生物电信号传导

生物电dds（dds信号源）

Dds信号源(生物电dds)

信号源是四大通用电子测量仪器之一，另外三个是:网络分析仪、频谱分析仪和示波器。本文介绍了信号源的基本知识。信号源最常见的功能是产生正弦波，所以本文从介绍正弦波的特性开始。

1.正弦波的信号特征

通过正弦波信号的表达式方程，可以反映出其信号中包含的参数是:信号幅度；频率；初始阶段。信号的频率和初始相位可以包含在信号的相位信息中。

对于一个理想的正弦波信号，其幅值、频率和初相位都应该是一定的参数，所以正弦波信号是一个比较简单的信号。要定义连续波信号，只需要振幅和频率。

图1正弦波信号特征

信号源产生的正弦波的典型幅度参数如下:

图2信号源输出正弦波的典型幅度参数

应考虑信号源的幅度精度，以提高重复性，减少测试的不确定性。

信号源的典型频率参数如下:

图3信号源输出正弦波的典型频率参数

信号源的频率精度与参考振荡器的老化率和校准后经过的时间有关。

实际正弦波的信号特征比理想信号复杂得多，应考虑相位噪声、寄生频率调制和杂散，如图4所示。噪声在频域表现为噪声边带，在时域表现为随机相位抖动，可以理解为随机噪声调制理想正弦信号的相位。

图4实际正弦波的信号特征

正弦波或连续波信号质量的评价主要在频域进行，频域的杂散包含连续和离散成分，它们都对应着时域的失真。连续噪声边带称为相位噪声，离散杂散根据其与基波的频率关系分为谐波和杂波。

相位噪声主要由振荡器的内部噪声引起，谐波杂波的形成与器件的非线性有关:

VO(t)= a1 VI(t)+a2 vi2(t)+a3 vi3(t)+5 ...

如果输入是理想正弦信号，则输出为:

vo(t) =a1 sin(重量)+ a2 sin2(重量)+ a3 sin3(重量)+1 ...

=a2/2 + a1 sin(重量)+ 3a3/4 sin(重量)+a2/2 sin(2wt)+a3/4 sin(3wt)+1 ...

图5正弦信号相位噪声的定义

噪声指标主要在频域描述，用某一频偏下单边带(SSB)噪声的功率谱密度与载波功率的比值来表示。工程上考察的频偏范围为10Hz ~ 1MHz，频偏的横坐标用对数表示。

二、点频信号源

一般来说，点频信号源由三部分组成:

1.参考源部分:决定整个信号源的频率稳定度；

2.频率合成部分:确定输出信号的频率参数；

3.输出功率控制部分:确定输出信号功率参数。

图6信号源组成框图

合成满足各种指标要求的信号的技术称为频率合成技术。合成信号频率有三种主要方式:

1.直接频率合成

利用振荡器直接输出所需的频率信号，晶体振荡器因其Q值高而被广泛使用。采用恒温晶振和稳定补偿晶振可以进一步提高其频率稳定性。主要用于单点频率信号合成。

2.间接频率合成

利用锁相环进行频率合成，其特点是可以输出频率范围宽、频率变化步长小、跳频速度快的信号。然而，存在频率变化步长与相位噪声指数相矛盾的缺点。锁相环间接频率合成是频率合成的主要方式。

3.直接数字合成(DDS)

用数字技术合成信号波形的特点是输出频率步进指数高，跳频速度快，但输出频率范围窄。

图7信号源频率合成技术及其优缺点

直接频率合成技术的原理框图如下图所示。使用温度补偿晶体振荡器和恒温晶体振荡器可以提高晶体振荡器的频率稳定性。

图8直接频率合成原理框图

间接频率合成技术的原理框图如下图所示。锁相环(PLL)；环路滤波器；压控振荡器(VCO)；等分频器。

从频率关系分析，锁相环相当于一个倍频器:锁相环输出信号的频率变化步进到其鉴相器的工作频率。

如果要求频率变化步长较小，则相位检测频率将相应较小，而为了保证输出频率值，N的值将相应较大。较小的鉴相频率会降低PLL的环路带宽，从而恶化PLL的动态性能(跳频速度)。

图10间接频率合成原理框图

分析了锁相环输出信号的相位噪声指标。

对于参考源，PLL是低通的，其带宽是环路带宽。PLL的输出相位噪声是参考信号的相位噪声通过N倍频的退化。n越大，PLL输出相位噪声指数越差。在环路带宽之外，PLL输出相位噪声由VCO决定。

图11 PLL输出的相位噪声指数

提高锁相环输出信号相位噪声指标的原理是降低分频比N，采用多锁相环和分数分频技术可以实现。

图12改善PLL输出信号相位噪声的方法

直接数字频率合成DDS是随着数字技术的发展而出现的新技术。原理框图如下图所示。通过DDS相位累加器；ROM表；DAC低通滤波器的组成。

图13 DDS直接数字合成技术原理框图

信号源ALC(自动电平控制)技术用于保证输出信号的幅度。大范围调节由衰减器完成。

图14信号源输出信号功率控制

点频信号源的应用:

1.系统本地振荡器:

–相位噪声

–频率精度

2.设备失真性能测试

–流浪

–三阶失真TOI

3.接收器测试:

–调制模式

–幅度精度

–杂散性能

一般点频信号源都有扫描功能，包括频率扫描功能和功率扫描功能。

扫描频率有两种方式:步进扫描和列表扫描。扫描频率需要注意:水平精度、平坦度、源匹配。

步进需要注意:精度，扫描点，切换时间。列表需要注意:准确度、切换时间、停留时间。

功率需要注意:功率扫描范围，功率斜率范围，源匹配。扫描电源由自动电平控制ALC、ALC探测器、ALC驱动器和ALC调制器完成。

3.模拟信号发生器是模拟调制信号源。

根据调制信号的不同，调制信号可以分为模拟调制和数字调制。

正弦波包含三个独立的参数，振幅、频率和相位。如果一个连续的正弦波未经调制，其包络幅度、振动频率和初始相位将始终是一个常数(不考虑噪声)，这样的正弦波信息量为零。我们传统的模拟调制是用调制信号改变载波的这三个参数，使载波携带调制信息，从一端传输到另一端。

为什么调制信号被调制到载波上？载波的作用是用更高的射频或中波频率作为载波，这样信息会传播得更远。比如距离越近越好。比如你用电话联系楼里其他同事，比你站在楼道里喊要方便省力得多。很多人想象数字调制是一种新技术，但实际上，所有的调制方式都可以归为AM、FM和PM。

图15调制信息的位置

调幅信号需要以下参数:

1.载波频率

2.调制信号频率

3.调制指数

图16调幅am

调频信号需要以下参数:

1.载波频率

2.调制信号频率

3.调制频率偏移

4.调制指数

图17调频FM

图18相位调制PM

图19脉冲调制

图20模拟调制信号源原理框图

3.矢量信号发生器是数字调制信号源。

图21各种调制模式的波形比较

用矢量来描述正弦波是非常方便的。在极坐标中，矢量表示正弦波的峰值电压幅度和相位变化之间的关系。360度的相位旋转代表一个完整的频率周期。注意，相反的符号提供了一种表示正弦波相位随时间变化的方便方法。图中的示波器显示了信号幅度随时间变化的过程。向量不能直接提供任何频率信息。事实上，我们测量的是矢量相对于载波信号的参考相位。这意味着只有当频率不同时，矢量才会旋转。

图22在极坐标中，正弦波由一个矢量描述。

下图显示了I/Q平面中各种调制信号的示例。理解了它们，你就理解了所有的I/Q调制原理。在任何I/Q图中，如果信号的幅度在径向发生变化，就意味着信号的相位在变化(而且只是相位在变化)。因此，在I/Q图中，AM调制只是矢量的径向变化。PM调制是矢量旋转。FM看起来像PM，因为偏离载波频率是单位时间内相位的变化。记住，幅度和相位变化都是相对于未调制载波而言的。矢量图是描述矢量信号轨迹的直观方式。

图23极坐标中的信号变化

很难直接测量矢量的相位。实际的接收机和测量系统使用I/Q解调。它将信号相位的控制问题转化为两个正交分量电压的控制问题。

首先因为简单，所以接口简单，电路简单，基带实现简单；其次，I/Q代表调制信号的正交变量。信号相对于载波有90度相移。如果只用I通道检测，因为COS (90) = 0，虽然有输入信号，但I通道的输出是0V，所以I通道没有输出信号。因此，通过分别测量信号的同相和正交分量，我们不必直接测量信号的相对相位。

I/Q解调器可以测量幅度和相位。频率参数呢？是频率和相位相对于时间的变化。实际上，I/Q解调器直接测量所有类型的调制，而不仅仅是AM、PM和FM调制信号。

图24 I-Q格式坐标

图25的时域和频域特性

图26 QPSK时域和星座映射

观察数字调制信号的一种方法是使用眼图。可以生成两种不同的眼图，一种是I通道数据，另一种是Q通道数据。

眼睛以无限的方式重复显示I和Q相对于时间的幅度。和I/q转换可以分开显示，在确定符号的瞬间形成一个“眼”。QPSK有四个不同的I/Q状态，每个都在一个象限中。I/Q各有两个级别，为每个I和Q形成一个眼。下图是16QAM的示例，4个级别包含3个眼。理解眼图的概念很重要。好的信号有“睁大”的眼睛，交点对应星座上的符号点。调制质量越高，交叉点越集中。

图27 I和q眼图

图28 QAM矢量图和星座图

图29矢量调制特性比较

图30矢量信号发生器原理框图

图31矢量信号生成器中的基带信号生成器

图32基带信号发生器中滤波器的功能

IQ调制器:I和Q信号由同一个本振信号合成，但本振有90度相移，I/Q通道互不干扰，最后得到一个和信号。

图33矢量信号发生器中的IQ调制器

矢量信号发生器的主要应用:

生成特定格式的矢量信号

接收灵敏度测量

接收器门控测量

设备失真测量

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