為頻率捷變應用選擇信號發(fā)生器

　　根據信號發(fā)生器的主要用途或公司的預算，設計師通常會(huì )采用傳統的信號發(fā)生器設計，如YIG調諧或帶狀合成器。然而，最近出現的基于合成儀器（Synthetic-instrument，SI）架構的信號發(fā)生器有望改變這種選擇。

　　當測試頻率捷變無(wú)線(xiàn)電時(shí)，找到能夠跟隨所期望的跳頻圖案的信號發(fā)生器（跳變速率和延遲時(shí)間都很快的儀器）使用戶(hù)受到了限制。如果測試系統只要求產(chǎn)生簡(jiǎn)單的頻率調制，或僅作為快速跳變的本地振蕩器，那么選擇快速調諧信號發(fā)生器就行了。不過(guò)，這種信號發(fā)生器是無(wú)法產(chǎn)生最近商用無(wú)線(xiàn)或軍用通信標準所需的復雜的調制信號。

　　因此，設計人員通常會(huì )購買(mǎi)兩臺或更多的信號發(fā)生器來(lái)完成該種應用的某一個(gè)任務(wù)，這就增加了相當可觀(guān)的花費。合成儀器信號發(fā)生器——包括一個(gè)任意波形發(fā)生器（AWG）和一個(gè)矢量上變頻器——的出現使得減少所需儀器的個(gè)數成為可能，從而降低了成本。

　　什么是合成儀器

　　SIWG（合成儀器工作組）將SI定義為：將硬件和軟件模塊結合在一起以實(shí)現儀器配置的靈活性，如圖1所示，從而和傳統儀器相匹敵。

　　SIWG被授權開(kāi)發(fā)各模塊間的接口標準，以提高不同廠(chǎng)商和模塊之間的互換性?；Q能力將提高測試系統的壽命和升級能力。

圖1 合成儀器架構將軟硬件間按功能進(jìn)行劃分以提高靈活性

　　選擇儀器的構架

　　在某個(gè)信號發(fā)生器中，硬件模塊可能包括一個(gè)矢量上變頻器和一個(gè)AWG，軟件模塊可能包括一些基帶信號發(fā)生軟件。軟件部分可以裝在PC中也可以裝在A(yíng)WG中。

　　采用SI信號發(fā)生器的好處是為設計師提供了依據被測設備選擇儀器性能的靈活性。例如，若所有被測設備都是窄帶、低頻，測試工程師就可以選用一個(gè)便宜的AWG和RF上變頻器。又如，當某個(gè)公司開(kāi)發(fā)需要高帶寬或工作頻率高的新產(chǎn)品時(shí)，工程師可以?xún)H升級此前選好的AWG或上變頻器。

　　傳統的信號發(fā)生器有給定的調諧、或頻率開(kāi)關(guān)，以及在從某個(gè)頻率調諧到下個(gè)給定了頻率和振幅穩定性的頻率的速率。目前，最普遍的傳統信號發(fā)生器基于YIG調諧振蕩器，它是開(kāi)關(guān)速率受限制的源頭。

　　這種信號發(fā)生器的主要優(yōu)點(diǎn)是其內部能生成復雜的調制的基帶，得益于其可選的內置I/Q調制和靈活的AWG。盡管這類(lèi)儀器的開(kāi)關(guān)速率逐年上升，最新的產(chǎn)品的開(kāi)關(guān)速率可以滿(mǎn)足商用無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品的需求，但對于頻率捷變雷達等應用還不夠快。

　　另一種信號發(fā)生器是帶狀合成器設計。為獲得期望的基頻，合成器將高性能的本地振蕩器的輸出倍頻或分頻。

　　這種技術(shù)可使開(kāi)關(guān)速率小于1μs——這么快的速率足以滿(mǎn)足如Link 16高級戰術(shù)雷達等許多雷達應用的需求，但是，這種設計并沒(méi)有Link 16和其他現代的頻率捷變數字通信應用所需的靈活調制類(lèi)型。如何解決這個(gè)看似矛盾的問(wèn)題呢？采用一個(gè)超寬帶寬的AWG配合帶有超寬帶調制器的矢量上變頻器是解決方案之一。

　　另一種選擇是采用“黃金樣品（golden radio）”信號發(fā)生法。這種方法從很早就開(kāi)始采用了，一直是測試最新的調制格式的唯一方法。

　　這種方法使用一臺實(shí)際的無(wú)線(xiàn)電作為測試設備的一部分，首先在測試設備中已校準的部分（如功率計、頻譜分析儀和矢量信號分析儀）測試無(wú)線(xiàn)電的性能，假定這個(gè)無(wú)線(xiàn)電的性能是“完美”的。這個(gè)“金子般的”完美的無(wú)線(xiàn)電此后就被用來(lái)測量其他可比的無(wú)線(xiàn)電。這種測試方法有很多優(yōu)點(diǎn)，包括低成本和正確的調制數據和格式。

　　然而，黃金樣品往往不能像NIST（國家標準及技術(shù)學(xué)會(huì )）可追蹤測試設備一樣穩定，所以就會(huì )出現一些問(wèn)題。如果黃金樣品的性能發(fā)生了變化，就有可能留下好的產(chǎn)品而使有問(wèn)題的那些通過(guò)測試。

　　折中方案的實(shí)例

　　Link 16是一個(gè)很好的例子，它同時(shí)挑戰了開(kāi)關(guān)速率和當今復雜調制方案所需的靈活性。一些讀者可能對這種軍用系統不熟悉，其實(shí)它的無(wú)線(xiàn)電廣播技術(shù)也可在商用系統中見(jiàn)到。

　　Link 16是一個(gè)對等的軍用戰術(shù)無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò )，以其頻率靈敏性來(lái)避免干擾，和流行的藍牙網(wǎng)絡(luò )的操作方式很相似。亞微秒開(kāi)關(guān)速率和數據編碼所需的最小頻移鍵控（MSK）調制使生成的Link 16波形具有挑戰性。

　　目前，現有的信號發(fā)生器都還不能同時(shí)提供高開(kāi)關(guān)速率和高靈活性，這就需要客戶(hù)采用定制的信號發(fā)生器或采用“黃金樣品”法來(lái)測試Link 16無(wú)線(xiàn)電。然而，這些方式要么成本很高，要么沒(méi)有足夠的支持，要么則不能提供所需的測試精確比率（TAR）以驗證其操作性能。

　　軍事應用中，最低的TAR要求是 3:1，意思是信號發(fā)生器的性能至少應是被測無(wú)線(xiàn)電的3倍。由于“黃金樣品”法采用實(shí)際的無(wú)線(xiàn)電，它的TAR值僅稍稍?xún)?yōu)于1:1。

　　與藍牙不同，Link 16的頻率跳變順序由安全密碼單元決定，安全密碼單元將給出在哪里調諧以接收下一個(gè)數據信息。這個(gè)附加的需求促使無(wú)線(xiàn)電廠(chǎng)商采用“黃金樣品”法。但由于發(fā)生器必須是測試設備中的安全的部分，比通用儀器復雜得多，采用定制的信號發(fā)生器的做法無(wú)法實(shí)現。

　　SI信號發(fā)生器能夠解決這個(gè)復雜的問(wèn)題，如圖2所示。其中AWG提供了能夠將任意調制格式和相關(guān)數據存入內存的靈活性。

圖2 N8241A任意波形發(fā)生器工作在1.25Gs/s（500MHz），N8212A矢量上變頻器可從250kHz調至20GHz

　　采用SI信號發(fā)生器，人們可以調諧上變頻器到期望的頻率，并對AWG編程，數字式改變其頻率，而不用試圖調諧矢量I/Q上變頻器來(lái)滿(mǎn)足加密。

　　AWG的帶寬（采樣率）應該至少和跳頻（Link 16為255MHz）的寬度一樣，那么測試工程師就可以對所有可能的（基帶）頻率以所需的波形來(lái)編程，這些將被以正確的順序進(jìn)行排序。這與快速調諧無(wú)線(xiàn)電的效果一樣。矢量上變頻器必須達到所需的整個(gè)跳變波形范圍的帶寬（255MHz）。

　　由于跳變的圖形往往是未知的，這就需要能夠直接與加密硬件接口的方法。用加密設備提供的數字口令來(lái)告知AWG播放哪段波形將提供所需的連接。

　　如果所需的僅是窄帶RF能力，那么目前SI方案可能要比傳統的信號發(fā)生器成本低。不過(guò)，隨著(zhù)高性能DAC的價(jià)格不斷降低，SI信號發(fā)生器的應用將越來(lái)越普遍。