信号发生器的发展、分类及关键技术

01回顾历史

信号发生器的发展

信号发生器是一种常用的信号源，广泛应用于电子电路、自动控制和科学试验等领域。它是一种为电子测量和计量工作提供符合严格技术要求的电信号设备。因此，信号发生器和示波器、电压表、频率计等仪器一样是最普通、最基本的，也是应用最广泛的电子仪器之一，几乎所有的电参量的测量都需要用到信号发生器。

自六十年代以来，信号发生器有了迅速的发展，出现了函数发生器、扫频信号发生器、合成信号发生器、程控信号发生器等新种类。各类信号发生器的主要性能指标也都有了大幅度的提高，同时在简化机械结构、小型化、多功能等各方面也有了显著的进展。

❶ 这是1930年由马可尼仪器公司发明的电子管信号源，满满的复古感。

❷ 1935年的信号源产品比1930年的显得小巧精致一些。

❸ 1947年的信号源控制键多了许多，对于仪表的操作更加灵活。

❹ 1950年信号源的产品质量得到了明显提升。

❺ 1970年的信号源已经可以产生AM/FM信号。

❻ 1972年的信号源在频率稳定度和精度方面得到了很大提升。

❼ 1976年的信号源内部已经采用了频率综合器技术，该技术现在还在使用中。

❽ 1981年的信号源已经支持GPIB可编程了，仪表操作自动化程控得以实现。

❾ 1990年LCD显示屏幕的信号源诞生。

➓ 1992年的信号源已经和现在信号源非常接近了。

02信号发生器的分类

现在市场上充斥着很多种信号源，它的分类经常让人摸不着头脑，如图11所示，对常用信号源的分类。

图11

总的来说信号源分为复合信号发生器和逻辑信号发生器两种，其中复合信号发生器包括射频信号发生器、函数发生器以及任意波形发生器三种，而逻辑信号发生器又包括了脉冲信号发生器和码型信号发生器两种。其中被使用最广泛的就是函数发生器和任意波形发生器。

03信号发生器的关键技术

频率合成技术

频率合成技术起源于二十世纪30年代，至今己有六十多年的历史。所谓频率合成就是将具有低相位噪声、高精度和高稳定度等综合指标的参考频率源经过电路上的混频、倍频或分频等信号处理以便对其进行数学意义上的加、减、乘、除等四则运算，从而产生大量具有同样精确度的频率源。实现频率合成的电路叫频率合成器，频率合成器是现代电子系统的重要组成部分。在通信、雷达和导航等设备中，频率合成器既是发射机的激励信号源，又是接收机的本地振器;在电子对抗设备中，它可以作为干扰信号发生器;在测试设备中，可作为标准信号源，因此频率合成器被人们称为许多电子系统的“心脏”。

对信号频率进行合成的方式主要有三种：

1.直接频率合成

利用振荡器直接输出要求的频率信号，晶体振荡器因其Q值高而得到广泛应用，采用恒温晶振和稳补晶振可进一步提高其频率稳定度。主要应用于单点频率信号合成。

图12 直接频率合成原理框图

2. 间接频率合成

利用PLL锁相环进行频率合成，其特点是可输出宽频率范围信号，频率变化步进较小，频率跳变速度较快。但存在频率变化步进和相噪指标相矛盾的缺点。PLL间接频率合成是频率合成的主要方式。

图13 间接频率合成原理框图

3.直接数字合成（DDS）

JosephTierney等3人于1971年提了直接数字频率合成的思想，但由于受当时微电子技术和数字信号处理技术的限制，DDS技术没有受到足够重视，随着电子工程领域的实际需要以及数字集成电路和微电子技术的发展，DDS技术日益显露出它的优性，利用数字技术进行信号波形合成，其特点是输出频率步进指标很高，频率跳变速度很快，但输出频率范围较窄。

图14 DDS直接数字合成技术原理框图

图15 信号源频率合成技术及其优缺点

04典型射频微波源原理

模拟源和矢量源

图16 模拟射频微波源原理图

由上图，我们可以看到模拟微波源主要由参考时钟，频率综合器和输出单元构成，参考部分主要负责输出稳定的参考时钟信号，频率综合器通过PLL技术进行倍频，输出需要的频率范围，输出单元通过ALC负反馈技术负责调整输出期望电平。

图17 矢量射频微波源原理图

矢量信号源是在模拟源的基础上发展而来的，主要增加了基带发生器和I/Q调制器，任何一个复杂信号都可以拆分为I信号和Q信号，因此矢量源得到了广泛的应用，比如大家熟悉的LTE,5G NR,WIFI等等复杂信号都是可以由矢量信号源产生。

05射频微波源的典型应用

高质量信号测试（例如本地振荡器替代）如图18，R&S SMA100B业界SSB性能最优的测试方案。

增益、线性度的测量，如图19，这是射频微波领域典型的元器件测试方案。

组件开发/测试（例如 ADC），如图20，该方案在ADC芯片测试开发中，可以精准高效地帮客户完成测试。

接收机测试（双音测试，产生干扰或阻塞信号），如图21，在终端客户测试中，接收双音和阻塞测试是终端必测项目，R&S的产品提供了完整方案。

EMC测试，如图22，众所周知，EMC测试在电子领域的重要性，R&S在该领域深耕多年，得到了业界普遍认可，我们的模拟源在EMS测试中扮演了重要角色。

航空电子应用（例如 VOR、ILS），如图23，对于VOR/ILS测试，R&S的射频微波源都有很好的解决方案。

     

军事/雷达应用，如图24，微波脉冲信号产生器在军工，民航等广泛领域得到了普遍应用。

无线通信，如图25，我们的矢量信号源SMW200A是基站厂商必选的矢量源，主要是最大2G调制带宽，带内平坦度小于0.4db，Fading和MIMO等关键指标优秀，得到了业界普遍认可。

数字广播，如图26，我们的SMCV100B信号源可为客户提供：audio AM/FM，DAB/DAB+，ISDBT，DRM，CDR等多种数字广播标准，与众多车企都有广泛合作。

GNSS导航，如图27，高性价比SMBV100B卫星模拟器支持GPS, BeiDou，Glonass，Galileo四大导航系统和QZSS，IRNSS两个区域定位系统，为广大的导航客户提供了完备的解决方案。

矢量信号源产生自定义数字了调制信号，如图28，该方案为客户自定义调制方式提供了很好的方案，客户基于我们的工具Vam，可以完全定义数字信号组和与之对应的模拟IQ值，星座图对应产生，该方案在客户自定义调制方案中应用广泛。

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