合成儀器技術(shù)

合成儀器（SI）利用部件開(kāi)放結(jié)構(gòu)環(huán)境中所用的核心硬件和軟件構(gòu)建單元組合，合成傳統(tǒng)儀器中的激勵(lì)和/或測(cè)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(xiàng)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(xiàn)的主要是集中在RF/微波應(yīng)用中的低頻模擬、數(shù)字和基帶中。
現(xiàn)代合成儀器發(fā)現(xiàn)它們的根是在過(guò)去10年通信革命和呈現(xiàn)出的軟件無(wú)線電（SDR）要領(lǐng)中。根據(jù)SDR的定義，SDR是由DSP、發(fā)送器、接收器把數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)變?yōu)闊o(wú)線通信用的調(diào)制無(wú)線電波和把調(diào)制無(wú)線電波變換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。DSP提供無(wú)線電功能，它是通過(guò)軟件元件，用專門算法產(chǎn)生或處理SDR發(fā)送和接收用數(shù)字表示的信號(hào)。SDR能為迅速地實(shí)現(xiàn)所出現(xiàn)的通信協(xié)議/調(diào)制方法、功能和用戶需求的設(shè)計(jì)模件性和編程靈活性。
SI是基于如下概念基礎(chǔ)上的，即用“芯核”SI硬件和軟件元件實(shí)現(xiàn)大多數(shù)的激勵(lì)和測(cè)量功能。芯核元件包括上變頻 器和下變戰(zhàn)友器、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（DAC）、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）及DSP硬件的軟件。根據(jù)用戶測(cè)試要求的包裝，用商業(yè)流行（COTS）硬件（如電源、安裝和負(fù)載）可補(bǔ)充這些元件。
基于SI的測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試測(cè)量能力，框圖（見(jiàn)圖2）看起來(lái)類似于SDR。接收或RF到數(shù)字電路的鏈路/通路由信號(hào)調(diào)理下變頻器和械/數(shù)轉(zhuǎn)換電路組成。信號(hào)調(diào)理電路控制自動(dòng)增益控制。AGC處理控制測(cè)量信號(hào)通路中的放大器和衰減器來(lái)調(diào)節(jié)模擬信號(hào)電平到其后處理單元的動(dòng)態(tài)范圍。
在測(cè)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(biāo)基帶信號(hào)，此信號(hào)被調(diào)制在微波載波信號(hào)。若下變頻器的變換喪失，則就不能精確地測(cè)定、設(shè)計(jì)和控制IF濾波和相關(guān)相位特性，不能適當(dāng)?shù)赜葾/D轉(zhuǎn)換器數(shù)字化和分析IF信號(hào)，而且DSP軟件將給出錯(cuò)誤的結(jié)果。接收或測(cè)量處理通路中的A/D轉(zhuǎn)換器是連續(xù)模擬和分運(yùn)數(shù)字域之間的接口。ADC的工作范圍往往是所執(zhí)行測(cè)量性能的限制因素。在激勵(lì)或上變頻器通路，上變頻信號(hào)的精確度依賴度依賴于所用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(fù)興開(kāi)始，測(cè)試測(cè)量業(yè)經(jīng)受巨大變化。在過(guò)去60年內(nèi)研制出針對(duì)商業(yè)和軍事市場(chǎng)測(cè)試測(cè)量信號(hào)的各種各樣的儀器。傳統(tǒng)儀器（如數(shù)字多用表、電子數(shù)字器、示波器、功率器、函數(shù)發(fā)生器和網(wǎng)絡(luò)分析儀）以其本身特點(diǎn)出現(xiàn)在市場(chǎng)上。每種儀器都用專門和/或稍微不同的激勵(lì)/測(cè)量電路和技術(shù)設(shè)計(jì)。這種傳統(tǒng)的方法主要依賴于由專門硬件實(shí)現(xiàn)的儀器激勵(lì)/或測(cè)量能力。
除了這些儀器前端的通用性外，很難看到激勵(lì)/測(cè)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(shè)計(jì)的目標(biāo)嵌入式控制器）。嵌入式軟件的頂層是應(yīng)用軟件，其大多數(shù)的部分功能如同圖像用戶接口（GUI）和/或已定標(biāo)/換算/轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的顯示。
基于SI的ATS（自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)）變成完全顛倒的傳統(tǒng)模型（見(jiàn)圖3）。合成硬件結(jié)構(gòu)由最低開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)硬件（信號(hào)調(diào)理、上變頻器、下變頻器、DAC、ADC）組件，標(biāo)準(zhǔn)硬件與不受限制的DSP軟件結(jié)合工作。這種硬件減少、使系統(tǒng)定標(biāo)的要求和成本最小，系統(tǒng)定標(biāo)容易受SI激勵(lì)和測(cè)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(bào)廢和更新問(wèn)題只限少數(shù)模塊硬件，而不是大多數(shù)儀器都有。理想的SI系統(tǒng)中，每個(gè)硬件元件不應(yīng)該用專用固件，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(jī)/中央處理器的激勵(lì)和測(cè)量軟件使SI結(jié)構(gòu)具有簡(jiǎn)單性和靈活性，這使SI基系統(tǒng)具有現(xiàn)場(chǎng)反應(yīng)力。由ATS激勵(lì)和測(cè)量軟件產(chǎn)生的SI硬件所具有的獨(dú)立性和非耦合性對(duì)于ATS開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)能大大地減輕負(fù)擔(dān)而且使用戶軟件密集的ATS系統(tǒng)不必尊從商業(yè)PC處理器速度/性能增益曲線。
關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題
根據(jù)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，用戶必須了解存在的問(wèn)題。下面給出有關(guān)激勵(lì)和測(cè)量方面的關(guān)鍵問(wèn)題和考慮。
測(cè)量問(wèn)題
對(duì)于SI測(cè)量通路或測(cè)量硬件模擬器（MHE）必須仔細(xì)設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理單元，以使被測(cè)的模擬信號(hào)電平適合測(cè)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(hào)調(diào)理單元也必須與測(cè)量鏈路中的其他功能單元匹配。測(cè)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(cè)量觀點(diǎn)看，下變頻器也許是測(cè)量信號(hào)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(hào)。
* 為了實(shí)現(xiàn)此目的，必須精確地測(cè)定和設(shè)計(jì)下變頻器單元。
* 用戶UUT RF/微波測(cè)量要求和關(guān)鍵性能指標(biāo)如下：
* RF/微波輸入信號(hào)的頻率范圍；
* RF/微波輸入信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍；最小/最大電平范圍；
* 信號(hào)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(diào)諧速度（必須與UUT測(cè)試時(shí)間要求一致）；
* IF帶寬靈活性：必須與所用數(shù)字轉(zhuǎn)換器技術(shù)一致；
* IF輸出電平/動(dòng)態(tài)范圍：必須與所用數(shù)字轉(zhuǎn)換器技術(shù)一致；
* 噪聲底值：平均顯示噪聲；
* 信號(hào)隔離（dB）LO到RF；LO至IF；RF到IF。
特別是下變頻器IF帶寬指標(biāo)非常重要。在一些實(shí)例中，（如捕獲復(fù)雜的調(diào)制格式），需要寬IF帶寬來(lái)獲得基帶信號(hào)中的信息內(nèi)容。此處折衷考慮是A/D轉(zhuǎn)換器處理重要信號(hào)所需要的時(shí)間。在其他應(yīng)用中（如AM或FM調(diào)制），重要信號(hào)的頻率范圍是比較窄的，因此，用較窄的IF帶寬。
在很多ATS應(yīng)用中，必須用多個(gè)下變來(lái)滿足處理寬范圍頻譜應(yīng)用的要求。RF/微波領(lǐng)域中，過(guò)去的經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐告訴我們沒(méi)有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)下變頻器。一個(gè)型號(hào)不能適合所有的應(yīng)用。
所有下變頻器基本上與目標(biāo)系統(tǒng)/應(yīng)用中的其他功能單元結(jié)合在一起，而且與這些單元協(xié)調(diào)一致補(bǔ)充和工作?；诖嗽?，應(yīng)用靈活性是關(guān)鍵特征。
在開(kāi)放結(jié)構(gòu)環(huán)境中，當(dāng)供應(yīng)商不能提供所有所需的技術(shù)時(shí)，“靈活性周數(shù)變得最重要。例如，下變頻器基準(zhǔn)設(shè)計(jì)的每個(gè)結(jié)合都需要基本特性的一些變化使系統(tǒng)性能最佳。”如上所述，這包括IF頻率和/或帶寬、增益、輸出功率和視頻輸出。
為專門應(yīng)用配置下變頻器，往往需要對(duì)供應(yīng)商提供的電路單元混頻和匹配來(lái)滿足專門應(yīng)用。另外，需要用多下變頻器技術(shù)來(lái)滿足全球ATS支持項(xiàng)目的廣泛要求。這些技術(shù)包括：
* 區(qū)塊下變頻：頻率轉(zhuǎn)換從一個(gè)頻帶到另一個(gè)頻帶。
* 可調(diào)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(diào)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，為專門的用戶提供小的有限下變頻器家族（或“個(gè)性模件”）；這些模件應(yīng)適合專門系統(tǒng)的專門信號(hào)測(cè)量或用戶專門技術(shù)需要的要求。圖5描述采用可調(diào)下變頻和YIG濾波技術(shù)組合，實(shí)現(xiàn)專門應(yīng)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(hào)測(cè)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(shù)。A/D的關(guān)鍵性能是“轉(zhuǎn)換率”（與系統(tǒng)的肯態(tài)帶寬有關(guān)）和“轉(zhuǎn)換位數(shù)”（與SFdR有關(guān)）。分辨寬變化強(qiáng)度信號(hào)的能力和不同電平噪聲的呈現(xiàn)，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(hào)電平間（被取樣信號(hào)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(shù)，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(hào)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