為頻率捷變應用選擇信號發生器

　　根據信號發生器的主要用途或公司的預算，設計師通常會采用傳統的信號發生器設計，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。如果測試系統只要求產生簡單的頻率調制，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生器就行了。不過，這種信號發生器是無法產生最近商用無線或軍用通信標準所需的復雜的調制信號。

　　因此，設計人員通常會購買兩臺或更多的信號發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。合成儀器信號發生器——包括一個任意波形發生器（AWG）和一個矢量上變頻器——的出現使得減少所需儀器的個數成為可能，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被授權開發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。互換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行劃分以提高靈活性

　　選擇儀器的構架

　　在某個信號發生器中，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便宜的AWG和RF上變頻器。又如，當某個公司開發需要高帶寬或工作頻率高的新產品時，工程師可以僅升級此前選好的AWG或上變頻器。

　　傳統的信號發生器有給定的調諧、或頻率開關，以及在從某個頻率調諧到下個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生器基于YIG調諧振蕩器，它是開關速率受限制的源頭。

　　這種信號發生器的主要優點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。盡管這類儀器的開關速率逐年上升，最新的產品的開關速率可以滿足商用無線產品的需求，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和其他現代的頻率捷變數字通信應用所需的靈活調制類型。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）”信號發生法。這種方法從很早就開始采用了，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點，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（國家標準及技術學會）可追蹤測試設備一樣穩定，所以就會出現一些問題。如果黃金樣品的性能發生了變化，就有可能留下好的產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，它同時挑戰了開關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，其實它的無線電廣播技術也可在商用系統中見到。

　　Link 16是一個對等的軍用戰術無線電網絡，以其頻率靈敏性來避免干擾，和流行的藍牙網絡的操作方式很相似。亞微秒開關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數據信息。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，采用定制的信號發生器的做法無法實現。

　　SI信號發生器能夠解決這個復雜的問題，如圖2所示。其中AWG提供了能夠將任意調制格式和相關數據存入內存的靈活性。

圖2 N8241A任意波形發生器工作在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方案可能要比傳統的信號發生器成本低。不過，隨著高性能DAC的價格不斷降低，SI信號發生器的應用將越來越普遍。