的基本思想是以極低噪聲的晶體振盪器作為整機的近載波噪聲基準，以低噪聲YIG振盪器作為基本信號發生單元，利用寬頻鎖相環路產生一高純高頻信號作為微波信號取樣變頻的本振，然後再利用寬頻鎖相環路將微波信號鎖定在移高分辨力參考上，從而實現高性能的微波頻率合成，然後通過倍頻的方式實現更高頻率的覆蓋；在低端射頻頻率覆蓋上，為了獲得低的相位噪聲通常採用分頻方式而不是一般信號發生器里所採用的差頻方式。

通用高純信號發生器的典型原理框圖如圖1-2所示，主要由高性能參考環、高純取樣本振環、低噪聲高分辨力參考發生、取樣變頻器、低噪聲鑒相及驅動、低噪聲振盪器以及信號調理通道組成。高性能參考環是整機高純頻率合成的基石，為了獲得好的邊帶相位噪聲，在參考環的設計上通常採用二次頻率轉換的方法提高參考環的輸出頻率，即把一個較高頻率的晶體振盪器鎖定到一個較低頻率的晶體振盪器上。

圖2 通用高純信號發生器典型原理框圖

由於微波信號的不變頻是利用高純取樣本振通過取樣變頻的方式實現的，所以高純取樣本振的邊帶噪聲會直接疊加到輸出上，並以20logN(N為取樣諧波次數)的速度惡化，這是倍頻的固有特性，因此取樣本振的噪聲高低和取樣諧波次數的大小會直接決定射頻輸出的帶內噪聲的好壞。目前在高純信號發生器里已普遍把高純取樣本振的頻率由兩三百兆左右提高到六百兆到九百兆，以降低取樣諧波次數來獲得更好的邊帶相位噪聲。而在高純取樣本振環的設計上，除了設計更低噪聲的振盪器外，普遍採用了寬頻低噪聲鎖相環路，即選用儘可能高的參考頻率，一般在幾十兆赫，更高的達百兆赫量級，從而可以獲得大的環路頻寬、高的環路帶內增益，這樣就可以充分利用參考極低的近載波相位噪聲。

高純信號發生器頻率分辨力的指標一般較高，通常達0.1Hz甚至0.001Hz，主要由低噪聲高分辨力參考發生部分來實現。在高純信號發生器里最常用的還是採用∑-調製的小數分頻頻率合成技術，但是為了獲得低噪聲高分辨力，在高純信號發生器里進行了全面的改進。通過提高小數分頻的時鐘和∑-調製器的階數並適當增加環路頻寬來增強對小數分頻尾數雜散的抑制，增加∑-調製器內部累加器的位數提高頻率分辨力，此外在VCO和環路的設計上也採用了新的電路形式。另一種技術方法是DDS技術，由於高純信號發生器對低雜散的特殊要求，採用這種技術方法必須考慮DDS雜散大的缺點。

高純信號發生器的信號調理部分主要由放大調製組件、濾波組件、倍頻組件、分頻組件、定向耦合檢波器以及程控步進衰減器等組成，其基本工作原理與一般信號發生器相同。在這裡需要補充說明的一點是，現在射頻頻段的高純信號發生器為了獲得好的邊帶相位噪聲，其頻率合成方案就採用了先微波合成在分頻到射頻頻段的方案。

主要技術指標

高純信號發生器的典型技術指標主要有頻率、頻譜純度、輸出電平和調製，它們的定義與其他信號發生器相同，但是在技術指標的說明上更加突出頻譜純度。

典型套用

高純信號發生器主要用於接收機靈敏度、鄰道選擇性、雜散抑制等信道內外性能的測試，以及發射機本振替代、失真測試、相位噪聲測試等對頻譜純度要求很高的領域。高純信號發生器套用的一個典型例子就是接收機的帶外測試。在這個測試中，一個信號發生器被加到被測信道中，而另一個信號發生器被設定在相鄰信道處，增加這個信道外信號發生器的幅度，一直到它影響了接收機被測信道內的有用信號為止。這也稱為接收機的選擇性測試。如果信道外用的信號相位噪聲指標較差時，帶外信號發生器的噪聲很早就淹沒了有用信號，使測試出現誤差，甚至所測得的選擇性比實際接收機的選擇性差。而高純信號發生器的相位噪聲指標就可以滿足這種測試要求。