為頻率捷變應用選擇信號發(fā)生器

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

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

　　因此，設計人員通常會購買兩臺或更多的信號發(fā)生器來完成該種應用的某一個任務，這就增加了相當可觀的花費。合成儀器信號發(fā)生器——包括一個任意波形發(fā)生器（AWG）和一個矢量上變頻器——的出現(xiàn)使得減少所需儀器的個數(shù)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(jié)合在一起以實現(xiàn)儀器配置的靈活性，如圖1所示，從而和傳統(tǒng)儀器相匹敵。

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

圖1 合成儀器架構(gòu)將軟硬件間按功能進行劃分以提高靈活性

　　選擇儀器的構(gòu)架

　　在某個信號發(fā)生器中，硬件模塊可能包括一個矢量上變頻器和一個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AWG中。

　　采用SI信號發(fā)生器的好處是為設計師提供了依據(jù)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便宜的AWG和RF上變頻器。又如，當某個公司開發(fā)需要高帶寬或工作頻率高的新產(chǎn)品時，工程師可以僅升級此前選好的AWG或上變頻器。

　　傳統(tǒng)的信號發(fā)生器有給定的調(diào)諧、或頻率開關，以及在從某個頻率調(diào)諧到下個給定了頻率和振幅穩(wěn)定性的頻率的速率。目前，最普遍的傳統(tǒng)信號發(fā)生器基于YIG調(diào)諧振蕩器，它是開關速率受限制的源頭。

　　這種信號發(fā)生器的主要優(yōu)點是其內(nèi)部能生成復雜的調(diào)制的基帶，得益于其可選的內(nèi)置I/Q調(diào)制和靈活的AWG。盡管這類儀器的開關速率逐年上升，最新的產(chǎn)品的開關速率可以滿足商用無線產(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。

　　這種技術可使開關速率小于1μs——這么快的速率足以滿足如Link 16高級戰(zhàn)術雷達等許多雷達應用的需求，但是，這種設計并沒有Link 16和其他現(xiàn)代的頻率捷變數(shù)字通信應用所需的靈活調(diào)制類型。如何解決這個看似矛盾的問題呢？采用一個超寬帶寬的AWG配合帶有超寬帶調(diào)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始采用了，一直是測試最新的調(diào)制格式的唯一方法。

　　這種方法使用一臺實際的無線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）測試無線電的性能，假定這個無線電的性能是“完美”的。這個“金子般的”完美的無線電此后就被用來測量其他可比的無線電。這種測試方法有很多優(yōu)點，包括低成本和正確的調(diào)制數(shù)據(jù)和格式。

　　然而，黃金樣品往往不能像NIST（國家標準及技術學會）可追蹤測試設備一樣穩(wěn)定，所以就會出現(xiàn)一些問題。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)品而使有問題的那些通過測試。

　　折中方案的實例

　　Link 16是一個很好的例子，它同時挑戰(zhàn)了開關速率和當今復雜調(diào)制方案所需的靈活性。一些讀者可能對這種軍用系統(tǒng)不熟悉，其實它的無線電廣播技術也可在商用系統(tǒng)中見到。

　　Link 16是一個對等的軍用戰(zhàn)術無線電網(wǎng)絡，以其頻率靈敏性來避免干擾，和流行的藍牙網(wǎng)絡的操作方式很相似。亞微秒開關速率和數(shù)據(jù)編碼所需的最小頻移鍵控（MSK）調(diào)制使生成的Link 16波形具有挑戰(zhàn)性。

　　目前，現(xiàn)有的信號發(fā)生器都還不能同時提供高開關速率和高靈活性，這就需要客戶采用定制的信號發(fā)生器或采用“黃金樣品”法來測試Link 16無線電。然而，這些方式要么成本很高，要么沒有足夠的支持，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線電的3倍。由于“黃金樣品”法采用實際的無線電，它的TAR值僅稍稍優(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(diào)諧以接收下一個數(shù)據(jù)信息。這個附加的需求促使無線電廠商采用“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)生器的做法無法實現(xiàn)。

　　SI信號發(fā)生器能夠解決這個復雜的問題，如圖2所示。其中AWG提供了能夠?qū)⑷我庹{(diào)制格式和相關數(shù)據(jù)存入內(nèi)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(diào)至20GHz

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

　　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編程，這些將被以正確的順序進行排序。這與快速調(diào)諧無線電的效果一樣。矢量上變頻器必須達到所需的整個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(shù)字口令來告知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(tǒng)的信號發(fā)生器成本低。不過，隨著高性能DAC的價格不斷降低，SI信號發(fā)生器的應用將越來越普遍。