微波信号发生器的使用与介绍.

第一章 引言
频率参考 Fr 鉴频／鉴相器
Fv
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环路滤波器 反馈网络(Ｔ)
调谐振荡器 Fo
相噪
振荡器 自由噪声 锁相输出 实际噪声 低通滤波 增益带宽 频率参考 等效噪声
频偏
射频微波测量
第一章 引言
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射频微波测量
第一章 引言
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锁相频率合成技术最大的缺点是频率步进和跳频时间 相互制约。 为使PLL的转换时间比较快，由经验公式或者仿真容 易知道，这需要提高PLL的参考信号频率，但这样会 使频率步进太大，也就是频率分辨率降低。 整数分频频率合成器，跳频时间和频率分辨率是不可 调和的矛盾，所以整数锁相环往往难以满足实际需要； 如果减小步进而降低参考信号频率，又会增加频率转 换时间和相位噪声。 小数分频器在一定程度上缓和了这个矛盾，在较大的 鉴相频率下，小数分频频率合成器可以实现小数分频， 使得频率合成器的分辨率可以很小，而鉴相频率不变， 也就是说保持了较短的跳频时间。 小数分频器的杂散抑制比较差，目前主流芯片只能做 到-70dBc。
第一章 引言
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第一章 引言
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二、微波信号源的种类
• 信号源一般有以下三种： – 微波扫源 – 微波合成源 – 微波合成扫源
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三、微波扫源
输出信号的频率在一定范围内，按照一定规律重 复连续变化的信号源成为扫频信号源。 在某一时刻，扫源的输出波形为正弦波，因此， 微波扫源具有一般正弦信号源的特性。 扫源也可以设置成单一连续波频率的工作状态。
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间接式频率合成
间接式频率合成是第二代频率合成技术，以高 指标的晶体振荡器作为参考频率，利用锁相环 技术进行锁相并达到倍频的目的，产生所需要 的频点。 间接式频率合成又称锁相环频率合成技术。 合成器具有良好的窄带跟踪特性，可以很好的 选择所需要频率的信号，频率覆盖范围较大， 杂散抑制也很好，并且避免了使用大量的滤波 器，十分有利于集成化和小型化。
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为什么用dBm等对数方式表示信号的大小？ 功率的计算公式：P=U2/R
信号的大小通常是用电压来表示的； 在RF系统中，有确定的阻抗50Ω或75Ω，因 此可用功率来描述信号的大小。
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= 30dBm = 20dBm = 10dBm = 0dBm = -10dBm = -20dBm = -30dBm = -40dBm
米波
30MHz
300MHz
分米波 3GHz
厘米波
30GHz
毫米波
300GHz
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第一章 引言
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本章主要内容
• • • • • • 一、微波信号源的性能特性 二、微波信号源的种类 三、微波扫源 四、微波合成源 五、微波合成扫源 六、微波信号源新技术
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dBm, dBw, dBμv dBm: 10lg(P/1mw) dBw: 10lg(P) dBμv: 20lg(U/1μv) dBuV=90+dBm+10*log(R) dBuV = 107+dBm (50欧姆) dBuV = 108.75+dBm (75欧姆)
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四、微波合成源
微波扫源实现比较容易，频率准确度和稳定度 比较差，不能用于精密测量场合。 利用频率合成技术，使得频率准确度和稳定度 达到要求，称该源为微波合成源。
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微波合成源的原理框图
电 源 频 率 时 基 合 成 ＣＰＵ 器 微波主振 调制组件 输出组件 ＰＬＬ 主振驱动 调制驱动器 ＡＬＣ系统
光 信 号
明暗 颜色
电 信 号 场强 波形
信息
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信息
信息是人类对信号特征及其变化赋予或抽 象出 的特定含义；
可以从信号的存在特征中提取信息； 特征的测量） （信号
可以从信号特征的变化规律中提取信息； （网络测量） 可以利用对信号特征的控制和检测传递信息。 （通信）
0 0 0
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信号是可以以某种方式感知的客观现象
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信号
声 信 号 高低 强弱
信号可以按照其物理和数学特征分类 信号具备可以被感知和描述的特征
信号可以提供或探索信息
信号发生器是信号的产生装置
物 理 特 征 分 类
数 学 特 征 分 类 正 弦 信 号 振幅 频率 脉 冲 信 号 周期 脉宽 随 机 信 号 均值 方差
参考文献： Analog Devices, Fractional-N Frequency Synthesizer, ADF4154, Device Datasheet, 2004:6~7
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基 本 锁 相 环
环路滤波器 反馈网络(Ｔ)
调谐振荡器 Fo
• • • • • 函数信号发生器 模拟信号发生器 数字信号发生器 频率捷变信号发生器 微波信号发生器√
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定义：一般将输出频率范围在300MHz ～ 30GHz、 工作波长为1m～10mm的信号发生器称为微波信号发 生器。 输出频率范围在30GHz～ 300GHz、工作波长为 10mm～1mm的信号发生器称为毫米波信号发生器。
参考文献：Analog Devices, Inc., 2.7GHz DDS-Based AgiledRF Synthesizer AD9956, Device Datasheet, 2004:1~15
剩余调频：扫频信号发生器在无调制点频工作状态下，输 出信号频率的短期不稳定度或晃动。
扫频特性：频率连续变化特性；扫频速度、准确度
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微 波 信 号 特 征 参 数
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功率：向特定阻抗负载注入能量的能力；振幅 功率稳定度：功率随时间的起伏变化；长期，短期 功 率 特 性 功率准确度：实际功率与标称功率的差异；功率平坦度 功率分辨率：功率变化的最小间隔 源驻波：信号源吸收倒灌功率的能力
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微 波 信 号 特 征 参 数
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脉冲调制
调 制 特 性
幅度调制
频率调制 相位调制
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微 调幅 调频 调相 组合调制 I/Q调制 波 脉冲调制 一个微波振荡器，配以必 要的控制驱动电路，就构成了 信 模拟扫 调制 功率准确度 最基本的信号源。不同的应用， 号 步进扫 功率稳定度 对信号源的输出有不同的特性 源 列表扫 微波 稳幅 功率平坦度 扫描 振荡源 要求。信号源的设计，就是围 功 锁滚扫 功率分辨率 绕振荡器，施加不同的控制处 能 合成扫 信号源驻波 理电路，满足不同应用需求的 合成 与 功率扫 构 过程。 准确 稳定 捷变 高纯 高分辨率 成
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U (t ) [ A0 A(t )]cos[(0 (t ))t (0 (t ))]
调幅 调频 调相
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A（ω ） 理想信号 分谐波 实际信号 谱密度 寄生 谐波
ω
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微 波 信 号 特 征 参 数
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PD fREF
LPF ÷N fOUT=N×fREF
VCO
fOUT
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微 波 锁 相 环
环路滤波器 反馈网络(Ｔ)
调谐振荡器 Fo
fREF fI
PD
LPF
VCO
fOUT
fOUT=N×fLO+fREF
fLO
×N
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输 出 信 号 的 相 位 噪 声
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对数表示更直观
1W 100mW 10mW 1mW 0.1mW 0.01mW 0.001mW 0.0001mW
RF仪器中，功率常用线性和对数两种方式显示。 线性显示时，单位为V、mV、uV等；对数显示时， 单位为dBm、dBuV等。
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一、微波信号源的性能特性
微 理想的微波信号是CW信号 定常波（ Costant Wave)：正弦波的各个系数 波 都是常数 信 连续波（Continue Wave)：无始无终的正弦波 号 u（t）=A cos（ω t + ψ ）
数字合成DDS
☆相位累加器 ☆相位寄存器 ☆D/A ☆低通滤波
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请大家思考DS、PLL、DDS这3种频率 合成技术的原理和优缺点？ 熟悉这3种技术的优缺点对于指导我们的 设计有非常重要的作用，下面我们一起来 复习。
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直接式频率合成——DS
直接式频率合成使用的元件多，结构复杂，体积 大，造价高，杂波抑制太差，这是它的一个致命 缺点，足以抵消它的所有优点。 如何抑制杂波以及组合频率也是直接频率合成器 首要关注的问题。因此，几乎在所有的应用场合， 均被锁相技术的间接频率合成方法所代替。
傅立叶级数与傅立叶变换 u(t) <=> U(f)
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电信号
周期信号可以表示为一系列不同幅度、频率和初始相位的正弦信号的叠加 非周期信号可以表示为具有不同分布密度的正弦信号的叠加
u
t
f
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微 波 信 号
• 由于工程和技术的原因，微波信号往往是在 频域表达的； • 根据微波的正弦表达式，信号具有幅度频率 和相位特性； • 实际的微波信号其正弦表达式的每一个因子 都是时变的； • 根据信号特征的变化，微波信号可以调幅、 调频和调相； • 在线性系统中，调频和调相是可以互相转化 的表达形式； • 在非线性系统中，调幅和调频调相可以有条 件互相转化。
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直接数字频率合成——DDS
数字直接式频率合成是第三代频率合成技术。 它利用数字计算机和数模变换器来产生信号。 完成直接式频率合成的办法，或者是利用计算 机求解一个数字递推关系式，或者是查询表格 上所存储的正弦波值。 目前用得较多的是查表法。这种合成器体积小、 功耗低，并且可以几乎是实时的以连续相位转 换频率，给出非常高的频率分辨率。
频率单一 频谱纯净 稳定度好
频率微调 频谱纯净 稳定度较好
频率单一 频谱较净 稳定度较好
Baidu Nhomakorabea调谐范围较大 频谱一般 稳定度一般
调谐范围很宽 频谱一般 稳定度一般
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微波扫源的优缺点
• 优点 – 电路相对简单 – 成本相对较低 • 缺点 – 频率稳定度和准确度都很差 – 由于剩余调频很大，谈不上相位噪声
频率：信号特征每秒中重复次数；周期，波长，角频率 频率稳定度：频率随时间的起伏变化；长期，短期 频率准确度：实际频率与标称频率的差异；绝对，相对 频 率 特 性
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频率分辨率：最小频率变化间隔；绝对，相对
跳频速度：频率突变的过渡时间 谐波寄生：波形畸变造成的倍频伴随分量；分谐波
非谐波： 无规则寄生伴随频率分量 相位噪声：随机相位起伏造成的频谱展宽；
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第一章 引言
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信息
信息源 发出信号
信号特征 测量分析 被测 网络
获取信息
信号源 载波 信号 调制 信息 注入
激励信号
响应信号
信号特征比对 网络信息反求
发 调制信号 送
传输
接 收
调制信号
解调 信息 再生
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第一章 引言
对电磁场存在特征的物理表达和数学描述
电磁场某一特征的表征量对时间的变化关系 如电压、电流、场强、电势、磁通等等
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第一章 引言
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《射频微波测量技术》
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基带 信号
滤 波
发射本振
前置放大
功放
双工器
基带 信号
滤 波
接收本振
低噪声放大
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3
• 思考： – 语音信号如何传送到很远的地方？ – 收音机选台本质上是调节什么？
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第一章 引言
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常见的信号发生器名称
合成信号发生器原理框图
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第一章 引言
直接合成包括分频、倍频、混频、取样 数字直接合成 间接合成主要是指锁相环（PLL）频率合成
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频率 合成
频率合成是指利用物理方法实现频率的数学运算
频率合成
锁相合成
☆相位负反馈 ☆鉴频鉴相器 ☆环路滤波器 ☆VCO
直接合成
☆混频（加、减） ☆倍频（乘） ☆分频（除） ☆滤波
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扫描发生器
主振驱动
调制驱动器
ＡＬＣ系统
ＣＰＵ
电
源
微波主振
调制组件
输出组件
微波扫源基本构成框图
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振荡器模型
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主 振
OCXO 恒温晶振 VCXO 压控晶振
F
A 常用的振荡器
|AF|>1
AF=2n
DRO 介质振荡器
VTO（VCO） 压控振荡器
YTO YIG振荡器