基于創(chuàng)新的合成器實(shí)現(xiàn)艾法斯SGA射頻信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)及應(yīng)用

本白皮書(shū)概括介紹了艾法斯SGA模擬信號(hào)發(fā)生器的功能和性能，重點(diǎn)介紹其領(lǐng)先的超低相位噪聲和切換速度指標(biāo)所依賴的技術(shù)，以及關(guān)于最新增加的航空電子測(cè)試測(cè)量選項(xiàng)的信息。

作為一種緊湊型便攜式通用模擬信號(hào)發(fā)生器，SGA模擬信號(hào)發(fā)生器僅為半機(jī)架寬度，4U機(jī)架單元高，該系列提供SGA-3和SGA-6兩個(gè)型號(hào)，頻率范圍分別為100kHz～3GHz和100kHz～6GHz。其硬件指標(biāo)的高性能直接瞄準(zhǔn)研發(fā)實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用，頻率和電平切換速度則適用于制造業(yè)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)高速切換的要求，如RFIC等，且提供了更為經(jīng)濟(jì)的購(gòu)買(mǎi)價(jià)格。

該系列產(chǎn)品主要可選功能選項(xiàng)包括高RF功率輸出、模擬調(diào)制(AM/FM/PM)、脈沖調(diào)制和航空電子等。

相位噪聲和速度

SGA的優(yōu)異相位噪聲特征和低失真信號(hào)電平使其能夠應(yīng)對(duì)現(xiàn)代接收機(jī)和RF通信系統(tǒng)最為廣泛和最為嚴(yán)格的測(cè)量。在其SSB相位噪聲性能典型值達(dá)到-135 dBc/Hz(載波頻率為1 GHz，頻率偏移20 kHz)的情況下，依然可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量超過(guò)80dB動(dòng)態(tài)范圍的接收機(jī)選擇性。與該超低相位噪聲性能相結(jié)合并能同時(shí)實(shí)現(xiàn)的是一個(gè)超快速的頻率合成器和同樣快速的RF電平控制回路，可使載波頻率或RF電平在100 μs(列表模式)或5 ms(傳統(tǒng)模式)內(nèi)建立并實(shí)現(xiàn)任意切換。這些參數(shù)可確保在半導(dǎo)體生產(chǎn)試驗(yàn)如RFIC及跳頻應(yīng)用(如調(diào)頻電臺(tái))中的最大吞吐量。

低相位噪聲性能是使用圖2 所示的多回路合成器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。一個(gè)低噪聲“參考”相位鎖定回路(PLL)使用一個(gè)以最大輸出運(yùn)行的低噪聲晶體振蕩器(為實(shí)現(xiàn)最佳信噪比)來(lái)使一個(gè)分?jǐn)?shù)乘法器產(chǎn)生一個(gè)頻率范圍為967-1350 MHz(22.5 MHz 階躍)的信號(hào)。為了在22.5 MHz 階躍之間進(jìn)行內(nèi)插，一個(gè)“內(nèi)插”PLL 提供一個(gè)調(diào)諧范圍為11.25 MHz(從22.5 MHz 至 33.75 MHz;如果要產(chǎn)生寬頻FM，則從33.75 MHz 至55 MHz，以提供額外的 ±10 MHz 擺動(dòng))的振蕩器。然后，一個(gè)“輸出”回路向參考和插值 PLL 添加或從其減去該頻率，從而使內(nèi)插振蕩器的調(diào)諧范圍保持為絕對(duì)最小值。

上述輸出回路由一個(gè)頻率加倍到1000-1333 MHz的VCO組成。混合該信號(hào)與低噪聲參考信號(hào)。對(duì)差頻與內(nèi)插信號(hào)進(jìn)行相位比較，在控制 VCO 來(lái)完成回路前對(duì)相位檢測(cè)器輸出進(jìn)行低通濾波。

實(shí)現(xiàn)如此快速的建立時(shí)間使用了低噪聲D-A轉(zhuǎn)換器來(lái)預(yù)控制VCO和經(jīng)過(guò)電壓調(diào)諧的變?nèi)荻O管帶通濾波器。分?jǐn)?shù)乘法器中的PLL和輸出回路使用具有低本底噪聲但捕獲范圍有限的基于混頻器的相位檢測(cè)器，所以預(yù)控制使VCO處于所要求的區(qū)域內(nèi)。精確調(diào)諧是使用數(shù)字鑒別器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。一個(gè)FPGA在相位檢測(cè)器位置比較兩個(gè)信號(hào)的頻率，并通過(guò)修改預(yù)控制電壓使VCO接近正確頻率。這會(huì)使VCO進(jìn)入PLL的捕獲范圍，其在該范圍內(nèi)鎖定和在100 μs 內(nèi)迅速建立到0.1 ppm 范圍內(nèi)。

RF 電平

標(biāo)準(zhǔn)配置最大值為+13 dBm的RF輸出可設(shè)置為0.01 dB的分辨率。可使用高功率選項(xiàng)將最大校準(zhǔn)后RF電平增加到+20dBm。RF電平控制方面還有許多內(nèi)容是產(chǎn)品資料中未介紹的，S-系列確保RF性能的質(zhì)量超出規(guī)范要求方面也給予了特別注意。主要特點(diǎn)有：

• 該系列在使用過(guò)程中任何頻率或電平變化均不會(huì)產(chǎn)生正RF電平瞬變，這一特點(diǎn)在測(cè)試功率放大器等射頻組件時(shí)尤其重要，因?yàn)槿魏芜^(guò)大的正電平跳變或突發(fā)可能會(huì)導(dǎo)致被測(cè)器件損壞或硬傷。

• 信號(hào)源輸出端口VSWR得到控制并進(jìn)一步降低不必要的反射信號(hào)，以幫助確保在負(fù)載匹配不理想時(shí)達(dá)到指定的RF電平精度，這種情況常見(jiàn)于自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)——其中的電纜和開(kāi)關(guān)位于信號(hào)發(fā)生器和DUT之間。

• RF輸出端口確保單調(diào)性(單一方向)。單調(diào)性是衡量RF電平以精細(xì)RF電平階躍步進(jìn)或步降而在目的方向的反方向上沒(méi)有RF輸出變化的能力的標(biāo)準(zhǔn)。這可以顯著減小接收器靈敏度測(cè)量的誤差容限，該特性使得SGA更適用于當(dāng)代大動(dòng)態(tài)范圍接收機(jī)的測(cè)試應(yīng)用。

• 非常理想的可重復(fù)性可確保每次都產(chǎn)生相同的RF電平。

通過(guò)使用一個(gè)能夠以0.25 dB 增量設(shè)置到最132 dB的輸出衰減器，還能在100 μs 內(nèi)快速建立穩(wěn)定的RF電平。這意味著只有在RF 電平調(diào)整增量超過(guò)0.25 dB 時(shí)才需要ALC。所檢測(cè)到的RF輸出的DC 電壓被饋入一個(gè)由FPGA讀取的ADC。在該FPGA內(nèi)，校準(zhǔn)數(shù)據(jù)被應(yīng)用，且來(lái)自該FPGA的一個(gè)數(shù)字輸出被饋入一個(gè)DAC，該DAC預(yù)控制ALC，使之幾乎精確達(dá)到所要求的電平，ALC很少需要再做什么。過(guò)程中使用了非?？焖俚乃p器開(kāi)關(guān)。

對(duì)于SGA-3，逆功率保護(hù)(RPP)選項(xiàng)為儀表的RF輸出提供額外保護(hù)，防止無(wú)意施加超額的RF或DC功率，以確保更長(zhǎng)的儀表使用壽命和低總擁有成本。

靈活的調(diào)制功能

通過(guò)四個(gè)內(nèi)部10 MHz 振蕩器和兩個(gè)外部調(diào)制輸出，SGA提供了廣泛的調(diào)制模式選擇。使用內(nèi)部和外部信號(hào)源的任何組合可實(shí)現(xiàn)單邊帶 AM、FM 或 PM(相位調(diào)制);雙邊帶 AM 和 FM(或 PM);以及雙邊帶外部 AM 和 FM(或 PM)調(diào)制模式。

寬 AM 和 FM 帶寬通過(guò)允許視頻信號(hào)以最小失真調(diào)制載波來(lái)支持廣播系統(tǒng)測(cè)試。寬頻FM 還支持使用頻移鍵控進(jìn)行針對(duì)高速數(shù)據(jù)傳輸和遙測(cè)的設(shè)備測(cè)試如FSK。

航空電子

繼艾法斯航空工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)2030系列航空電子信號(hào)發(fā)生器的之后，SGA推出了針對(duì)航空電子設(shè)備測(cè)試的最新航電選項(xiàng)。該選項(xiàng)為客戶提供了儀表著陸系統(tǒng)(ILS)、VHF全向無(wú)線電(VOR)、標(biāo)記信標(biāo)所需的內(nèi)部波形發(fā)生功能，并提供了用于機(jī)場(chǎng)識(shí)別的COM ID 摩爾斯電碼。航空電子參數(shù)的設(shè)置形式與國(guó)際民用航空組織(ICAO)標(biāo)準(zhǔn)中描述的形式完全一致。它是用于測(cè)試機(jī)載導(dǎo)航接收機(jī)和機(jī)場(chǎng)警報(bào)監(jiān)視器的單一儀表解決方案，是所有民用和軍用機(jī)場(chǎng)、機(jī)體及駕駛艙儀表制造商以及軍事分包商必需的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試設(shè)備。

航空電子測(cè)試激勵(lì)源選件采用了SGA信號(hào)發(fā)生器的四個(gè)內(nèi)部調(diào)制器生成。航空電子測(cè)試需要具有卓越調(diào)制完整性的信號(hào)發(fā)生器，更別說(shuō)這還是一個(gè)準(zhǔn)確性和可靠性都至關(guān)重要的安全關(guān)鍵型行業(yè)。

ILS

ILS 通過(guò)接收和處理高精確信號(hào)引導(dǎo)飛機(jī)降落到跑道。如果飛機(jī)過(guò)高或過(guò)低，或者向左或向右過(guò)遠(yuǎn)，ILS 會(huì)通知飛行員，確保飛機(jī)保持在航線上，以便安全著陸。航向信標(biāo)(LOC)提供側(cè)向?qū)Ш?，下滑臺(tái)(或下滑道)提供垂直導(dǎo)航。地面上的兩個(gè)發(fā)射機(jī)以108.10 MHz - 111.95 MHz 載波頻率范圍發(fā)射航向信標(biāo)信號(hào)，其中一個(gè)信號(hào)在90 Hz 下調(diào)制，一個(gè)在150 Hz 下調(diào)制。這些窄波束從兩個(gè)獨(dú)立但共位的天線發(fā)出，聚焦于跑道的每一側(cè)。飛機(jī)上的 ILS 航向信標(biāo)接收機(jī)分析兩個(gè)信號(hào)的調(diào)制深度，并通過(guò)它們之間的差來(lái)計(jì)算與跑道中線的偏離程度。當(dāng)飛機(jī)在航線上時(shí)，調(diào)制深度差(DDM)為零。DDM可以百分比(%)或調(diào)制指數(shù)的形式來(lái)表示。1%的DDM 等于 0.001 DDM。[!--empirenews.page--]

下滑臺(tái)(GS)系統(tǒng)的工作方式與此相似，不過(guò)使用的發(fā)射載波頻率范圍為329.15 - 335 MHz。系統(tǒng)會(huì)計(jì)算與理想下滑臺(tái)的偏差，下滑臺(tái)與水平面(即地平面)的夾角約為 3°。

航向信標(biāo)還提供了一項(xiàng)識(shí)別功能：通過(guò)周期性地發(fā)射一個(gè)1，020摩爾斯電碼識(shí)別信號(hào)來(lái)提供一個(gè)針對(duì)機(jī)場(chǎng)的國(guó)際公認(rèn)符號(hào)，告訴飛行員設(shè)施工作正常并調(diào)諧到正確的 ILS。

測(cè)試 ILS 系統(tǒng)的信號(hào)發(fā)生器的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性很重要。每個(gè)音頻的大小都必須予以控制，以便保持每個(gè)音頻的算術(shù)調(diào)制深度和(SDM)的恒定。90 Hz 和150 Hz 音頻的絕對(duì) AM 深度精度是重要的，航線精確性以及由此而來(lái)的 DDM 精度也很重要，因?yàn)樗鼤?huì)將飛機(jī)在線航線上的信息通知飛行員。顯示了針對(duì) 0 DDM 的復(fù)合調(diào)制波形。在信號(hào)發(fā)生器中，這依賴于90 Hz - 150 Hz 的 AM 頻率響應(yīng)盡可能扁平，且各個(gè)調(diào)制信號(hào)源的幅度相等。

各個(gè)音頻的相對(duì)相位是由 ICAO 標(biāo)準(zhǔn)固定的，且各個(gè)音頻的頻率導(dǎo)致一個(gè)復(fù)合波形，其形狀以30 Hz 的頻率重復(fù)。

利用 ID 摩爾斯電碼和/或聲音音頻生成 ILS 信號(hào)需要SGA的全部四個(gè)調(diào)制振蕩器：針對(duì)90 Hz 和 150 Hz 音頻的振蕩器 1 和 2，針對(duì) ID 音頻的振蕩器 3， 以及針對(duì)聲音通道的振蕩器 4。幅度調(diào)制是使用 IQ 調(diào)制器的一部分產(chǎn)生的，其低失真和高度線性特征使之非常適用于產(chǎn)生精確和穩(wěn)定的調(diào)制信號(hào)。

VOR

VOR 用于飛機(jī)的飛行導(dǎo)航;它指示發(fā)送給或來(lái)自位于地面上的固定信標(biāo)(其發(fā)射一個(gè)VHF復(fù)合信號(hào))的方位。在相同載波頻率下，產(chǎn)生頻率為 9.96 kHz 的第二個(gè)AM音頻，在30 Hz 速度下進(jìn)行頻率調(diào)制，偏差為±480 Hz。對(duì)9.96 kHz 子載波上的30 Hz AM 音頻和30 Hz FM 音頻的相位進(jìn)行比較，得出來(lái)自信標(biāo)的飛機(jī)方位信息。圖 5 顯示了一個(gè)VOR 信號(hào)的調(diào)制頻譜。

通過(guò)使用一個(gè)以上VOR發(fā)射機(jī)可得出飛機(jī)的位置。該信號(hào)還包括基站的摩爾斯電碼標(biāo)識(shí)符，有時(shí)還包括一個(gè)聲音分量。

信號(hào)源的相對(duì)相位決定信號(hào)發(fā)生器的方位精度。這是 VOR 系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，調(diào)制振蕩器的數(shù)字發(fā)生和控制確?？蓪?shí)現(xiàn)好于0.05 度的方位精度。

使用 ID 摩爾斯電碼和/或聲音音頻來(lái)產(chǎn)生 VOR 信號(hào)需要SGA的全部四個(gè)調(diào)制振蕩器，外加一個(gè)額外的非標(biāo)配振蕩器。振蕩器 1 提供針對(duì)方位信號(hào)的30 Hz 音頻。振蕩器 2 提供9.96 KHz 子載波，這是由振蕩器 5 調(diào)制的頻率，用來(lái)以30 Hz 速度提供480 Hz 頻率偏差。振蕩器 3 和

4 提供 ID 和聲音音頻，像在 ILS 模式下一樣。圖 6 顯示了SGA上的VOR 應(yīng)用屏幕。

掃頻/列表模式

全面掃頻模式以離散階躍形式提供載波頻率和射頻電平的數(shù)字掃描。階躍的開(kāi)始、停止、階躍的數(shù)量(或步長(zhǎng))和階躍時(shí)間均可以設(shè)置，設(shè)置最多可達(dá)65536個(gè)階躍。掃頻可通過(guò)后面板 BNC 連接器以外部方式觸發(fā)針對(duì)開(kāi)始、開(kāi)始/停止和階躍的掃頻，同時(shí)最多可使用六個(gè)標(biāo)志符號(hào)來(lái)識(shí)別掃頻中的具體事件。列表模式提供最大頻率開(kāi)關(guān)速度，最短駐留時(shí)間為100μs?？蓜?chuàng)建一個(gè)包括最多5000個(gè)載波頻率和RF電平值的表格。開(kāi)始地址、停止地址和駐留時(shí)間可以進(jìn)行控制并可從一個(gè)后面板 BNC 連接器以外部方式觸發(fā)。

脈沖調(diào)制

帶有內(nèi)部脈沖發(fā)生器的一個(gè)可選脈沖調(diào)制器允許產(chǎn)生開(kāi)/關(guān)比率滿足關(guān)于雷達(dá) RF 和 IF 級(jí)以及 EMC/ECCM 測(cè)試應(yīng)用的最嚴(yán)格測(cè)試要求的快速上升時(shí)間 RF 信號(hào)。

模塊化儀表概念：“Aerolock” 互鎖機(jī)制

SGA旨在與另一個(gè)SGA和安裝在其下的一組S-系列模塊一起工作。“Aerolock” 是一種設(shè)計(jì)精巧、簡(jiǎn)單和強(qiáng)大的互鎖機(jī)制，允許SGA儀器和一個(gè)全機(jī)架寬度模塊，或者兩個(gè)半機(jī)架寬度模塊結(jié)合為一體，形成一個(gè)定制的測(cè)試解決方案。圖7 顯示了兩個(gè)互鎖的 T 形栓如何互換位置來(lái)提供鎖定機(jī)制。每個(gè)重量不足 17 磅的兩個(gè)SGA結(jié)合起來(lái)可在實(shí)驗(yàn)室、工廠或室外內(nèi)輕松攜帶而無(wú)需兩個(gè)人抬動(dòng)。

當(dāng)模塊通過(guò)USB即插即用接口連接到SGA后，SGA可自動(dòng)識(shí)別并運(yùn)行模塊的功能和應(yīng)用。這支持許多應(yīng)用，包括針對(duì)功率放大器、接收機(jī)靈敏度、互調(diào)制、相鄰?fù)ǖ拦β实臏y(cè)試及混頻器測(cè)試，未來(lái)還會(huì)有許許多多的其他應(yīng)用。另外也可將一個(gè)SGA與另一個(gè)SGA的設(shè)置結(jié)合起來(lái)，以允許對(duì)任何頻率或電平范圍的快速和簡(jiǎn)單控制，其中需要兩個(gè)具有規(guī)定關(guān)系的信號(hào)源。圖8 顯示了兩個(gè)SGA和一個(gè)SCO組合器模塊結(jié)合起來(lái)形成一個(gè)支持互調(diào)制失真、接收機(jī)靈敏度及選擇性測(cè)試等應(yīng)用的接收機(jī)測(cè)試系統(tǒng)。

常規(guī)特性

SGA采用了一塊達(dá)8.5英寸真彩LCD “觸控屏”用戶界面，全新設(shè)計(jì)的GUI圖形界面將所有相關(guān)設(shè)置信息顯示在一個(gè)屏幕上，從而避免了常規(guī)儀器需要從較低等級(jí)菜單結(jié)構(gòu)選擇配置的麻煩，所有按鍵均直觀的顯示在使用者面前。各觸摸鍵大到足以保證易用性，甚至在戴手套時(shí)也不礙事。同時(shí)還可以連接鼠標(biāo)和鍵盤(pán)進(jìn)行操作，以提高在使用 Windows™ 功能時(shí)的易用性。

SGA沒(méi)有傳統(tǒng)鍵盤(pán)和按鍵，用戶在觸碰一個(gè)特定參數(shù)后會(huì)出現(xiàn)一個(gè)大型的彈出式虛擬鍵盤(pán)。從彈出鍵盤(pán)可啟用一個(gè)靈敏度可調(diào)節(jié)的創(chuàng)新滑塊控件(位置緊靠顯示屏的右邊緣)，以允許用戶在不看儀表的情況下調(diào)節(jié)特定參數(shù)。同樣從彈出鍵盤(pán)還可啟用一個(gè)步升/步降控件，看起來(lái)有點(diǎn)像把尺，其中的步長(zhǎng)可以設(shè)置。

SGA提供了多達(dá)四個(gè)USB 2.0接口(兩個(gè)在前面板上，兩個(gè)在后面板上)，所以即使連接了鼠標(biāo)和鍵盤(pán)，仍然還有兩個(gè)USB端口可用于連接作為 S-系列測(cè)試系統(tǒng)概念一部分的其他S-系列儀表。USB接口的其他用途包括更新儀表的軟件或連接USB功率傳感器。SGA的模塊化結(jié)構(gòu)意味著可通過(guò)使用校準(zhǔn)后交換模塊進(jìn)行模塊替換在 30分鐘內(nèi)完成修理任務(wù)。使用USB功率傳感器的快速、“系統(tǒng)級(jí)”RF調(diào)整可恢復(fù)儀表的校準(zhǔn)完整性。

條件允許時(shí)可使用SCPI格式命令支持 USB、LAN 和GPIB 接口。另外還可支持遠(yuǎn)程桌面和VNC，允許異地遠(yuǎn)程控制，您甚至可以使用iphone或iPad進(jìn)行任意的遠(yuǎn)程控制。GSA包括2030系列的遠(yuǎn)程控制仿真功能，另外還將對(duì)此進(jìn)行擴(kuò)展，以包括其他艾法斯信號(hào)發(fā)生器和來(lái)自其他制造商的信號(hào)發(fā)生器。

結(jié)束語(yǔ)

艾法斯SGA射頻信號(hào)發(fā)生器通過(guò)使用基于創(chuàng)新的模擬和數(shù)字技術(shù)的合成器實(shí)現(xiàn)了一流領(lǐng)先性能。這為專用航空電子信號(hào)發(fā)生器提供了一個(gè)理想平臺(tái)來(lái)建立行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，代替在過(guò)去二十年里占據(jù)該位置的艾法斯2030系列。該系列還將陸續(xù)推出一系列創(chuàng)新應(yīng)用以不斷擴(kuò)展該產(chǎn)品的應(yīng)用空間。[!--empirenews.page--]