合成儀器技術(shù)

合成儀器（SI）利用部件開(kāi)放結構環(huán)境中所用的核心硬件和軟件構建單元組合，合成傳統儀器中的激勵和/或測量功能。合成儀器概念在70年代末和80年代初，主要是集中在軍事項目研究中。此時(shí)，其技術(shù)不能為商業(yè)提供可用性。所能實(shí)現的主要是集中在RF/微波應用中的低頻模擬、數字和基帶中。
現代合成儀器發(fā)現它們的根是在過(guò)去10年通信革命和呈現出的軟件無(wú)線(xiàn)電（SDR）要領(lǐng)中。根據SDR的定義，SDR是由DSP、發(fā)送器、接收器把數字數據變?yōu)闊o(wú)線(xiàn)通信用的調制無(wú)線(xiàn)電波和把調制無(wú)線(xiàn)電波變換為數字數據。DSP提供無(wú)線(xiàn)電功能，它是通過(guò)軟件元件，用專(zhuān)門(mén)算法產(chǎn)生或處理SDR發(fā)送和接收用數字表示的信號。SDR能為迅速地實(shí)現所出現的通信協(xié)議/調制方法、功能和用戶(hù)需求的設計模件性和編程靈活性。
SI是基于如下概念基礎上的，即用“芯核”SI硬件和軟件元件實(shí)現大多數的激勵和測量功能。芯核元件包括上變頻 器和下變戰友器、數/模轉換器（DAC）、模/數轉換器（ADC）及DSP硬件的軟件。根據用戶(hù)測試要求的包裝，用商業(yè)流行（COTS）硬件（如電源、安裝和負載）可補充這些元件。
基于SI的測試系統的測試測量能力，框圖（見(jiàn)圖2）看起來(lái)類(lèi)似于SDR。接收或RF到數字電路的鏈路/通路由信號調理下變頻器和械/數轉換電路組成。信號調理電路控制自動(dòng)增益控制。AGC處理控制測量信號通路中的放大器和衰減器來(lái)調節模擬信號電平到其后處理單元的動(dòng)態(tài)范圍。
在測量通路中，下變頻器功能單元也許是最關(guān)鍵的元件。下變頻器必須提供頻率變換/濾波功能、通過(guò)混頻和濾波組合正確地再生目標基帶信號，此信號被調制在微波載波信號。若下變頻器的變換喪失，則就不能精確地測定、設計和控制IF濾波和相關(guān)相位特性，不能適當地由A/D轉換器數字化和分析IF信號，而且DSP軟件將給出錯誤的結果。接收或測量處理通路中的A/D轉換器是連續模擬和分運數字域之間的接口。ADC的工作范圍往往是所執行測量性能的限制因素。在激勵或上變頻器通路，上變頻信號的精確度依賴(lài)度依賴(lài)于所用D/A的帶寬和動(dòng)態(tài)范圍。
合成儀器
自從早期電子儀器復興開(kāi)始，測試測量業(yè)經(jīng)受巨大變化。在過(guò)去60年內研制出針對商業(yè)和軍事市場(chǎng)測試測量信號的各種各樣的儀器。傳統儀器（如數字多用表、電子數字器、示波器、功率器、函數發(fā)生器和網(wǎng)絡(luò )分析儀）以其本身特點(diǎn)出現在市場(chǎng)上。每種儀器都用專(zhuān)門(mén)和/或稍微不同的激勵/測量電路和技術(shù)設計。這種傳統的方法主要依賴(lài)于由專(zhuān)門(mén)硬件實(shí)現的儀器激勵/或測量能力。
除了這些儀器前端的通用性外，很難看到激勵/測量技術(shù)的再用。硬件的頂層是嵌入式軟件層（通常連接到原來(lái)設計的目標嵌入式控制器）。嵌入式軟件的頂層是應用軟件，其大多數的部分功能如同圖像用戶(hù)接口（GUI）和/或已定標/換算/轉換數據的顯示。
基于SI的ATS（自動(dòng)測試系統）變成完全顛倒的傳統模型（見(jiàn)圖3）。合成硬件結構由最低開(kāi)放標準硬件（信號調理、上變頻器、下變頻器、DAC、ADC）組件，標準硬件與不受限制的DSP軟件結合工作。這種硬件減少、使系統定標的要求和成本最小，系統定標容易受SI激勵和測量通路中每個(gè)功能塊所具有的檢查方法和控制性的影響（見(jiàn)圖4）。
同樣，SI報廢和更新問(wèn)題只限少數模塊硬件，而不是大多數儀器都有。理想的SI系統中，每個(gè)硬件元件不應該用專(zhuān)用固件，這使得每個(gè)硬件元件容易與相同功能的其他元件互換和更新。在SI大部分中，軟件是儀器。主機/中央處理器的激勵和測量軟件使SI結構具有簡(jiǎn)單性和靈活性，這使SI基系統具有現場(chǎng)反應力。由ATS激勵和測量軟件產(chǎn)生的SI硬件所具有的獨立性和非耦合性對于A(yíng)TS開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)能大大地減輕負擔而且使用戶(hù)軟件密集的ATS系統不必尊從商業(yè)PC處理器速度/性能增益曲線(xiàn)。
關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題
根據以上討論，可見(jiàn)合成儀器的前途一定是光明的和有希望的。然而，如同任何新的創(chuàng )新那樣，用戶(hù)必須了解存在的問(wèn)題。下面給出有關(guān)激勵和測量方面的關(guān)鍵問(wèn)題和考慮。
測量問(wèn)題
對于SI測量通路或測量硬件模擬器（MHE）必須仔細設計信號調理單元，以使被測的模擬信號電平適合測量通路所采用的功能單元（下變頻器和ADC）的動(dòng)態(tài)范圍。信號調理單元也必須與測量鏈路中的其他功能單元匹配。測量通路的關(guān)鍵單元是下變頻器和ADC。
下變頻器技術(shù)
從測量觀(guān)點(diǎn)看，下變頻器也許是測量信號通路中最關(guān)鍵的單元。下變頻器（借助于濾波和混頻）必須能精確地產(chǎn)生重要的基帶信號。
* 為了實(shí)現此目的，必須精確地測定和設計下變頻器單元。
* 用戶(hù)UUT RF/微波測量要求和關(guān)鍵性能指標如下：
* RF/微波輸入信號的頻率范圍；
* RF/微波輸入信號動(dòng)態(tài)范圍；最小/最大電平范圍；
* 信號瞬時(shí)輸入帶寬；
* 輸入濾波要求（前置選擇）；
* 本振（LO）/混頻器輸入的頻率范圍；
* 本振調諧速度（必須與UUT測試時(shí)間要求一致）；
* IF帶寬靈活性：必須與所用數字轉換器技術(shù)一致；
* IF輸出電平/動(dòng)態(tài)范圍：必須與所用數字轉換器技術(shù)一致；
* 噪聲底值：平均顯示噪聲；
* 信號隔離（dB）LO到RF；LO至IF；RF到IF。
特別是下變頻器IF帶寬指標非常重要。在一些實(shí)例中，（如捕獲復雜的調制格式），需要寬IF帶寬來(lái)獲得基帶信號中的信息內容。此處折衷考慮是A/D轉換器處理重要信號所需要的時(shí)間。在其他應用中（如AM或FM調制），重要信號的頻率范圍是比較窄的，因此，用較窄的IF帶寬。
在很多ATS應用中，必須用多個(gè)下變來(lái)滿(mǎn)足處理寬范圍頻譜應用的要求。RF/微波領(lǐng)域中，過(guò)去的經(jīng)驗和實(shí)踐告訴我們沒(méi)有一個(gè)標準下變頻器。一個(gè)型號不能適合所有的應用。
所有下變頻器基本上與目標系統/應用中的其他功能單元結合在一起，而且與這些單元協(xié)調一致補充和工作?；诖嗽?，應用靈活性是關(guān)鍵特征。
在開(kāi)放結構環(huán)境中，當供應商不能提供所有所需的技術(shù)時(shí)，“靈活性周數變得最重要。例如，下變頻器基準設計的每個(gè)結合都需要基本特性的一些變化使系統性能最佳?！比缟纤?，這包括IF頻率和/或帶寬、增益、輸出功率和視頻輸出。
為專(zhuān)門(mén)應用配置下變頻器，往往需要對供應商提供的電路單元混頻和匹配來(lái)滿(mǎn)足專(zhuān)門(mén)應用。另外，需要用多下變頻器技術(shù)來(lái)滿(mǎn)足全球ATS支持項目的廣泛要求。這些技術(shù)包括：
* 區塊下變頻：頻率轉換從一個(gè)頻帶到另一個(gè)頻帶。
* 可調諧下變頻：利用具有低到1~3Hz頻率分辨率的寬帶本振。
* 諧波混頻：用固定本振如可調YIG濾波器來(lái)濾除來(lái)自RF的不希望的諧波。
* 取樣：在儀器中，（如示波器和微波傳輸分析儀）所采用的諧波下變頻的一種特殊形式。
一種可能和有希望的方案是用各種技術(shù)的組合和上面所說(shuō)的電路單元，為專(zhuān)門(mén)的用戶(hù)提供小的有限下變頻器家族（或“個(gè)性模件”）；這些模件應適合專(zhuān)門(mén)系統的專(zhuān)門(mén)信號測量或用戶(hù)專(zhuān)門(mén)技術(shù)需要的要求。圖5描述采用可調下變頻和YIG濾波技術(shù)組合，實(shí)現專(zhuān)門(mén)應用SI RF/MW“前端”性能的實(shí)例。
A/D和A/D技術(shù)
下變頻器之后，信號測量通路中的A/D工作范圍往往是合成儀器性能的限制因數。A/D的關(guān)鍵性能是“轉換率”（與系統的肯態(tài)帶寬有關(guān)）和“轉換位數”（與SFdR有關(guān)）。分辨寬變化強度信號的能力和不同電平噪聲的呈現，主要由儀器的動(dòng)態(tài)范圍決定。ADC動(dòng)態(tài)范圍是最大的均方根信號電平間（被取樣信號和A/D的Rms量化噪聲電平）的比值。
SDR或SI的SFdR是很多變量的函數，主要由A/D電路的分辨率限制。SFdR無(wú)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)范圍是Rms信號幅度與峰值寄生頻譜分量的Rms值之比。
A/D電路中SFdR理論限制是每位大約6dB，可用下式表示：
SFdR（dB）=6.02