Квадратурный генератор: Генератор квадратурного сигнала | Техника и Программы

Генератор квадратурного сигнала | Техника и Программы

December 26, 2011 by admin Комментировать »

На рис. 12.5 приведена интересная схема генератора синусоидальных сигналов с малыми искажениями (<0,1 %), которая обеспечивает на выходе два одинаковых сигнала, сдвинутых по фазе на 90° один относительно другого. Он используется в биквадратном фильтре (аналоговом компьютере), изображенном на рис. 11.55, который имитирует резонансную систему. Основу схемы составляют два интегратора, соединенные обратной связью через инвертор с единичным усилением. При верхнем положении скользящего контакта потенциометров R_la и R_u колебания будут иметь место на частоте, при которой каждый интегратор имеет единичный коэффициент усиления, то есть на частоте, где 1/coRC = 1 (в этой схеме R₃ = R₅ = R и С = С = С). Потенциометры R_]a и R_n

объединены вместе и перекрывают диапазон частот, в пределах которого частота может меняться как 11:1. Идеальным здесь является сдвоенный потенциометр с линейным перемещением подвижного контакта (движковый потенциометр), поскольку согласование двух секций в нем намного более точно, чем в обычных сдвоен-

Рис. 12.5. Генератор синусоидальных сигналов с двумя квадратурными выходными сигналами одинаковой амплитуды.

ных потенциометрах с перемещением подвижного контакта по окружности путем вращения. Для изменения частоты на декаду можно переключать пары конденсаторов.

Чтобы обеспечить быстрый запуск генератора при включении схемы, применяется резистор Rj с сопротивлением 4,7 МОм, создающий небольшое «отрицательное демпфирование». Ограничение амплитуды обеспечивается стабилитронами Dj и D₂ и делителем R₈ — R_t), которые вносят положительное демпфирование, когда амплитуда выходного сигнала становится больше величины порядка 4 В. Оба выхода (1) и (2) дают очень устойчивый сигнал с удвоенной амплитудой 8 В. Из-за наличия интегратора между двумя выходами разность фаз между сигналами на этих выходах получается равной 90°. Если выбрать соответствующие емкости С

х и С₂, то схема будет хорошо работать на частотах вплоть до 0,1 Гц. Когда выходы генератора соединены со входами осциллографа Хи Y, на экране наблюдается фигура Лиссажу в виде точной окружности; это особенно эффектно проявляется на низких частотах, когда на экране хорошо видно пятно, медленно описывающее окружность. На основе этой схемы можно смоделировать экран радиолокатора.

Литература: М.Х.Джонс, Электроника — практический курс Москва: Техносфера, 2006. – 512с. ISBN 5-94836-086-5

выбор подходящего генератора сигналов для имитации источников электромагнитных излучений

10 Июля 2019

Введение

Правильный выбор генератора сигналов для имитации источников электромагнитных излучений (ЭМИ) при проведении испытаний средств и комплексов радиоэлектронной борьбы (РЭБ) – непростая задача. Отчасти сложность выбора заключается в необходимости выполнения индивидуальных требований инженера-испытателя и учета особенностей решаемой задачи. Поэтому ни один генератор сигналов не будет идеальным решением на любой случай. Еще одним ключевым моментом, осложняющим выбор, является недостаток информации о подходящем оборудовании. Большинство инженеров попросту не имеют достаточного опыта, чтобы понимать, какие типы источников сигналов и когда нужно использовать. Эта проблема имеет место не только при решении прикладных задач в процессе создания средств и комплексов РЭБ, но не менее актуальна и применительно ко всем задачам, связанным с радиолокационными системами (например, системами посадки, метеорологическими РЛС и т.д.). Фактически любой инженер, сталкивающийся с необходимостью исследования характеристик систем радиолокации и РЭБ, в той или иной степени нуждается в генераторе сигналов для имитации различных типов источников ЭМИ. С помощью генераторов сигналов выполняются: имитация условий ведения РЭБ, запуск различных сценариев испытаний путем формирования последовательностей импульсных сигналов и общей сигнально-помеховой обстановки для определения реакции приемных систем, а также другие виды проверок.

Несмотря на все трудности на пути к правильному выбору источника сигналов результат стоит затраченных усилий, поскольку, сделав неверный выбор, вы столкнетесь с рядом негативных последствий. Инженер может ошибочно задать неверные характеристики или выбрать оборудование, вообще не обладающее нужными для выполнения работы функциями. Аналогичным образом инженер может непреднамеренно задать избыточные требования к оборудованию. Подобная ошибка повлечет чрезмерные траты, и в результате дорогостоящее полнофункциональное оборудование будет использоваться там, где для решения задачи хватило бы старого и менее дорогого. К счастью для любого инженера- испытателя систем радиолокации и РЭБ, сталкивающегося с этой дилеммой, теперь появились общие критерии, помогающие сделать выбор. Эти критерии не только помогут сузить круг вариантов выбора, но и гарантируют эффективное использование имеющихся активов. В зависимости от измерительных задач, решаемых при испытаниях комплексов РЭБ, одновременно могут использоваться различные типы генераторов сигналов.

Типы генераторов сигналов

В настоящее время поставщики предлагают четыре различных типа генераторов сигналов для имитации источников ЭМИ. Это генераторы сигналов с быстрой перестройкой, векторные генераторы сигналов, генераторы сигналов произвольной формы (ГСПФ) и аналоговые генераторы сигналов.

Генераторы сигналов с быстрой перестройкой частоты строятся на основе прямого цифрового синтеза и представляют собой широкодиапазонные источники сигналов с возможностью перестройки частот несущих за доли микросекунд во всем рабочем диапазоне. Векторные генераторы сигналов представляют собой сочетание генератора сигналов произвольной формы и источника с I/Q-модулятором для переноса спектра сигнала на более высокие частоты. Этот тип гнераторов – нечто среднее между сверхширокополосными ГСПФ и генераторами с быстрой перестройкой. Генераторы сигналов произвольной формы (ГСПФ) способны формировать сигналы с различным разрешением (степенью детализации формы сигнала) и частотой дискретизации. Наконец, аналоговые источники сигналов – это генераторы, не обладающие функциями I/Q-модуляции, но способные формировать непрерывные сигналы с различными типами аналоговой модуляции.

Основные показатели качества

При оценке возможности применения этих четырех типов источников для решения поставленных задач следует учитывать ряд различных показателей качества и возможностей. В перечень основных характеристик всех источников сигналов входят восемь показателей:

• Фазовый шум. Уровень фазовых шумов является одним из наиболее важных показателей качества генераторов и является мерой спектральной чистоты сигналов, формируемых любым источником. Он вполне может быть ограничивающим фактором при решении критически важных задач в аэрокосмической и оборонной промышленности, таких как радиолокация и РЭБ. Из-за фазового шума относительно малые сигналы вблизи несущей могут маскироваться шумовыми боковыми полосами основного сигнала в условиях сигнально-помеховой обстановки с несколькими источниками ЭМИ, а работа систем на основе эффекта Доплера (рисунок 1) может затрудняться ложными эхо-сигналами.
  
  Рисунок 1. Наглядная иллюстрация того, как высокий уровень фазового шума может исказить форму спектра сигнала относительно большой амплитуды, вследствие чего расположенный близко по частоте сигнал меньшего уровня будет маскирован.

• Динамический диапазон, свободный от паразитных составляющих (SFDR). SFDR – это отношение уровня мощности поданного на тестируемое устройство сигнала или сигнала несущей частоты на выходе генератора к мощности наибольшей паразитной составляющей в спектре этого сигнала (наибольшей гармоники). Высокий показатель SFDR имеет важное значение при имитации условий ведения РЭБ для создания реалистичной сигнально-помеховой обстановки, когда диапазон амплитуд сигналов-целей может быть очень широким, а ложные цели приводят к получению недостоверных результатов испытаний (рисунок 2). Этот показатель особенно важен при имитации условий ведения РЭБ, когда чувствительность приемников испытываемых комплексов крайне высока.
  
  Рисунок 2. Паразитные составляющие спектра могут быть распознаны как ложные цели или радиолокационные эхо-сигналы, вследствие чего возможно получение недостоверных результатов испытаний.

• Мощность. Мощность – это основной энергетический показатель сигнала. Большой диапазон установки уровней мощности сигналов важен для реалистичного моделирования множества целей на различном удалении и с разными углами прихода отраженных сигналов. При использовании ГСПФ и векторных генераторов сигналов показатели мощности выходного сигнала непосредственно связаны с разрешением и качеством цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) в генераторе, где каждый дополнительный бит эффективного числа разрядов (ENOB) АЦП может добавить примерно 6 дБ к динамическому диапазону генератора.
• Скорость переключения между импульсами. Скорость переключения между импульсами характеризует возможность источника быстро переходить от формирования одного импульсного сигнала с заданной частотой, фазой и уровнем мощности, к формированию другого сигнала. Этот показатель важен при испытаниях систем РЭБ по многим причинам, в числе которых — реалистичность имитации источников ЭМИ с высокой скоростью переключения по указанным выше параметрам, ускорение процесса испытаний и увеличение плотности импульсных сигналов. Плотность характеризует количество импульсных сигналов, присутствующих в общей сигнально-помеховой обстановке в единицу времени, поэтому «быстрые» генераторы с высокой скоростью переключения между импульсами могут создавать сценарии испытаний с более высокой плотностью и меньшим наложением (рисунок 3).
  
  Рисунок 3. Плотность импульсов характеризует количество импульсных сигналов, присутствующих в общей сигнально-помеховой обстановке в единицу времени. Источник сигналов с большей скоростью переключения способен обеспечить большую плотность импульсных сигналов и имитировать большее количество источников ЭМИ.

• Диапазон быстрой перестройки. Диапазон быстрой перестройки – это диапазон частот, в котором источник сигналов может с высокой скоростью переключаться от имитации одного источника ЭМИ к другому. Этот параметр важно знать потому, что он определяет два важных показателя: диапазон значений плотности импульсных сигналов и возможности по когерентности между различными импульсами при их переключении. Диапазон быстрой перестройки варьируется в зависимости от архитектуры генератора сигналов. Он более подробно рассматривается в последующих разделах. Когерентность между импульсами при переключении важна для адекватной имитации изменений фазы источников ЭМИ в ходе выполнения сценария, поскольку системы РЭБ отслеживают эти изменения. Например, если генератор имитирует два источника ЭМИ на двух различных частотах, фаза сигналов этих источников на обеих частотах должна «запоминаться» при переключении между частотами и продолжать изменяться при возврате генератора на прежнюю частоту так, как будто переключения не было вовсе (рисунок 4).
  
  Рисунок 4. Для корректной имитации двух источников ЭМИ на двух различных частотах их фазовые соотношения должны поддерживаться с высокой точностью.

• Полоса частот модулирующего сигнала. Данный параметр характеризует диапазон частот модулирующих сигналов, которые способен формировать источник. Он влияет на время нарастания фронта импульсных сигналов, а также на параметры модуляции, такие как девиация ЛЧМ-сигнала (рисунок 5). Векторные генераторы сигналов и ГСПФ способны одновременно формировать сигналы нескольких источников ЭМИ в пределах полосы частот модулирующих сигналов. Их диапазоны быстрой перестройки, как правило, также ограничены шириной диапазона частот модулирующих сигналов в зависимости от набора частот формируемых сигналов. Полоса частот модулирующих сигналов источника зависит от частоты дискретизации его внутреннего ЦАП, а также от его аналоговых характеристик (например, от разноса частотных диапазонов).

  
  Рисунок 5. Чтобы правильно сформировать показанный ЛЧМ-сигнал, полоса частот модулирующих сигналов источника должна быть больше либо равна девиации частоты.

• Объем памяти и функции потокового воспроизведения. Продолжительность сценариев имитации условий ведения РЭБ может варьироваться от нескольких микросекунд до нескольких дней. В связи с этим генератор сигналов должен формировать сигналы указанной длительности. Методики воспроизведения сигналов различной длительности отличаются по архитектуре аппаратной части и стоимости реализации. При коротких интервалах времени воспроизведения для загрузки данных о квадратурных составляющих формируемых сигналов обычно достаточно внутренней памяти прибора или сжатых форматов данных, обработка которых будет производиться по наступлению конкретного события.

  Прямая загрузка данных пригодна только при небольшой продолжительности сценариев. По мере увеличения частоты дискретизации и продолжительности сценариев, а также количества задействованной аппаратуры, потребуется использование дополнительных средств и схем хранения и обработки данных. Одним из способов расширения времени воспроизведения при ограниченном объеме памяти является формирование последовательностей и цифровое преобразование с повышением частоты, которые позволяют индексировать различные сегменты памяти и помещать их в цикл в соответствии с присвоенными индексами, либо изменять частоты несущих при наступлении определенных событий (таких, как получение программной команды или запуск с малой задержкой). В зависимости от условий сценариев, создание последовательностей воспроизведения сегментов памяти может значительно увеличить их продолжительность.

  Еще один метод экономии памяти заключается в сжатии данных. Если прибор способен воспринимать абстрактные, общие для всех сигналов, параметры, такие как длительность импульса и тип модуляции, тогда для описания сигнала может потребоваться меньшее число бит данных. Средства, используемые для имитации сценариев ведения РЭБ, используют общий метод описания источников ЭМИ – дескрипторы импульсов (PDW). Различные системы и организации используют разные форматы дескрипторов импульсов, но при этом они имеют много общего. Формат дескрипторов импульсов позволяет адекватно описывать источники ЭМИ при имитации условий ведения РЭБ. Во многих случаях использование дескрипторов импульсов вместо прямого описания сигналов в виде квадратурных составляющих может сократить объем используемой памяти на несколько порядков, а также упростить программирование требуемой формы сигнала (рисунок 6).

  
  Рисунок 6. Методы сжатия данных (например, использование дескрипторов импульсов) способны значительно снизить требования к объему памяти и упростить формирование сигналов по сравнению с описанием сигналов в виде квадратурных составляющих (слева), формы сигналов могут описываться в табличной форме и быстро загружаться программным путем.

  Для максимальной гибкости по временным характеристикам источник сигналов должен иметь возможность потокового воспроизведения сигналов с внешнего управляющего устройства, на котором запускается имитация, или устройства хранения данных, например, RAID-массива. В зависимости от схемы хранения данных пропускная способность может быть либо ограничивающим фактором, либо определяющим критерием стоимости источника сигналов с функцией потокового воспроизведения. Однако использование методов сжатия данных в памяти (таких, как дескрипторы импульсов) способно стать эффективным решением указанной проблемы, поскольку для формирования аналогичного сигнала потребуется меньше данных.

• Возможности синхронизации. Во многих случаях генераторы сигналов, используемые для имитации условий ведения РЭБ, должны быть когерентны по фазе, поскольку для формирования сигналов одного источника ЭМИ могут использоваться несколько генераторов, а для реализации некоторых методик испытаний приемников потребуется создать несколько составных фронтов волны с интервалом менее наносекунды. Возможность объединения нескольких генераторов сигналов в единую когерентную систему (с синхронизацией по фазе и времени) для формирования сигналов, помимо всего прочего, также следует рассматривать при выборе оборудования, поскольку именно она определяет способность системы к расширению. Для реализации такой системы важны не только возможности использования разными источниками общих сигналов синхронизации и гетеродина, но и наличие настраиваемых функций запуска, а также высокая точность и повторяемость параметров выходного сигнала.

Критерии выбора типа генераторов сигналов

В целях облегчения выбора наиболее предпочтительного для решения поставленных задач генератора сигналов ниже приведены общие данные для сравнения функциональных возможностей и технических характеристик четырех основных типов источников сигналов, применяемых для имитации источников ЭМИ.

Генераторы сигналов с быстрой перестройкой

Рисунок 7. Типовая структурная схема генератора с быстрой перестройкой.

Варианты применения: генераторы сигналов данного типа используются для имитации одного или нескольких источников ЭМИ в очень широком диапазоне частот и в качестве быстро перестраиваемых гетеродинов в различных подсистемах (рисунок 7). Благодаря архитектуре, в основе которой лежит принцип прямого цифрового синтеза, их можно жестко синхронизировать при работе в составе многоканальных измерительных систем.

Преимущества: генераторы сигналов с быстрой перестройкой обеспечивают высокую производительность при имитации множества различных типов сценариев ведения РЭБ. Благодаря архитектуре, основанной на принципе прямого цифрового синтеза, они способны обеспечивать фазовую когерентность и/или непрерывность во всем диапазоне, а синхронизация нескольких генераторов может быть выполнена с легкостью и высоким разрешением. Кроме того, генераторы сигналов с быстрой перестройкой могут использовать различные форматы дескрипторов импульсов для описания выходных сигналов, позволяя выполнять потоковое воспроизведение сигналов при времени обновления менее микросекунды. Как результат, они способны имитировать множество источников ЭМИ во всем диапазоне рабочих частот, при этом работать совместно с несколькими генераторами и воспроизводить потенциально бесконечно длинные последовательности данных.

Недостатки: одним из недостатков генераторов сигналов с быстрой перестройкой является последовательное воспроизведение дескрипторов импульсов по принципу «первый на входе – первый на выходе» (FIFO), следствием чего является невозможность одновременного воспроизведения двух и более дескрипторов импульсов. Этот недостаток не играет большой роли, если коэффициент заполнения имитируемых источников ЭМИ не очень велик. Для одновременного воспроизведения нескольких дескрипторов импульсов инженер-испытатель может использовать соответствующее количество дополнительных генераторов сигналов с быстрой перестройкой, синхронизированных между собой (рисунок 8). Однако при создании законченного эмулятора такое решение может быть менее рентабельным.

Основные показатели:

• Диапазон частот: от 10 МГц до 40 ГГц
• Полоса частот модулирующего сигнала: 3 ГГц
• Когерентность/непрерывность во всем диапазоне частот (от 10 МГц до 40 ГГц)
• Количество каналов: от 1 до 6 когерентных
• Скорость обновления дескрипторов импульсов: от 180 нс до 500 мкс
• Схема данных: на основе дескрипторов импульсов (с высокой степенью сжатия)
• Пропускная способность при обработке дескрипторов импульсов, по техническому описанию:
• Минимальная длительность = 4 нс
• Скорость обновления = 180 нс
• Макс. скорость = 1/(минимальная длительность + скорость обновления) = 1/(184 нс) = 5,4348 миллионов дескрипторов импульсов в секунду
• Разрешение по времени: 10 пс
• Возможность потокового воспроизведения

Рисунок 8. Пример сценария с заданной плотностью импульсных сигналов, реализованного с использованием генераторов сигналов с быстрой перестройкой. Для предотвращения пропуска импульсов дескрипторы импульсов распределены между двумя синхронизированными генераторами.

Примером генератора сигналов с быстрой перестройкой может послужить генератор N5193A/N5191A серии UXG компании Keysight (рисунок 9).

Рисунок 9. Высокопроизводительные генераторы сигналов с быстрой перестройкой N5193A/N5191A серии UXG разработаны специально для имитации сценариев ведения РЭБ с высокой скоростью воспроизведения потоковых данных и переключения между дескрипторами. Имеется возможность синхронизации по внешнему источнику при работе в составе системы.

Векторные генераторы сигналов

Рисунок 10. Типовая структурная схема векторного генератора сигналов. В схеме векторного генератора сигналов присутствуют синтезатор частот с I/Q-модулятором, который дает ему возможность формировать сигналы с векторной модуляцией (также известной как «цифровая» или «комплексная»), благодаря чему он и получил свое название.

Варианты применения: векторные генераторы сигналов используются для имитации сигналов отдельных источников ЭМИ с различными полосами частот модулирующего сигнала или нескольких источников ЭМИ с близкими частотами. Типовая структурная схема векторного генератора сигналов приведена на рисунке 10. В силу своей архитектуры векторные генераторы сигналов обычно используются для формирования сигналов в определенной полосе частот. Они могут осуществлять перестройку по частоте в пределах диапазона и изменять полосу сигнала, а более продвинутые решения позволяют подавать на вход I/Q-модулятора сигналы с ГСПФ для формирования широкополосных сигналов (до нескольких ГГц).

Достоинства: благодаря высокому разрешению ЦАП векторные генераторы сигналов обладают более широким динамическим диапазоном, чем сверхширокополосные ГСПФ. Они также способны одновременно формировать несколько сигналов, но в связи с этим динамический диапазон каждого из таких сигналов будет уменьшаться. Генераторы данного типа могут использоваться для имитации сигналов систем связи при испытаниях, что добавляет им универсальности. Поскольку сигналы формируются на основе данных о квадратурных составляющих, эти генераторы способны обеспечить большую гибкость при имитации таких факторов, как интерференция в радиоэфире. Также векторные генераторы сигналов способны воспроизводить длинные последовательности данных.

Недостатки: данный тип генераторов переносит сформированный модулирующий сигнал на более высокую фиксированную частоту несущей и обеспечивает когерентность только в пределах полосы частот модулирующего сигнала. Как следствие, они могут имитировать несколько источников ЭМИ только в пределах полосы частот модулирующего сигнала. Например, если частота несущей 20 ГГц, а полоса частот модулирующего сигнала 2 ГГц, то широкополосный векторный генератор сигналов сможет эффективно функционировать только на частотах от 19 до 21 ГГц (рисунок 11). Кроме того, если источник сигналов использует несжатые данные о квадратурных составляющих сигналов, то это ограничивает его возможности по воспроизведению из памяти или потоковому воспроизведению, а также добавляет сложности при описании сигналов. В дополнение следует отметить, что при смене несущей частоты векторные генераторы сигналов утрачивают повторяемость по фазе.

Основные показатели:

• Диапазон частот: от 100 кГц до 44 ГГц
• Частота дискретизации: до 12 Гвыб/с,
• Разрешение по времени: от 83,3 пс
• Полоса частот модулирующего сигнала: до 2 ГГц
• Когерентность/непрерывность в пределах полосы частот модулирующего сигнала
• Глубина памяти: до 2 Гвыб с функциями создания последовательностей и потокового воспроизведения
• Разрешение по амплитуде: до 16 бит
• Количество каналов: от 1 до 6 когерентных
• Схема данных: квадратурные составляющие

Рисунок 11. Пример сценария с заданной плотностью импульсных сигналов, реализованного с использованием широкодиапазонных векторных генераторов сигналов. В силу ограничений по ширине полосы частот модулирующего сигнала сценарий должен быть разнесен по трем участкам более широкого диапазона рабочих частот векторного генератора сигналов. Полоса модуляции первого источника ЭМИ допускает использование внутреннего модулятора генератора, в то время как полоса частот и скорость переключения между импульсами двух других источников ЭМИ требуют подачи на внутренний I/Q-модулятор векторного генератора сигнала с внешнего ГСПФ для их формирования.

Некоторые примеры векторных генераторов сигналов приведены на рисунках 12-14.

Рисунок 12. Векторный генератор сигналов серии MXG N5182B компании Keysight способен формировать сигналы на частотах до 6 ГГц с полосой частот модулирующего сигнала до 160 МГц. Он также имеет возможность совместной работы с несколькими генераторами серии MXG для одновременного создания нескольких когерентных сигналов для решения многоканальных прикладных задач.

Рисунок 13. Генераторы M9381A в формате PXIe способны формировать сигналы на частотах до 6 ГГц с полосой частот модулирующего сигнала до 160 МГц. Их модульный формат позволяет синхронизировать несколько генераторов M9381A, помещенных в компактный корпус.

Рисунок 14. При выдаче выходного сигнала с ГСПФ M8190A на вход I/Q-модулятора векторного генератора сигналов полученная система позволит формировать сигналы в диапазоне от 0 до 44 ГГц и полосой частот модулирующего сигнала до 2 ГГц. Кроме того, станут доступны функции многоканальной синхронизации и работы с памятью (организация последовательностей, потоковое воспроизведение и цифровое преобразование с повышением частоты).

Сверхширокополосные ГСПФ

Рисунок 15. Современные генераторы сигналов произвольной формы – это гораздо больше, чем просто ЦАП. Они обладают такими новыми возможностями, как динамическое распределение последовательностей воспроизведения сегментов памяти, работа с общим внешним источником синхронизации и различные выходные тракты для оптимизации сигналов в зависимости от решаемой прикладной задачи. Выше показана структурная схема ГСПФ M8190A, имеющего высокое разрешение.

Варианты применения: ГСПФ подразделяются по частоте дискретизации и разрешению, при чем эти два параметра обычно обратно пропорциональны друг другу (рисунок 15). ГСПФ с высокой частотой дискретизации имеют низкое разрешение и наоборот. ГСПФ могут применяться для имитации сигналов РЛС с высокой плотностью и сигналов систем связи в пределах их полосы частот.

Достоинства: сверхширокополосные ГСПФ имеют очень широкую полосу частот формируемых сигналов, которая позволяет формировать одиночные или множественные сигналы источников ЭМИ на всем заданном частотном интервале. ГСПФ с высоким разрешением позволяют формировать сигналы в широком динамическом диапазоне в пределах узкой полосы частот. Среди ключевых особенностей — одновременное формирование нескольких импульсных сигналов и возможность изменения массива I/Q-данных для имитации влияния среды распространения сигналов. Если для проведения измерений требуется несколько когерентных каналов формирования сигналов их можно легко получить с использованием внешней синхронизации.

Недостатки: в отличии от прочих типов источников сигналов, сверхширокополосные ГСПФ имеют низкое разрешение и узкий динамический диапазон. Кроме того, в силу крайне высокой частоты дискретизации они воспроизводят очень короткие по времени массивы данных. ГСПФ с высоким разрешением имеют узкие полосы частот, но их сигналы могут быть перенесены на более высокие частоты с использованием дополнительного оборудования, как описано в разделе о векторных генераторах сигналов (рисунок 16).

Основные показатели:

• Частота дискретизации: до 65 Гвыб/с
• Разрешение по времени: от 15,39 пс
• Аналоговая полоса частот: до 20 ГГц
• Глубина памяти: до 16 Гвыб с функциями создания последовательностей и потокового воспроизведения
• Разрешение: от 8 до 14 бит
• Количество каналов: до 12
• Максимальная выходная мощность: 10 дБм
• Когерентность во всем диапазоне частот (до 20 ГГц)
• Схема данных: квадратурные составляющие

Рисунок 16. Пример сценария с заданной плотностью импульсных сигналов, реализованного с использованием генераторов сигналов произвольной формы. В силу ограничений по полосе формируемых сигналов сценарий должен быть разделен между двумя источниками. Сформированный вторым источником сигнал на модулирующей частоте был перенесен на более высокую частоту путем подачи его на вход I/Q-модулятора векторного генератора сигналов. Стоит отметить, что из-за высокой частоты дискретизации и более низкого относительного динамического диапазона сверхширокополосного ГСПФ, используемого в качестве источника №1, время воспроизведения резко сокращается, а качество сигнала может быть не таким хорошим, как при использовании других источников.

Некоторые примеры сверхширокополосных ГСПФ показаны на рисунках 17 и 18.

Рисунок 17. Генератор M8195A представляет собой 8-разрядный ГСПФ с частотой дискретизации до 65 ГГц и аналоговой полосой частот до 20 ГГц.

Рисунок 18. Генератор M8190A компании Keysight имеет частоту дискретизации 12 Гвыб/с и является ГСПФ с высоким разрешением (до 14 бит). Он может обеспечить до 12 синхронных каналов формирования сигналов и регулировку временных параметров с шагом менее 1 нс, что является важной возможностью при имитации многоканальных сценариев. Справа показана синхронизация четырех каналов генератора с одинаковыми уровнями на экране четырехканального осциллографа.

Аналоговые источники сигналов

Рисунок 19. Типовая структурная схема аналогового генератора сигналов. Аналоговые генераторы сигналов не имеют I/Q-модуляторов, но чаще всего способны формировать сигналы с различными типами аналоговой модуляции, такими как АМ, ЧМ и ФМ, а также с импульсной модуляцией, благодаря чему они и получили свое название.

Варианты применения: аналоговые источники сигналов используются в качестве недорогих средств имитации и формирования импульсных сигналов с малым периодом повторения импульсов. Они обычно имеют функции аналоговой модуляции, благодаря чему могут использоваться для формирования модулированных сигналов, а также в качестве источников непрерывных помех при реализации различных сценариев.

Достоинства: основные преимущества при использовании аналоговых источников сигналов – это их низкая стоимость и простота. Несмотря на то, что они не способны формировать сигналы произвольной формы, они являются недорогим средством создания менее сложных сигналов при реализации различных сценариев (рисунок 20).

Недостатки: аналоговые генераторы не способны формировать векторные сигналы, в отличии от систем генерации производной формы, в связи с чем количество типов формируемых ими сигналов крайне ограничено.

Основные показатели:

• Диапазон частот: от 100 кГц до 67 ГГц
• Диапазон установки мощности: до 30 дБм
• Типы модуляции: ЧМ, ФМ, АМ и ИМ
• Функции качания по частоте и уровню мощности

Рисунок 20. Повторно рассмотрим пример сценария, в котором за счет введения аналогового генератора сигналов, когда это возможно, удается уменьшить общую стоимость системы. В данном случае показано, как дополнительный источник ЭМИ может быть сымитирован с помощью менее дорогого аналогового генератора (фиолетовый).

Пример аналоговых источников сигналов показан на рисунке 21.

Рисунок 21. Аналоговый генератор сигналов E8257D имеет диапазон частот от 100 кГц до 67 ГГц, а также функцию аналоговой модуляции.

Важные вопросы

В дополнение к основным показателям источников сигналов для имитации условий ведения РЭБ, рассмотренным выше, имеется ряд вопросов, которые следует принять в рассмотрение при выборе наиболее подходящего источника для реализации конкретного сценария. В перечень таких вопросов, а также связанных с ними функциональных возможностей оборудования, входят:

Вопрос 1: Каковы частоты источников ЭМИ, задействованных в моем сценарии?
Затрагиваемые показатели: диапазон быстрой перестройки, диапазон рабочих частот, скорость переключения между импульсами и возможность синхронизации по внешнему источнику

Вопрос 2: Какие типы модуляции и полосы модулирующих сигналов у имитируемых источников ЭМИ?
Затрагиваемые показатели: полоса частот модулирующего сигнала, диапазон быстрой перестройки и скорость переключения между импульсами

Вопрос 3: Какие требования к радиочастотным характеристикам в моем сценарии?
Затрагиваемые показатели: диапазон перестройки уровней мощности, диапазон рабочих частот, динамический диапазон, свободный от паразитных составляющих спектра, уровень фазового шума и разрешение по амплитуде

Вопрос 4: Какова продолжительность выполняемого сценария?
Затрагиваемые показатели: глубина памяти, возможность организации последовательностей, функция потокового воспроизведения, сжатие I/Q-данных и частота дискретизации

Вопрос 5: Как много каналов задействовано в выполнении моего сценария?
Затрагиваемые показатели: возможности синхронизации, диапазон быстрой перестройки частоты и полоса частот модулирующего сигнала

Вопрос 6: Какова плотность импульсных сигналов в моем сценарии (импульсов в секунду)?
Затрагиваемые показатели: диапазон быстрой перестройки частоты, диапазон рабочих частот, скорость переключения импульсов, возможности синхронизации, глубина памяти, возможность организации последовательностей, потоковое воспроизведение, сжатие I/Q- данных, частота дискретизации, уровень фазового шума, динамический диапазон, свободный от паразитных составляющих

В дополнение к этим вопросам при выборе подходящего источника для выполнения конкретного сценария помогут данные, приведенные в таблице 1.

Таблица 1. В данной таблице представлены сводные данные генераторов сигналов различных типов, рассмотренных в качестве примеров выше.

	M8195A Генератор сигналов произвольной формы	M8190+E8267D Векторный генератор сигналов	N5193A/N5191A Генератор сигналов с быстрой перестройкой	E8257D Аналоговый генератор сигналов
Диапазон рабочих частот (ГГц)	0-20	0-44	0,01-40	0,0001-67
Диапазон частот модулирующего сигнала (ГГц)	20,0	21	3²	—
Глубина памяти (Гвыб)	16	2+, потоковое воспроизведение	480 Гб для ~2 х 109 PDW + полная полоса, потоковое воспроизведение	—
Разрешение (бит)	8	12/143	—	—
Частота дискретизации (Гвыб/с)	65	12	—	—
Схема данных	I/Q-данные	I/Q-данные	PDW	—
Число каналов	1-4 (2 I/Q пары)4	1-125	1-N5	N5
Максимальный уровень мощности (дБм)	10	23	10	30,0
Когерентность между каналами	да	да	да	да
Диапазон быстрой перестройки	20 ГГц	4 ГГц	40 ГГц	—
Время перестройки источника	15,4 пс	24 мс	180 нс/30 мс&sup6;	11 мс

1. Центральные частоты свыше 3,5 ГГц
2. Зависит от частотного диапазона и соотвествующего фильтра
3. Зависит от частоты дискретизации
4. Четырехканальная плата, позволяющая формировать две пары сигналов с I/Q модуляцией
5. Количество каналов зависит от конфигурации стенда
6. Зависит от пересечения полос частот
7. Полоса частот, где сохраняется скорость обновления дескрипторов импульсов и когерентность
8. Аналоговый

Заключение

При проведении испытаний систем радиолокации и РЭБ правильный выбор источника сигналов для имитации источников ЭМИ крайне важен. Неправильно подобрав источник сигналов, вы можете столкнуться с тем, что его характеристики или функциональные возможности избыточны или недостаточны для выполнения поставленных задач. С другой стороны, правильный выбор обеспечит достоверные результаты измерений и позволит оптимально использовать ресурс оборудования. Используя критерии выбора, описанные в данных рекомендациях по применению, инженеры-испытатели смогут подобрать нужный источник сигналов для создания требуемой конфигурации источников ЭМИ.

Литература

Решения для измерений параметров широкополосных радиолокационных и спутниковых систем, рекомендации по применению, номер документа 5990-6353RURU

Восемь советов для качественного улучшения процесса измерений с использованием аналоговых радиочастотных генераторов сигналов, рекомендации по применению, номер документа 5967-5661RURU

Восемь советов для качественного улучшения процесса измерений с использованием радиочастотных генераторов сигналов, рекомендации по применению, номер документа 5988-5677RURU

Формирование сигналов для имитации условий ведения РЭБ: технологии и методы, рекомендации по применению, номер документа 5992-0094RURU

Самый простой способ генерировать квадратурный сигнал на печатной плате

У меня есть чип, который нуждается в квадратуре LO. Характеристики:

• Диапазон частот: 1,7 ГГц – 2,5 ГГц (более широкий диапазон приветствуется)
• Оба I / Q дифференциала (т.е. всего 4 провода)
• Каждый провод 1Vpp
• Смещение по постоянному току 500 мВ (способно управлять 50 Ом, т. Е. 10-20 мА)
• Соответствие составляет 50 Ом, но не идеально (S11> -10dB)
• Джиттер: сотни фс (как 400 фс)
• Точность фазы: ~ 1 град
• По возможности : возможность быстрого (или даже сверхбыстрого) прыжка / оседания (около 10 нс)
• Стоимость: «не имеет значения»
• Питание: «не имеет значения»

Для моей текущей версии я использую внешний генератор сигналов, который входит в 90-градусный гибрид и входит в PCB через 2 разъема SMA (I и Q). Каждый из этих каналов проходит через встроенный баланс 1: 1. ВЧ-дроссель добавляет смещение постоянного тока 500 мВ.

Однако эта настройка неуклюжа, встроенный балун (MABA-007871-CT1A40) даже не соответствует спецификациям. Для моей второй ревизии я хотел бы генерировать эти сигналы на борту, чтобы упростить настройку.

RFDAC (например, AD9164: 16-битная, 12 GPBS) удовлетворяет всем требованиям, но получение этого 165-контактного BGA-зверя с его интерфейсом SERDES отнимает у меня навсегда.

Поэтому, если я ослаблю требование быстрого урегулирования, я предположу, что есть решения. Однако я не могу найти ни одного квадратурного генератора на DigiKey! (Я могу найти модуляторы I / Q или демодуляторы, но мне нужно поколение).

ThreePhaseEel

Быстрые шлепанцы облегчают работу от 0 до 90

Поскольку целевая система может принимать несинусоидальный сигнал, решение этой проблемы на самом деле довольно простое – генерировать дифференциальный тактовый сигнал от 3,4 до 5 ГГц (всеми правдами и неправдами, мне все равно, как вы его получите) и затем используйте 2 DFF в классической конфигурации квадратурного генератора, как показано ниже (изображение из этой статьи ):

Учитывая, что быстрые триггеры, такие как NB7V52M с частотой 10 ГГц, имеют дифференциальные входы / выходы , мы можем исключить инвертор (он становится дифференциальным транспонированием), получив результирующую цепь (компоненты завершения не показаны для ясности):

^{смоделировать эту схему – схема, созданная с использованием CircuitLab}

Стоимость запчастей не является проблемой – я серьезно сомневаюсь, что вы можете получить генератор 5 ГГц дешевле, чем стоимость двух интегральных микросхем в решении.

Энди ака

Широкополосный аналоговый разделитель фаз может быть сделан следующим образом:

Входной стимул исходит от V1, а выходы I и Q находятся на Va и Vb. Если вы держите два резистора на значении L С – – √ L С тогда вы получаете постоянный фазовый сдвиг точно на 90 градусов между Va и Vb.

Итак, для реализации выше, диаграмма Боде:

Единственным недостатком является то, что имеются амплитудные изменения в Va и Vb в диапазоне частот. Например, при 1,7 ГГц Va примерно на 2 дБ выше, чем Vb. На частоте 2,5 ГГц Vb примерно на 1,4 дБ больше, чем Va.

Просто мысль.

Преодоление проблем генерации радиочастотных сигналов с помощью новых технологий ЦАП (Sahand Noorizadeh / Iqbal Bawa, Tektronix)

Sahand Noorizadeh / Iqbal Bawa, Tektronix, 2020

Современные радиочастотные системы, такие как сверхпроводящие квантово-битовые контроллеры, радары с фазированной антенной решеткой, приемопередатчики MIMO (много входов — много выходов), адаптивные («умные») антенные передатчики и сверхширокополосная система связи с быстрой перестройкой частоты и расширенным спектром, основаны на широкополосной, когерентной, многоканальной архитектуре. Традиционный метод, при котором используются векторные генераторы сигналов с квадратурными модуляторами и аналоговыми синтезаторами для генерации радиочастотного сигнала, имеет серьезные ограничения из-за сложности калибровки и стоимости крупносерийного внедрения таких систем.

В качестве решения этой проблемы появляется класс высокоскоростных цифро-аналоговых преобразователей, реализующих функции обработки сигналов, модуляции и генерации. Эти преобразователи данных способны непосредственно синтезировать комплексные сигналы на сверхвысоких частотах, позволяют упростить многоканальную синхронизацию и калибровку и имеют значительно более низкую стоимость при проектировании систем с высокой плотностью каналов, устраняя необходимость в сложном аналоговом интерфейсе. Например, генераторы сигналов произвольной формы серии Tektronix AWG5200 используют такие ЦАП и предлагают до восьми синхронизированных каналов в одном устройстве, чье количество можно дополнительно увеличить за счет синхронизации большего числа устройств.
В статье речь пойдет о некоторых важных функциях, позволяющих использовать серию AWG5200 для генерации сложных РЧ-сигналов, и описано два архитектурных метода, которые можно реализовать для дальнейшего расширения частотного диапазона устройства с акцентом на снижение стоимости и сложности в многоканальных приложениях.

Введение в генерацию комплексных СВЧ-сигналов
Распространенным методом генерации комплексных сигналов является модуляция несущего сигнала с частотой генерируемого гетеродином (LO) с использованием векторного модулятора, который представляет собой аппаратную реализацию следующего тригонометрического тождества:   
  (1)
Где   

 
Эту формулу легко реализовать в аппаратном обеспечении, если учесть, что при сдвиге фазы несущего сигнала на 90° члены, содержащие синус и косинус, находящиеся в левой части уравнения (1), могут быть получены из одного синусоидального источника. Члены уравнения I и Q — это соответственно синфазные и квадратурные исходные сигналы, которые могут задавать произвольные значения амплитуды и фазы несущего сигнала, что делает данный метод модуляции способным производить любой тип модуляции.
Для РЧ- и СВЧ-устройств генерация синфазных и квадратурных сигналов обычно осуществляется с помощью генераторов сигналов произвольной формы, которые в своей основе содержат два (или более) синхронизированных цифро-аналоговых преобразователя (ЦАП). На рис. 1 показан двухканальный генератор сигналов произвольной формы, подающий синфазный (I) и квадратурный (Q) сигналы в векторный генератор сигналов.

 
Рис. 1. РЧ-модуляция комплексного сигнала с использованием двухканального генератора сигналов произвольной формы и векторного генератора СВЧ-сигналов.
 
Недостаток метода заключается в том, что качество модуляции сигнала ухудшается из-за амплитудного и фазового дисбаланса синфазного и квадратурного сигналов и утечки сигнала гетеродина. Это связано с аппаратными неидеальностями векторного модулятора [1, 2], которые в определенной степени можно компенсировать и скорректировать с помощью ряда операций калибровки [3]. Кроме того, при использовании данного метода генерации сигналов быстро возрастает стоимость и сложность крупносерийных многоканальных РЧ-систем. Например, в сверхпроводящей квантово-битовой (кубитовой) системе управления, где частота несущих импульсных сигналов, применяемых для возбуждения кубитовых резонаторов, нуждается в относительной тонкой настройке, каждый РЧ-канал будет содержать векторный генератор сигналов с независимым перестраиваемым гетеродином и два канала генератора сигналов произвольной формы. Утечка сигнала гетеродина ограничивает динамический диапазон в системах с импульсными сигналами, где требуется стабильное высокое соотношение уровней в высоком и низком состояниях.
В следующих разделах будут обсуждаться два альтернативных метода генерации СВЧ-сигнала, основанные на непосредственной генерации модулированного сигнала на высоких частотах с использованием современных высокоскоростных генераторов сигналов произвольной формы. По сравнению с методом, основанным на применении векторного генератора, эти методы предлагают более простую и экономичную аппаратную реализацию систем с высокой плотностью каналов.

Высокоскоростные ЦАП с цифровыми комплексными модуляторами.

Уменьшение размера и стоимости телекоммуникационных и военных систем стимулирует эволюцию современных ЦАП в сторону интеграции большего количества функциональных возможностей в один чип. Некоторые из более прогрессивных высокоскоростных ЦАП включают функции цифровой обработки и преобразования сигналов, такие как КИХ-фильтры, цифровая интерполяция [4], комплексная модуляция и генераторы с числовым управлением (numerically controlled oscillators, NCO) [5]. Это позволяет непосредственно генерировать сложные радиочастотные сигналы эффективным и компактным способом. На рис. 2 показана упрощенная блок-схема высокоскоростного 16-разрядного ЦАП, используемого в серии AWG5200 компании Tektronix с цифровым комплексным модулятором и интерполяцией в нескольких режимах.

    
 
Рис. 2. Упрощенная блок-схема ЦАП серии AWG5200
 
Комплексный модулятор представляет собой цифровую реализацию векторного генератора сигналов. Генератор с числовым управлением действует как гетеродин, обеспечивающий несущий сигнал, а определяемые пользователем синфазные и квадратурные исходные сигналы в цифровом виде передаются в ЦАП из внешней памяти. На выходе этого модулятора формируется цифровой сигнал, подаваемый к ядру ЦАП. Частота генератора с числовым управлением управляется с помощью специального встроенного регистра и может быть независимо запрограммирована, что позволяет настраивать несущую частоту без пересчета или перезагрузки сигналов I и Q. Интерполяция в тракте цифровых данных обеспечивает средство для генерации и передачи данных сигнала в ЦАП с более низкой частотой дискретизации, что требует меньшего количества выборок для сигналов и приводит к меньшему потреблению памяти. Имеется два независимых блока интерполяции: блок исходного сигнала с настраиваемыми коэффициентами х2–х16 и блок, связанный с функцией синхронизации с удвоенной скоростью передачи данных (DDR). Когда DDR выключена, данные преобразуются только на одном из фронтов тактового сигнала и режим интерполяции устанавливается на х1, в то время как в режиме удвоенной скорости передачи данные интерполируются на х2 и преобразуются на обоих фронтах тактового сигнала. Кроме того, в режиме DDR частота дискретизации генератора с числовым управлением удваивается. Это означает, что при максимальной тактовой частоте 5 ГГц генератор с числовым управлением и ядро ЦАП работают с частотой дискретизации 10 GSPS и можно синтезировать несущие частоты до 5 ГГц в первой полосе Найквиста.
С помощью реконструкционного фильтра (фильтра нижних частот с частотой среза на уровне ) на выходе устройств серии AWG5200 аналоговые сигналы со сложной модуляцией могут непосредственно генерироваться почти до 5 ГГц. При использовании полос Найквиста высокого порядка возможна и генерация сигналов на более высоких частотах.

Непосредственная генерация сигнала в полосах Найквиста высокого порядка

Генерируемый ЦАП выходной сигнал временной области, который представляет собой аппроксимацию идеального аналогового сигнала x(t), может быть математически выражен следующей сверткой:
   (2)
где * — оператор свертки;  — период дискретизации;  —прямоугольная функция единичной амплитуды, центрированная при t = 0 и ограниченная ; δ — дельта-функция Дирака.

   
Рис. 3. Идеальный аналоговый сигнал x(t), аппроксимируемый ЦАП с частотой дискретизации = 1/Ts SPS.
 
Свертка дельта-функций по  создает масштабированные копии прямоугольной функции во времени в тех случаях, когда . На рис. 3 показан аналоговый сигнал, аппроксимируемый ЦАП с частотой дискретизации  выб/с (SPS), а также ряд дельта-функций, повторяющихся каждые  с и масштабируемых по x(t).
Для анализа частотной характеристики ЦАП выполним преобразование Фурье (2), F{y(t)}, что дает:

  (3)
 
где  — кардинальный синус, который определяется как . Термин «свертка» означает, что сигнал повторяется каждое целое число, кратное частоте дискретизации. Функция sinc задает отсечку амплитуды, принимая нулевое значение при целых числах, кратных частоте дискретизации.
   

   
Рис. 4. Амплитуда комплексного выходного спектра ЦАП с частотой дискретизации

На рис. 4 показана амплитуда комплексного выходного спектра ЦАП, генерирующего сигнал произвольной формы. Можно увидеть, что в каждой половине интервалов частоты дискретизации наблюдаются отображения спектра сигнала. Эти интервалы называются полосами Найквиста, в четных полосах спектр инвертируется. Применяя соответствующий аналоговый фильтр и усилитель на выходе ЦАП, эти изображения можно использовать для непосредственной генерации сигналов на более высоких частотах. Однако следует учитывать ограничения, налагаемые функцией sinc. На рис. 5 показана нормированная частотная характеристика идеального ЦАП, генерирующего синусоидальный сигнал с частотой 0,3  и его отображения при 0,7 , 1,3 и 1,7.
 
 

Рис. 5. Нормированная частотная характеристика идеального ЦАП

В дополнение к функции sinc, которая является неотъемлемым свойством ЦАП, на частотную характеристику генераторов сигналов произвольной формы также влияют паразитные характеристики корпуса микросхемы, дополнительные компоненты, устройства и соединения вдоль всего аналогового тракта. На рис. 6 представлена типичная частотная характеристика выходной мощности устройств серии AWG5200, работающих с максимальной частотой дискретизации 10 GSPS, и ее отклонение от идеальной характеристики ЦАП.

 

Рис. 6. Частотная характеристика выходной мощности устройств серии AWG5200 при максимальной частоте дискретизации, 10 GSPS.
            Мощность нормирована на пиковое значение в –3 дБм
 
При непосредственной генерации сигнала в полосах Найквиста высокого порядка следует учитывать и другие факторы, способные ограничивать динамический диапазон, а именно уровень шума ЦАП и паразитные составляющие [6]. На рис. 7 показано измерение спектра выходной мощности в 1-й и 2-й полосах Найквиста устройств серии AWG5200, настроенных на частоту дискретизации 7 GSPS для однотонового сигнала с качающейся частотой в диапазоне 300 МГц. Этот сигнал был сгенерирован путем сдвига частоты генератора с числовым управлением с 1,85 до 2,15 ГГц, что привело к получению изображения с центром на частоте 5 ГГц. Это измерение также показывает другие паразитные составляющие, генерируемые ЦАП устройства из-за неидеальности его аппаратной части.
 

 
Рис. 7. Измерение спектра мощности для качающейся частоты от 1,85 ГГц до 2,15 ГГц с частотой дискретизации 7 GSPS дает 2-е отображение Найквиста, центрированное на 5 ГГц
 
На рис. 8 дан результат измерения спектра мощности 2-го отображения Найквиста с помощью анализатора спектра, настроенного на снижение уровня шумов. Несмотря на более низкий уровень амплитуды по отношению к основному сигналу, это отображение имеет динамический диапазон 56 дБ в полосе шириной 1 ГГц, что позволяет при использовании реального полосового фильтра с центром на 5 ГГц применять отображение 2-й полосы Найквиста. Для увеличения амплитуды за фильтром может следовать каскад усиления, состоящий из одного или нескольких усилителей, как показано на рис. 9. Для предотвращения перегрузки усилителя нежелательными спектральными составляющими, а также для минимизации влияния интермодуляции на динамический диапазон, вызванной нелинейностью усилителя, важно, чтобы этот фильтр был размещен на входе каскада усиления.

 
Рис. 8. Измерение в широком динамическом диапазоне спектра мощности 2-го отображения Найквиста развертки от 1,85 ГГц до 2,15 ГГц с частотой дискретизации 7 GSPS
  

Рис. 9. Внешняя фильтрация и усиление 2-го отображения Найквиста
 
Аналогично, сигналы со сложной модуляцией с несущей частотой  во 2-й полосе Найквиста могут генерироваться с помощью встроенного в генератор произвольных сигналов модулятора путем установки частоты генератора с числовым управлением на . Зеркальное отражение относительно основного сигнала может быть скорректировано с помощью комплексного сопряжения сигналов I и Q. Это не что иное, как инвертирование знака сигнала Q на временной области.

    
 
Рис. 10. Измерение во временной области колоколообразного импульса шириной 20 нс с несущей частотой 5 ГГц во 2-й полосе Найквиста. Для фильтрации основной гармоники и других паразитных составляющих в осциллографе использовался цифровой полосовой фильтр 255-го порядка шириной 350 МГц
 
На рис. 10 представлен результат измерения во временной области 2-го отображения Найквиста колоколообразного импульса шириной 20 нс, созданного с использованием комплексной модуляции с инвертированием знака сигнала Q основной полосы. Частота тактовых импульсов генератора сигналов произвольной формы составляла 3,584 ГГц, режим DDR включен, а данные сигнала базовой полосы интерполированы двукратно, что задает частоту дискретизации сигналов I и Q на 1,792 GSPS и конечную частоту дискретизации на 7,168 GSPS. Частота генератора с числовым управлением была установлена на 2,168 ГГц, что сделало 2-е отображение Найквиста центрированным на 5 ГГц. Для этого измерения не применялись никакие внешние фильтры или усилители, но для удаления основного сигнала измеренная форма сигнала была впоследствии обработана с помощью цифрового полосового КИХ-фильтра шириной 350 МГц с центром на 5 ГГц.
Амплитудные и фазовые искажения, обусловленные составной частотной характеристикой генератора сигналов произвольной формы и внешних компонентов, могут быть компенсированы применением КИХ-фильтра к сигналам I и Q в цифровой области. Плагин предварительной компенсации для серии AWG5200 автоматизирует получение частотной характеристики генератора сигналов произвольной формы вместе с любыми добавленными внешними компонентами на заданной центральной частоте и полосе пропускания, а в дальнейшем генерирует коэффициенты КИХ-фильтра. Ссылка [7] содержит более подробную информацию по этому вопросу. На рис. 11 показан результат применения фильтра предварительной компенсации к многотоновому сигналу во 2-й полосе Найквиста с центром на 5 ГГц. Этот сигнал также был создан с использованием комплексного модулятора с той же настройкой генератора сигналов произвольной формы, что и вышеупомянутый колоколообразный импульс.

    
 
Рис. 11. Измерение спектра мощности многотонового сигнала во 2-й полосе Найквиста:
а) состоящего из 361 тона с интервалом 1 МГц в пределах 4,82–5,18 ГГц без фильтрации;
б) с применением цифрового фильтра предварительной компенсации
 
Супергетеродинное «преобразование вверх» с помощью генератора с числовым управлением и внешнего смесителя

В тех случаях, когда требуемая частота слишком высока для эффективного использования полос Найквиста высокого порядка и с хорошим динамическим диапазоном, для расширения охвата выходной частоты генератора сигналов произвольной формы можно реализовать схему супергетеродинного преобразования с увеличением частоты, используя генератор с числовым управлением и внешний смеситель [8]. Супергетеродинное преобразование с увеличением частоты («преобразование вверх») выполняется в два этапа. Сначала сигнал преобразуется с повышением частоты в промежуточную частоту (IF), а после фильтрации нежелательных спектральных составляющих спектр промежуточной частоты снова преобразуется с повышением частоты в более высокую РЧ-частоту. На рис. 12 показана такая конфигурация, в которой ЦАП генератора сигналов произвольной формы, работающий с частотой дискретизации  в цифровом режиме, преобразует сигнал в полосу IF с помощью своего внутреннего цифрового комплексного модулятора и генератора с числовым управлением, за которым следует внешний смеситель, приводимый в действие фиксированной частотой гетеродина , формирующего конечный выходной спектр.
 

 
Рис. 12. Супергетеродинное «преобразование вверх» с помощью радиочастотного ЦАП с цифровым комплексным модулятором и внешним смесителем с фиксированной частотой гетеродина
 
В этой установке на выходе генератора сигналов произвольной формы требуется либо низкочастотный, либо полосовой фильтр для удаления отображений спектра сигнала перед его подачей на порт IF смесителя. В частотной области преобразователь смесителя с повышением частоты выполняет серию умножений на выходе РЧ согласно следующему выражению [9]:

   (4)

где М = 0, ±1, ±2, ±3,… и N = 0, ±1, ±2, ±3,…

Члены, соответствующие M = ±1 и N = 1 (также называемые продуктами смешения первого порядка), дают преобразованные один к одному с повышением частоты спектры сигнала IF. В этом обсуждении мы сосредоточимся только на продуктах смешения первого порядка и продукте M = 0 и N = 1, который является утечкой сигнала гетеродина, однако следует учитывать продукты более высокого порядка, если требуется широкополосное отклонение этих спектральных компонентов.
 

Рис. 13. Супергетеродинное преобразование с увеличением частоты: генерация IF, с помощью генератора с числовым управлением и генератора сигналов произвольной формы, встроенного в генератор с числовым управлением
 
На рис. 13 показан спектр IF сигнала, центрированного на частоте генератора с числовым управлением, и его отображение, центрированное на частоте . Спектр на выходе смесителя отображен на рис. 14.

 
Рис. 14. Супергетеродинное преобразование с увеличением частоты с помощью внешнего смесителя
 
Верхняя и нижняя боковые полосы частот являются двумя продуктами смешения первого порядка, и в зависимости от выбора частоты гетеродина любой из них можно выбрать в качестве конечного выходного сигнала с помощью соответствующего полосового фильтра. Следует отметить, что нижняя боковая полоса претерпевает инверсию спектра. Центральная частота выходного сигнала может быть настроена до субгигагерцевого разрешения без изменения частоты гетеродина путем изменения частоты генератора с числовым управлением.
Полоса пропускания преобразованного с увеличением частоты сигнала играет важную роль в выборе частот гетеродина и генератора с числовым управлением. Эти частоты следует планировать так, чтобы между краями полосы спектра, преобразованного с увеличением частоты сигнала, заданного выражением:

 (5)
и частотой гетеродина разнесение было достаточным для использования реальных фильтров, необходимых для адекватного ослабления утечки сигнала гетеродина.

Наличие гетеродина фиксированной частоты обеспечивает значительно более низкую стоимость генерации комплексного микроволнового сигнала по сравнению с традиционными векторными генераторами сигналов, использующими в качестве гетеродина квадратурные модуляторы и аналоговые синтезаторы. Кроме того, для генерации как I, так и Q исходных сигналов понадобится только один канал генератора сигналов произвольной формы, в то время как векторный генератор сигналов требует двух каналов AWG: один для синфазного, а другой для квадратурного сигналов. Также в отличие от векторного генератора сигналов утечка сигнала гетеродина выходит за пределы спектра основного сигнала и ее можно отфильтровать. Это становится чрезвычайно выгодным, когда для импульсных сигналов необходимо очень высокое отношение высокого и низкого состояний. Поскольку модуляция осуществляется в цифровой области, квадратурное соотношение между сигналами I и Q отлично сохраняется по всей полосе пропускания сигнала. Поэтому калибровка для коррекции дисбаланса I –Q не требуется. Искажение, обусловленное частотной характеристикой аналогового тракта, можно компенсировать, применяя предварительно компенсирующие КИХ-фильтры к сигналам I и Q в цифровой области [7].
Эту схему можно эффективно распространить на большее число каналов генератора сигналов произвольной формы с помощью совместного использования гетеродина. На рис. 15 показан такой метод «преобразования вверх» для 4-канального генератора сигналов произвольной формы, где сигнал одного гетеродина распределен на четыре смесителя с помощью делителя мощности.

 
Рис. 15. Многоканальное супергетеродинное преобразование с общим гетеродином

В зависимости от требований смесителей к мощности гетеродина, для ослабления широкополосного шума в порту гетеродина смесителей может потребоваться каскад усиления высокой мощности, за которым следует дополнительный полосовой фильтр гетеродина. Гетеродин и тактовая система генератора сигналов произвольной формы связываются через цепь фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), обеспечивающей точную частотную синхронизацию выходной несущей частоты и модулирующих исходных сигналов. Кроме того, для усиления выходного сигнала и компенсации потерь мощности, вызванных усилением при преобразовании в смесителе, и вносимыми потерями фильтров может потребоваться конечный каскад усиления.

Заключение

Принимая во внимание требуемые характеристики генерируемого сигнала (например, несущую частоту, полосу пропускания и динамический диапазон) и производительность генератора сигналов произвольной формы (например, выходной динамический диапазон и частотную характеристику), можно непосредственно генерировать РЧ-сигнал в полосах Найквиста 1-го или более высокого порядка с помощью радиочастотного ЦАП с комплексным модулятором. Это обусловливает соответствующий выбор частоты дискретизации и внешней фильтрации. Для частот за пределами охвата генератора сигналов произвольной формы или если требуется очень большой динамический диапазон, для синхронизированных многоканальных систем экономически эффективно использовать супергетеродинное преобразование с повышением частоты, применяя внешние смесители и гетеродины фиксированной частоты.
В отличие от векторного генератора сигналов сигналы, формируемые генератором сигналов произвольной формы, не проявляют дисбаланса сигналов I и Q или утечки несущей частоты, поскольку модуляция и несущие сигналы создаются в цифровой области. Это упрощает калибровку для измерения и коррекции амплитудных и фазовых искажений за счет составной частотной характеристики ЦАП и выходного аналогового тракта. Такую коррекцию можно выполнить, применив цифровой фильтр предварительной компенсации к сигналам основной полосы частот.
 
Литература

1.      Li Y. In-Phase and Quadrature Imbalance: Modeling, Estimation, and Compensation. NY, Springer, 2013.
2.      Tektronix. Baseband Response Characterization of I-Q Modulators. 2014. www.tek.com/document/application-note/baseband-response-characterization-i-q-modulators
3.      Chenakin A. Microwave Synthesizers. Modern RF and Microwave Measurement Techniques. Cambridge University Press, 2013.
4.      Kester W. A. Oversampling Interpolating DACs. Data Conversion Handbook, Burlington, MA: Elsevier. Analog Devices, 2005.
5.      Vankka O. Direct Digital Synthesizers. Digital Synthesizers and Transmitters for Software Radio. Dordrecht, Springer, 2005.
6.      Symons P. DAC dynamic specification considerations. Digital Waveform Generation. NY. Cambridge University Press, 2014.
7.      Tektronix. AWG70000 Series Precompensation Whitepaper. 2016. www.tek.com/document/whitepaper/awg70000-series-precompensation-whitepaper
8.      Gu Q. Comparison of Architectures. RF System Design of Transceivers for Wireless Communications. NY, Springer, 2005.
9.      Frequency Conversion. Practical RF System Design. NY, Wiley-IEEE Press, 2003.
   
Материалы предоставлены представительством компании Tektronix в России.
Статья размещена в 6 номере журнала «Компоненты и технологии» 2020 года.

Квадратурные демодуляторы с высокой степенью интеграции

Задаче повышения степени интеграции для уменьшения габаритов систем при сохранении уровня показателей, обеспечиваемых дискретными решениями, уделяется повышенное внимание во многих отраслях. Недавно компанией Analog Devices было разработано семейство квадратурных демодуляторов с высокой степенью интеграции, которые содержат в компактном 40-выводном корпусе LFCSP с размерами посадочного места 6×6 мм синтезатор с фазовой автоподстройкой частоты (ФАПЧ) с дробным коэффициентом деления, генератор, управляемый напряжением (ГУН), и несколько стабилизаторов с малым падением напряжения. Добиться столь малых размеров, не жертвуя электрическими характеристиками, позволяет используемая при производстве данных компонентов кремниево-германиевая (SiGe) технология BiCMOS.

Компоненты семейства ADRF680X включают в себя высококачественное ядро смесителя, которое обеспечивает превосходные показатели интермодуляционных искажений (IP3) и компрессии (P1dB) по входу, а также очень низкий шумовой порог по выходу, что позволяет добиться превосходного динамического диапазона, и ГУН с низким уровнем шума. Благодаря этим особенностям компонент обеспечивает превосходное значение модуля вектора ошибки (error vector magnitude, EVM). В совокупности три компонента, входящие в состав семейства ADRF680X, поддерживают работу с сигналами гетеродина в диапазоне частот 50–1150 МГц, что позволяет перекрыть широкий диапазон промежуточных частот, используемых в приемниках QAM/QPSK, стандартах сотовой связи, таких как W-CDMA/CDMA2000/LTE, и микроволновых линиях радиосвязи типа «точка–точка» и «точка–много точек». Компоненты семейства ADRF680X имеют множество программируемых функций, управление которыми осуществляется через порт SPI. Пользователь может управлять настройками синтезатора с ФАПЧ с дробным коэффициентом деления, делителем частоты гетеродина демодулятора, различными параметрами оптимизации и режимом пониженного энергопотребления. Также доступна возможность выбора режима работы с внешним источником сигнала гетеродина или формированием сигнала на выходе делителя частоты ГУН для внешнего использования. Компоненты семейства ADRF680X — это единственные в отрасли квадратурные демодуляторы, в которых интегрированы три функциональных блока каскадов ВЧ, за счет чего упрощается проектирование, сокращаются размеры платы и уменьшается общая стоимость компонентов (таблица).

Таблица. Характеристики квадратурных демодуляторов семейства ADRF680X

		ADRF6806	ADRF6807	ADRF6801
Дифференциальный вход сигнала ВЧ		+
Диапазон сигналов гетеродина, МГц		50–525	700–1050	750–1150
Погрешность рассогласования фаз, °		менее 0,5		0,3
Погрешность рассогласования амплитуд, дБ		менее 0,1		0,05
Формирование сигналов		В основной полосе частот или на комплексной ПЧ до 120 МГц
P1dB, дБм	Обычный режим	12,2	12,8	12,5
	Пониженное энергопотребление	10,6	11,7
IP3 по входу, дБм	Обычный режим	28,5	26,7	25
	Пониженное энергопотребление	25,2	24,0
Коэффициент шума (двухполосный), дБ	Обычный режим	12,2	13,1	14,3
	Пониженное энергопотребление	11,4	12,4
Коэффициент усиления по напряжению, дБ	Обычный режим	1,0		5,1
	Пониженное энергопотребление	4,2	4,3
Полоса выходного каскада (по уровню 3 дБ), МГц	Обычный режим	170		275
	Пониженное энергопотребление	135

Самый новый представитель семейства — ADRF6806, структурная схема которого изображена на рис. 1. Следующий представитель семейства — ADRF6807, предназначенный для более высокого диапазона частот. Еще один представитель семейства — это ADRF6801 с несимметричным 50-Ом входом, который работает с сигналами гетеродина в диапазоне частот 750–1150 МГц.

Рис. 1. Структурная схема ADRF6806

Для оценки совокупного качества демодуляторов был проведен анализ зависимости их EVM от мощности входного сигнала ВЧ. EVM — это мера, используемая для количественного описания показателей цифрового радиопередатчика или радиоприемника. У сигнала, принимаемого приемником, все точки фазового созвездия должны совпадать с идеальными положениями. Однако различные неидеальности в сигнальном тракте, например дисбаланс амплитуд, шум и фазовый дисбаланс, вызывают отклонение реальных точек созвездия от идеальных.

В общем случае EVM демодулятора, в зависимости от мощности входного сигнала, имеет три основных ограничивающих фактора. По мере увеличения мощности сигнала начинают расти составляющие искажений. При достаточно больших уровнях сигнала, когда составляющие искажений, вызванные нелинейностями в устройстве, попадают в рабочую полосу, EVM ухудшается с увеличением мощности. При умеренных уровнях сигналов, когда демодулятор работает в линейном режиме и сигнал значительно превышает шумы, EVM обычно достигает оптимального значения, которое определятся преимущественно либо погрешностью формирования квадратур и согласованием их коэффициентов усиления, либо точностью измерительного оборудования. По мере уменьшения уровня сигнала, когда основной вклад начинает вносить шум, характеристика EVM убывает линейно в децибелах. При низких уровнях сигнала, когда доминирующим ограничивающим фактором является шум, значение EVM в децибелах становится прямо пропорциональным отношению сигнал–шум.

Измерение EVM ADRF6806 производилось на оценочной плате компонента при подаче модулированного сигнала с частотой 140 МГц. По результатам тестирования ADRF6806 продемонстрировал превосходные значения EVM при различных типах модуляции. Как показывает рис. 2, ADRF6806 поддерживает EVM ниже –45 дБ в широком диапазоне мощностей входных сигналов ВЧ (примерно 35 дБ) для сигнала с модуляцией 16 QAM при частоте следования символов 5 МГц и ПЧ 5 МГц. EVM измерялся в обоих режимах питания: в нормальном (LPEN = 0) и пониженного энергопотребления (LPEN = 1). В режиме пониженного энергопотребления EVM компонента при низких уровнях входного сигнала ВЧ улучшается из-за меньшего шума. В нормальном режиме EVM сохраняет низкое значение при большем уровне входного сигнала ВЧ.

Рис. 2. Результаты тестирования для ADRF6806

Рис. 3 иллюстрирует пиковый EVM ADRF6806 при сигнале с модуляцией QAM256. Как следует из графика, результаты не ухудшаются по сравнению с приведенными выше результатами для QAM16. В данном тесте также были использованы частота следования символов 5 МГц и ПЧ 5 МГц. Как и в предыдущем случае, EVM был измерен в обоих режимах питания и составил не хуже –45 дБ в широком диапазоне мощностей входного сигнала ВЧ, равном 35 дБ.

Рис. 3. Пиковый EVM ADRF6806 при сигнале с модуляцией QAM256

Компоненты семейства ADRF680X обеспечивают беспрецедентные уровни интеграции и характеристик благодаря комбинации ядра смесителя с широким динамическим диапазоном, универсального синтезатора с ФАПЧ с дробным коэффициентом деления, ГУН с низким шумом и нескольких стабилизаторов с малым падением напряжения в одном компактном 40-выводном корпусе LFCSP с габаритами посадочного места 6×6 мм. Они обладают превосходным динамическим диапазоном и отличными показателями EVM, удовлетворяя повышенным требованиям современных приемников.

Двухрежимный повышающий преобразователь частоты ADMV4530 с генератором VCO и ФАПЧ для диапазона Ka

Компания Analog Devices выпустила в конце апреля 2020г интегральный повышающий преобразователь частоты ADMV4530 для миллиметрового диапазона lkby волн Ka (диапазон частот выше 26ГГц). Этот диапазон используется в спутниковой радиосвязи и радиолокации.

Компания Analog Devices выпустила в конце апреля  2020г интегральный  повышающий преобразователь частоты ADMV4530 для  миллиметрового диапазона lkby волн K_a (диапазон частот выше 26ГГц). Этот диапазон используется в спутниковой радиосвязи и радиолокации. В состав ИС входят дробно-N-фазовая ФАПЧ (PLL) с низким уровнем фазовых шумов, управляемый напряжением генератор частоты (VCO) и внутренний 2-кратный умножитель. В ИС генерируются все необходимые для квадратурного смесителя гетеродинные сигналы, что позволяет обойтись без внешнего синтезатора частоты. Генератор VCO использует внутреннюю автокалибровку, которая позволяет ФАПЧ выбирать необходимые настройки и производить захват сигнала за 100мкс.

 

На однополюсный опорный вход ФАПЧ поступают сигналы частотой до 500МГц , а для большей гибкости используются дополнительные делитель и умножитель. Фазо-частотный детектор (PFD) производит сравнение частот до 250МГц в целочисленном режиме и до 160МГц в N-дробном режиме. Квадратурный смеситель может работать либо напрямую в полосе сигналов до 500МГц, либо в полосе 3ГГц при работе на промежуточной частоте. Сдвиг фаз квадратурных каналов можно подстаивать для достижения наилучшего подавления боковых полос. Непосредственно за смесителем имеются усилительный каскад и регулируемый аттенюатор. На промежуточной частоте используется автоматическая регулировка усиления (АРУ), которая при необходимости может быть отключена командой по шине управления. Управление преобразователем осуществляется по 4-проводному последовательному интерфейсу SPI.

ИС  ADMV4530 выпускается в 40-выводном корпусе LGA размерами 6 х 6 мм и рассчитана на рабочий диапазон температур от −40°C до +85°C.

 

Основные характеристики преобразователя:

 

• Диапазон выходных частот от  27ГГц до  31ГГц
• Два режима преобразования частоты:
•   – квадратурное преобразование (два сигнала со сдвигом фазы)
•   – одноканальное преобразование на промежуточной частоте
• Ширина полосы 500МГц по уровню 1дБ   (квадратурный режим)
• Диапазон входных частот от 2ГГц до 3ГГц в режиме с промежуточной частотой
• Согласованные с нагрузкой 50 Ом РЧ вход и выход

• Программируемый режим с двумя квадратурами для работы в базовой полосе
• Подавление боковых полос и оптимизация несущей частоты
• Комбинированный динамический диапазон по РЧ и ПЧ составляет 70дБ
• Управляемая АРУ для режима работы на промежуточной частоте
• Интерфейс управления 3-х или 4-х проводная шина SPI

Для заказов обращайтесь в ООО «Макро Тим» по адресу  alexerk@macroteam.ru и по тел. +7 495 306-00-26 

КВАДРАТУРНЫЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ КОМПЛЕКСНЫХ ПАРАМЕТРОВ СВЧ-ДВУХПОЛЮСНИКОВ | Гимпилевич

1. Данилин А. А. Измерения в технике СВЧ. М.: Радиотехника, 2008. 182 с.

2. Гимпилевич Ю. Б. Измерение и контроль параметров микроволновых трактов / СевНТУ. Севастополь, 2009. 296 с.

3. Gimpilevich Yu. B., Noskovich V. I. Calibrated complex reflectance meter on the basis of a two-channel micro-wave transducer // Telecommunications and Radio Engineering. 2007. Vol. 66, № 4. P. 363–371. doi: 10.1615/TelecomRadEng.v66.i4.80

4. Gimpilevich Yu. B., Smailov Yu. Ya. A method for measuring of two microwave signals vector ratio // Proc. of the 5th Inter. Conf. on Antenna Theory and Techniques (ICATT), Kyiv, 2005. P. 397–398. doi: 10.1109/ICATT.2005.1496993

5. Gimpilevich Yu. B., Vertegel V. V., Noskovich V. I. Increasing operation speed during complex parameters measurements for microwave devices with the help of 12-pole reflectometer method // Radioelectronics and Communications Systems. 2007, Vol. 50, iss. 10. P. 578–581. doi: 10.3103/S0735272707100093

6. Лебедев И. В. Техника и приборы СВЧ: в 2 т. Т. 2. Электровакуумные приборы СВЧ / под ред. Н. Д. Девяткова. М.: Высш. шк., 1972. 376 с.

7. Абубакиров Б. А., Гудков К. П., Нечаев Э. В. Измерение параметров радиотехнических цепей. М.: Радио и связь, 1984. 276 с.

8. Бондаренко И. К., Дейнега Г. А., Маграчев З. В. Автоматизация измерения параметров СВЧ трактов. М.: Сов. радио, 1969. 304 с.

9. АС 1633367 СССР, МКИ 5G01R 27/06. Способ определения модуля и фазы коэффициента отражения СВЧ-двуполюсника / Ю. Б. Гимпилевич (СССР). Опубл. 07.03.91, Бюл. № 9.

10. Силаев М. А., Брянцев С. Ф. Приложение матриц и графов к анализу СВЧ устройств. М.: Сов. радио, 1970. 248 с.

11. Стариков В. Д. Методы измерения на СВЧ с применением измерительных линий. М.: Связь, 1972. 144 с.

12. Дворашкин Б. В. Основы метрологии и радиоизмерения. М.: Радио и связь, 1993. 320 с.

13. Ричард Л. Цифровая обработка сигналов. 2-е изд. / пер. с англ. М.: ООО “Бином-Пресс”, 2006. 656 с.

14. Гимпилевич Ю. Б., Зебек С. Е., Таран С. Н. Оценка систематической погрешности квадратурного метода измерения амплитудного и фазового распределений поля в СВЧ-тракте // 12-я междунар. молод. конф. “Современные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций (РТ-2016), Севастополь, 14–18 ноября 2016 г. / СевГУ. Севастополь, 2016. C. 131.

15. Analog devices. Adl5382 Data Sheet. URL: http://www.analog.com/media/en/technical-documentation /evaluation-documentation/ADL5382.pdf (дата обращения 08.02.2019)

Генератор комплексных (квадратурных) сигналов: 4 шага

Введение в носимые устройства (носимый радар, носимый гидролокатор и т. Д.) И робототехнику с генератором комплексных сигналов

Создайте свой собственный генератор комплексных сигналов и осциллограф менее чем за 10 долларов.

Преподавая в Массачусетском технологическом институте, Стэнфорде и университете Торонто, я создал ряд лабораторий, которые знакомят студентов с основами инженерии.

Нам часто нужен генератор комплексных сигналов, т.е.е. генератор сигналов, который имеет «реальные» и «мнимые» выходы, также известные как «синфазные» и «квадратурные» (сдвинутые по фазе на 90 градусов) выходы.

Мы используем его для носимых гидролокаторов и переносных радиолокационных датчиков и систем, а также для контроллеров двигателей, чтобы обучать таким принципам, как человеко-машинное обучение (ACT + LEM).

Контекст :
Для этой лабораторной работы вы создадите собственный носимый генератор комплексных сигналов и носимый осциллограф.

Вы соберете и воспользуетесь простым маленьким компьютером, который вы сможете носить или встроить в личные устройства, такие как зрительное устройство для слепых, которое вы сделаете для Лаборатории 2 (следующая инструкция).Эта система также ляжет в основу электромобиля будущих лабораторий (будущих Instructables).

Для Лаборатории 1 мы сделаем следующее:

• Носимая компьютерная система;
• Генератор комплексных сигналов;
• Многоканальный осциллограф.

Комплексные электрические сигналы:

Для того, чтобы электрический сигнал был прогрессивным (т. Е. Имел только положительные частотные составляющие), должен быть комплексный. В частности, мнимая часть сигнала равна преобразованию Гильберта его действительной части.Преобразование Фурье такого комплексного сигнала равно нулю для частотных компонентов, которые меньше нуля.

Пример такого сигнала – когда действительная часть является косинусоидальной волной, а мнимая часть – синусоидальной волной. В этом примере cos (2πf _c ) + i sin (2πf _c ) = exp (i2πf _c ), где f _c – несущая частота волны, например для радиосигнала, сигнала радара, сигнала сонара и т.п. Это также верно для вращения двигателя.Поступательный сигнал будет вращать двигатель в определенном направлении.

Условно мы говорим, что сигнал положительной частоты вращается против часовой стрелки в плоскости Аргана (диаграмма Аргана).

Мы рекомендуем студентам проиллюстрировать это, подключив генератор сигналов к шаговому двигателю (т. Е. К двухфазному двигателю), чтобы он вращался в определенном направлении. Инвертирование двух входов (т.е. роль косинуса и синуса) меняет направление двигателя на противоположное. Когда косинус и синус меняются местами:

sin (2πf _c ) + i cos (2πf _c ) = cos (2πf _c t – π / 2) – i sin (2pf _c t – π / 2) = ехр (iπ / 2) ехр (-i2πf _c t), т.е.е. поворачивая в обратном направлении.

Генератор комплексных сигналов полезен в обучении этим фундаментальным понятиям.

SHIMPO RE2B-600F Роторный генератор импульсов с двойным квадратурным выходом, 600 имп. На дюйм

Выберите CountryUnited StatesCanadaMexicoAfghanistanAlbaniaAlgeriaAmerican SamoaAndorraAngolaAnguillaAntarcticaAntigua и BarbudaArgentinaArmeniaArubaAustraliaAustriaAzerbaijanBahamasBahrainBangladeshBarbadosBelarusBelgiumBelizeBeninBermudaBhutanBoliviaBosnia и HerzegovinaBotswanaBouvet IslandBrazilBritish Индийский океан TerritoryBrunei DarussalamBulgariaBurkina FasoBurundiCambodiaCameroonCanadaCape VerdeCayman IslandsCentral африканских RepublicChadChileChinaChristmas IslandCocos (Килинг) IslandsColombiaComorosCongoCongo, Демократическая Республика TheCook IslandsCosta RicaCote D’ivoireCroatiaCubaCyprusCzech RepublicDenmarkDjiboutiDominicaDominican RepublicEcuadorEgyptEl SalvadorEquatorial GuineaEritreaEstoniaEthiopiaFalkland (Мальвинских) островах Фарерских IslandsFijiFinlandFranceFrench GuianaFrench PolynesiaFrench Южный TerritoriesGabonGambiaGeorgiaGermanyGhanaGibraltarGreeceGreenlandGrenadaGuadeloupeGuamGuatemalaGuernseyGuineaGuinea- bissauГайанаГаитиОстров Херд и Макдональд LY Престол (Ватикан) HondurasHong KongHungaryIcelandIndiaIndonesiaIran, Исламская Республика ofIraqIrelandIsle из ManIsraelItalyJamaicaJapanJerseyJordanKazakhstanKenyaKiribatiKorea, Корейская Народно-Демократическая Республика ofKorea, Республика ofKuwaitKyrgyzstanLao Народная Демократическая RepublicLatviaLebanonLesothoLiberiaLibyan Арабская JamahiriyaLiechtensteinLithuaniaLuxembourgMacaoMacedonia, бывшая югославская Республика ofMadagascarMalawiMalaysiaMaldivesMaliMaltaMarshall IslandsMartiniqueMauritaniaMauritiusMayotteMexicoMicronesia, Федеративные Штаты ofMoldova, Республика ofMonacoMongoliaMontenegroMontserratMoroccoMozambiqueMyanmarNamibiaNauruNepalNetherlandsNetherlands AntillesNew CaledoniaNew ZealandNicaraguaNigerNigeriaNiueNorfolk IslandNorthern Mariana IslandsNorwayOmanPakistanPalauPalestinian край, ОккупированнаяПанамаПапуа-Новая ГвинеяПарагвайПеруФилиппиныПиткэрнПольшаПортугалияПуэрто-РикоКатарВоссоединениеРумынияРоссийская ФедерацияРуандаСвятой ЕленыСент-Китс и НевисСент-ЛюсияСент-Пьер и МикелонСэн т Винсент и GrenadinesSamoaSan MarinoSao Томе и PrincipeSaudi ArabiaSenegalSerbiaSeychellesSierra LeoneSingaporeSlovakiaSloveniaSolomon IslandsSomaliaSouth AfricaSouth Джорджия и Южные Сандвичевы IslandsSpainSri LankaSudanSurinameSvalbard и Ян MayenSwazilandSwedenSwitzerlandSyrian Arab RepublicTaiwan, провинция ChinaTajikistanTanzania, Объединенная Республика ofThailandTimor-lesteTogoTokelauTongaTrinidad и TobagoTunisiaTurkeyTurkmenistanTurks и Кайкос IslandsTuvaluUgandaUkraineUnited арабских EmiratesUnited KingdomUnited StatesUnited Штаты Америки Внешние малые IslandsUruguayUzbekistanVanuatuVenezuelaViet NamVirgin острова , Британские Виргинские острова, U.С. Уоллис и Футуна, Западная Сахара, Йемен, Замбия, Зимбабве,

(PDF) Генератор четырехквадратурных сигналов с точной регулировкой фазы

 Journal of Electrical and Computer Engineering

T: Настройки параметров и результаты моделирования.

УСТАНОВКА ФАЗА

5: 0

________________IBIAS

(A)

(A)

p1

(A)

p2

A

A

(A)

B

(A)

pshi

(мВ)

pshi

(мВ)

Фаза

разность ∘)

 . . . . . −. . нота. .

 . .  . . . −. . -08. .

 . .  . . . −.  . . .

 . . .  . . . . . .

 . . . . .-08 −. . . .

 . . . . −. .нота . . −.

 . . . . −. . .  . −.

 . . . . −. ________________. . ________________ . −.

 . . . . −. Arch . . . – .——–

 . . . . −.ess . нота. . −.

диапазон модуляции ±. С битами сигнала фазовращения

= 6.

Конкурирующие интересы

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов

относительно публикации данной статьи.

Благодарности

Это исследование финансировалось Национальным фондом естественных наук

провинции Чжэцзян (LYF), Чжэ-

Провинция Цзян Инструменты и приоритетные предметы науки в открытый фонд

(нет.JL) и Национальный фонд естественных наук

Китая ( и ).

Список литературы

[] Y.-M. Ху, Г.-В. Ю., Ю.-Ф. Чжан, «Исследование характеристик

тиков многофазной RC-цепи для квадратурного генератора сигналов»,

Журнал радаров, том , №, стр. ‑,.

[] C.-T. Лу и Х.-Х. Се, «Маломощный квадратурный ГУН и

, его применение в системе ФАПЧ с диапазоном частот .-V .-ГГц», IEEE Transactions on

Circuits and Systems, vol., №, стр. – , .

[] X.-J. Хао, «Генератор квадратурных сигналов на базе FPGA»,

Automated Measurement & Control, vol., no., pp. –,

.

[] M.-M. Лей, Ю.-М. Ли и Ю.-Х. Sun, «A . V . мВт .GHz

делитель частоты в . m CMOS процессе», Microelectronics,

vol., no., pp.– , .

[] C. Qi, L. Wang, C.-D. Линг и X. Ян, «Проектирование квадратурного делителя частоты

на основе SCL», Микрокомпьютер и его приложения,

tions, vol., №, стр. – , .

[] X.-Z. Инь, Ю.-Ф. Ю, Ч.-Ю. Ма и др., «Проектирование квадратур : 

делитель частоты для приемников GNSS», Optics and Precision

Engineering, vol., no., pp. – р,  .

[] М. Багери, Р. Багери, Дж. Ф. Баквалтер и Л.-Э. Лар-

сын, «Расширение диапазона настройки с помощью детерминированного режима.

Выбор

в квадратурных РЧ-генераторах», Транзакции IEEE на

Теория и техника СВЧ, т. ________________, нет., стр.  – ,

.

[] Н. Ким, Дж. Юн и Ж.-С. Рие, «Генератор

, управляемый напряжением  ГГц, интегрированный с цепью делителя частоты / в технологии CMOS

 нм», Journal of Semiconductor Technology

and Science, vol., no. , стр. – , .

[] X.-Y. Гуй, З.-М. Чен, М.-М. Грин, «Анализ нелинейных искажений

в делителях частоты с синхронизацией инжекции», IEEE Transac-

tions on Microwave eory and Techniques, vol.________________, no., стр.

 – , .

Улучшенный генератор квадратурных сигналов на основе наблюдателя

1.

Golestan S, Guerrero JM, Vasquez JC (2017) Однофазные системы ФАПЧ: обзор последних достижений. IEEE Trans Power Electron 32: 9013–9030. https://doi.org/10.1109/tpel.2017.2653861

Статья Google Scholar

2.

Santos Filho RM, Seixas PF, Cortizo PC, Torres LAB, Souza AF (2008) Сравнение трех однофазных алгоритмов ФАПЧ для приложений ИБП.IEEE Trans Ind Electron 55: 2923–3293. https://doi.org/10.1109/tie.2008.924205

Статья Google Scholar

3.

Чиоботару М., Теодореску Р., Ф. Блаабьерг (2005) Улучшенные структуры ФАПЧ для однофазных сетевых инверторов. В: Материалы международной конференции PELINCEC, стр. 1–6

4.

Голестан С., Герреро Дж. М., Видал А., Йепес А. Г., Довал-Гандой Дж., Фрейедо Ф. Д. (2016) Моделирование слабых сигналов, анализ устойчивости и оптимизация конструкции однофазных ФАПЧ на основе задержки.IEEE Trans Power Electron 31: 3517–3527. https://doi.org/10.1109/tpel.2015.2462082

Статья Google Scholar

5.

Golestan S, Guerrero JM, Abusorrah A, Al-Hindawi MM, Al-Turki Y (2017) Однофазный контур фазовой автоподстройки частоты на основе адаптивного квадратурного сигнала для приложений, подключенных к сети. IEEE Trans Ind Electro 64: 2848–2854. https://doi.org/10.1109/tie.2016.2555280

Статья Google Scholar

6.

Golestan S, Monfared M, Freijedo FD, Guerrero JM (2013) Оценка динамики усовершенствованных однофазных структур ФАПЧ. IEEE Trans Ind Electron 60: 2167–2177. https://doi.org/10.1109/tie.2012.2193863

Статья Google Scholar

7.

Чиоботару М., Теодореску Р., Блаабьерг Ф. (2006) Новая однофазная структура ФАПЧ, основанная на обобщенном интеграторе второго порядка. В: Конференция специалистов силовой электроники PESC’06 37-я. IEEE, стр. 1–6.https://doi.org/10.1109/pesc.2006.1711988

8.

Xiao F, Dong L, Li L, Liao X (2017) ФАПЧ с фиксированной частотой на основе SOGI для однофазных преобразователей, подключенных к сети. IEEE Trans Power Electron 32: 1713–1719. https://doi.org/10.1109/tpel.2016.2606623

Статья Google Scholar

9.

Guan Q, Zhang Y, Kang Y, Guerrero JM (2017) Однофазный контур фазовой автоподстройки частоты на основе производных элементов. IEEE Trans Power Electron 32: 4411–4420.https://doi.org/10.1109/tpel.2016.2602229

Статья Google Scholar

10.

Чиоботару М., Теодореску Р., Агелидис В.Г. (2008) Подавление смещения для синхронизации на основе ФАПЧ в преобразователях, подключенных к сети. В кн .: Конференция и выставка «Прикладная силовая электроника» 23-й ежегодный АТЭС. IEEE, стр. 1611–1617. https://doi.org/10.1109/apec.2008.4522940

11.

Choi J-W, Kim Y-K, Kim H-G (2006) Цифровое управление ФАПЧ для однофазной фотоэлектрической системы.IEE Proc Electric Power Appl 153: 40–46. https://doi.org/10.1049/ip-epa:20045225

Статья Google Scholar

12.

Галкин И., Воробьев М. (2015) Оптимизация выборки в недорогом однофазном блоке мгновенной синхронизации сети переменного тока с дискретным вычислением производной функции. В: Общество промышленной электроники, 41-я ежегодная конференция IEEE IECON, стр. 4538–4543. https://doi.org/10.1109/iecon.2015.7392807

13.

Sumathi P, Janakiraman P (2011) Схема фазовой синхронизации, основанная на скользящем дискретном преобразовании Фурье с помощью таблицы поиска для низкочастотных мощных и акустических сигналов. IET Circuits Devices Syst 5: 494–504. https://doi.org/10.1049/iet-cds.2010.0323

Статья Google Scholar

14.

Park Y, Kim H-S, Sul S-K (2017) Частотно-адаптивный наблюдатель для извлечения связанных по переменному току сигналов для синхронизации сети. IEEE Trans Ind Appl 53: 273–282.https://doi.org/10.1109/tia.2016.2604299

Статья Google Scholar

15.

Zhang P, Fang H, Li Y, Feng C (2018) Быстрая однофазная полностью цифровая система фазовой автоподстройки частоты для синхронизации сети в условиях искаженной сети. J Power Electron 18: 1523–1535. https://doi.org/10.6113/jpe.2018.18.5.1523

Статья Google Scholar

16.

Dai Z, Zhang Z, Yang Y, Blaabjerg F, Huangfu Y, Zhang J (2018) Адаптивная система частотной автоподстройки частоты на основе фиксированной длины для однофазных систем.IEEE Trans Power Electron. https://doi.org/10.1109/tpel.2018.2871032

Статья Google Scholar

17.

Малханди А., Гхос Т. (2017) Однофазный алгоритм ФАПЧ на основе Фурье: разработка, анализ и реализация в контроллере FPGA. Int Trans Electr Energy Syst. https://doi.org/10.1002/etep.2410

Статья Google Scholar

18.

Hadjidemetriou L, Yang Y, Kyriakides E, Blaabjerg F (2017) Схема синхронизации для однофазных инверторов, подключенных к сети, при гармонических искажениях и возмущениях в сети.IEEE Trans Power Electron 32: 2784–2793. https://doi.org/10.1109/apec.2016.7468371

Статья Google Scholar

19.

Xie M, Wen H, Zhu C, Yang Y (2017) Улучшение подавления смещения постоянного тока в однофазных алгоритмах SOGI-PLL: обзор методов и экспериментальная оценка. IEEE Access 5: 12810–12819. https://doi.org/10.1109/access.2017.2719721

Статья Google Scholar

20.

Aström KJ, Murray RM (2010) Системы обратной связи: введение для ученых и инженеров. Princeton University Press

Книга Google Scholar

21.

Карими-Гартемани М., Хаджеходдин С.А., Джайн П.К., Бахшай А., Моджири М. (2012) Адресация компонента постоянного тока в алгоритмах ФАПЧ и режекторного фильтра. IEEE Trans Power Electron 27: 78–86

Статья Google Scholar

22.

Стоич Д., Георгиевич Н., Ривера М., Милич С. (2017) Новый генератор ортогональных сигналов для однофазных приложений ФАПЧ. IET Power Electron 11: 427–433. https://doi.org/10.1109/tpel.2011.2158238

Статья Google Scholar

23.

Де Брабандере К. и др. (2006) Проектирование и работа контура фазовой автоподстройки частоты с фильтром на основе оценки Калмана для однофазных приложений. В: IECON 2006–32-я ежегодная конференция по промышленной электронике IEEE, стр. 525–530.https://doi.org/10.1109/iecon.2006.348099

24.

Reza S, Ciobotaru M, Agelidis VG (2016) Точная оценка основной амплитуды и частоты напряжения однофазной сети с использованием частотно-адаптивного линейного фильтра Калмана . IEEE J Emerg Sel Top Power Electron 4: 1226–1235. https://doi.org/10.1109/jstpe.2016.2614859

Статья Google Scholar

25.

Hackl CM, Landerer M (2020) Модифицированные обобщенные интеграторы второго порядка с модифицированной схемой автоподстройки частоты для быстрой оценки гармоник искаженных однофазных сигналов.IEEE Trans Power Electron 35: 3298–3309. https://doi.org/10.1109/tpel.2019.2932790

Статья Google Scholar

26.

Hackl C, Landerer M (2020) Унифицированный метод оценки параметров общего сигнала в однофазных сетях с произвольными искажениями со смещением постоянного тока. IEEE Open J Ind Electron Soc 1: 1. https://doi.org/10.1109/ojies.2020.3017379

Статья Google Scholar

Генератор фазового сдвига и квадратурного сигнала для l…

Hi,

Это демонстрационный проект, демонстрирующий генерацию квадратурного сигнала из внешних тактовых импульсов (произвольной частоты). Второй демонстрационный проект демонстрирует генерацию сдвинутого по фазе выходного сигнала для произвольной фазы. Такие потребности часто возникают при синхронной демодуляции сигнала, когда опорный тактовый сигнал поступает от внешнего источника (генератора сигналов), а смещенный по фазе (или квадратурный) сигнал должен быть синтезирован внутренне из этого тактового сигнала.

Проект нацелен на высокочастотный диапазон (~ 100 кГц), где достижение качественного поворота фазы без фазового дрожания становится проблематичным. Этот джиттер возникает из-за неопределенности 1 BUS_CLK при дискретизации внешнего сигнала.

В проекте используется цифровой счетчик для измерения периода входных синхроимпульсов и создания его сдвинутой по фазе (квадратурной) копии. Чтобы добиться низкого фазового шума (джиттер / период составляет ~ 0,1% или лучше), PSoC должен работать на максимально возможной частоте (80 МГц).К сожалению, стандартный компонент счетчика (v3.0) ограничен примерно 63 МГц и может считать с максимальной частотой дискретизации BUS_CLK / 4, что дает фазовый шум около 0,6%: джиттер / период = 4 x 100 кГц / 65 МГц = 0,6 %.

Для повышения точности стандартный компонент счетчика (v3.0) был изменен для работы на полной скорости 80 МГц. Обновленный пользовательский компонент (Counter_ex) может работать в 8/16/24 и 32-битном режимах, считая на полной скорости шины (80 МГц) с низким фазовым шумом: 100 кГц / 80 МГц = 0.125%. Фазовый шум падает еще больше при более низких входных частотах.

Прилагаются два демонстрационных проекта и библиотека компонентов Counter_ex, показывающая:

(a) генерация квадратурного сигнала при качании частоты входного сигнала;

(b) изменение фазы выходного сигнала при фиксированной частоте входного сигнала.

Дополнительную библиотеку компонентов DDS32 можно найти здесь:

Re: DDS24: 24-битный компонент генератора произвольной частоты DDS

Дополнительный компонент библиотеки аннотаций можно найти здесь:

Библиотека аннотаций PSoC v1.0

YouTube video:

Квадратурный генератор и фазовращатель с использованием PSoC5 – YouTube

/ odissey1

Рис. 1. Внешний сигнал (Pin_12) фиксируется счетчиком. Вывод копии со сдвигом по фазе находится на Pin_122.

Рисунок 2. Желтый график – входной сигнал (100 кГц), голубой – квадратурный выход. Фуксия – счетчик «tc», синий – «comp».

Рисунок 3. Схема подключения КИТ-059.

Заметки строителей ансамбля RX

Введение в квадратурный тактовый генератор

Общий

Этот каскад делит выходной сигнал гетеродина на 4 и сдвигает фазу сигналов деления таким образом, что теперь они составляют одну четвертую частоты гетеродина и разделены по фазе на 90 градусов (т.е., в квадратуре). Оба сигнала идентичны во всех отношениях, кроме фазы. Они будут использоваться для синхронизации переключателя, используемого в каскаде квадратурного дискретного детектора (QSD).

(перейти непосредственно к построению заметок) Схема квадратурного тактового генератора

(Контрольные точки резистора (шпилька, верхний или левый вывод), физически установленные на плате, отмечены на схеме красными точками)

(Щелкните, чтобы увидеть полную схему)

(на схеме выше есть интерактивные области, которые можно использовать для навигации)

(перейти непосредственно к построению заметок)

Квадратурный тактовый генератор Спецификация

Этап ведомости материалов

(изображения резисторов и цветовые коды предоставлены WIlfried, программой DL5SWB R-Color Code)

Проверка	Счетчик	Компонент	Маркировка	Категория
❏	2	10 k 1 / 6W 5%	brn-blk-ora-gld	1 / 6W
❏	1	0.1 мкФ	(smt) черная полоса	SMT 1206
❏	1	74AC74 Dual D FF	74AC74	СОИК-14

Сводка по квадратурному тактовому генератору

Примечания к сборке

• Установить резисторы делителя напряжения
• Установите ИС и конденсатор SMT
• Испытайте сцену

Подробное описание сборки квадратурного тактового генератора

Нижняя часть платы

Установите ИС и конденсатор SMT

Проверка	Обозначение	Компонент	Маркировка	Категория	Ориентация	Примечания
❏	U06	74AC74 Dual D F3 744574	SOIC-14
❏	C36	0.1 мкФ	(smt) черная полоса	SMT 1206	желтые колодки

Верх платы

Установите резисторы делителя напряжения

Обратите особое внимание на ориентацию (S-N и N-S, соответственно) R10 и R11. Некоторые строители по неосторожности установили их с горизонтальной ориентацией, а не с вертикальной ориентацией.

Чек	Обозначение	Компонент	Маркировка	Категория	Ориентация	Примечания
❏	R10	10 k 1 / 6Wld3 oran-90k45 гл.	1 / 6W	S-N
❏	R11	10 k 1 / 6W 5%	brn-blk-ora-gld	1/6 Вт	Н-С

Завершенный этап квадратурного тактового генератора

Верх платы

Нижняя часть платы

Тестирование квадратурного тактового генератора

Потребляемый ток

Тестовая установка

Подключив кабель USB и кабель питания, измерьте ток, потребляемый положительным проводом питания.

Измерьте потребляемый ток, используя только источник питания 12 В.

Контрольные измерения

Testpoint	Единицы	Номинальное значение	Авторское	Твое
Потребляемый ток С USB	мА		9,8	____3		USB			USB			USB		13,7	_______

Делитель испытательного напряжения

Испытательная установка

При выполнении следующих тестов вы должны приложить [pwer к плате И подключить USB-кабель.В противном случае результаты не будут такими, как ожидалось.

Подключите USB и включите плату.

Измерьте напряжение на шпильке R11; вы должны увидеть 50% напряжения шины% v.

Контрольные измерения

Testpoint	Единицы	Номинальное значение	Авторская	Ваша
Шпилька R11 (обычная земля WRT)	В пост. Напряжение на выводах делителя Испытательная установка Питание USB и 12В.Затем измерьте напряжения на контактах (и отдельно на контактных площадках) U6 (74AC74). См. Цветовую кодировку на графике для определения напряжений. Контакты 3 и 11 не будут показывать точно 2,5 В постоянного тока, потому что они имеют дополнительную переменную составляющую сигнала гетеродина от C3. Контрольные измерения 9045 9045 9045 9045 9045 9045 9045 Vdc.5 9045 Контакт 9 9045 9045 9045 9045 9045 9045 9045 9045 9045 9045 14 Testpoint Единицы Номинальное значение Авторское Ваше Контакт 1 Vdc 5 4.92 _______ Контакт 2 Vdc 2,5 2,45 _______ Pin 3 Vdc 2 to 3 5 4,92 _______ Штырь 5 Vdc 2,5 2,45 _______ Штифт 6 90d454 Vdc 6 90d454 2.45 _______ Контакт 7 Vdc 0 (GND) 0 _______ Pin 8 V3_40 Vdc 2,5 2,45 _______ Pin 10 Vdc 5 4,92 _______ 2,46 _______ Штифт 12 Vdc 2 – 3 2,45 _______ Штифт 13 V3_4 Vdc 5 4,92 _______ Формы сигналов, генерируемых квадратурным кольцом Испытательная установка Настройте вашу доску на колебания на выбранной центральной частоте, например.г., 7.100 МГц. Если у вас есть двойной осциллограф, проверьте две контрольные точки «QSD CLK (n)», и вы должны получить форму волны, аналогичную показанной здесь. Ваш пробег может варьироваться в зависимости от выбранной желаемой центральной частоты и качества вашего прицела (у некоторых осциллографов, как правило, есть проблемы с этими прямоугольными волнами – тем не менее, осциллограф должен показывать две формы волны в квадратуре на желаемой центральной частоте). Каков ваш IQ – о квадратурных сигналах… Квадратурные сигналы, также называемые сигналами IQ, данными IQ или выборками IQ, часто используются в ВЧ приложениях.Они составляют основу комплексной модуляции и демодуляции радиочастотных сигналов, как аппаратных, так и программных, а также при комплексном анализе сигналов. В этом посте рассматривается концепция сигналов IQ и их использование. Считается, что пара периодических сигналов находится в «квадратуре», если они различаются по фазе на 90 градусов. «Синфазный» или опорный сигнал обозначается как «I», а сигнал, сдвинутый на 90 градусов (сигнал в квадратуре), называется «Q». Что это значит и почему нас это волнует? Давайте разберемся, начав с некоторых основ. Основы радиочастотной модуляции Я начну с обзора простой радиочастотной модуляции. Немодулированная РЧ несущая – это просто синусоида, как показано ниже. Сигнал можно описать как функцию времени с помощью следующего уравнения: В (t) = A * sin (2 * π * f * t + Ф) где : A: пиковая амплитуда f: частота т: время Ф: фазовый сдвиг Информация «переносится» РЧ-носителем в процессе модуляции.Информационный сигнал (голос, данные и т. Д.) Используется для изменения свойств радиочастотного сигнала (см. Также: генераторы радиочастотных сигналов). Простым примером является амплитудная модуляция или AM. Для AM информационный сигнал используется для изменения или модуляции амплитуды несущей. Математически это можно представить, изменив константу «A» в предыдущем уравнении на некоторый изменяющийся во времени сигнал (информационный сигнал): В (t) = A (t) * sin (2 * π * f * t + Ф) Информационный сигнал, также известный как сигнал основной полосы частот, изменяется со временем намного медленнее, чем радиочастотный сигнал.Следовательно, чтобы увидеть эффект модуляции, вам необходимо наблюдать огибающую радиочастотного сигнала в более длительном временном масштабе, как показано ниже. В этом случае сигнал A (t) является синусоидой. На рисунке показано, как амплитуда радиочастотного сигнала следует за синусоидальным сигналом основной полосы частот A (t). Вы можете расширить это, признав, что другие свойства РЧ несущей могут быть изменены или модулированы сигналом основной полосы частот в зависимости от времени. Если частота модулируется сигналом основной полосы частот, у вас есть частотная модуляция (FM).Точно так же, если фаза модулируется, у вас есть фазовая модуляция (PM). Таким образом: A (t) – это когда амплитуда изменяется во времени f (t) – это когда частота изменяется в зависимости от времени Ф (t) – это изменение фазы во времени. Помните об основной концепции модуляции, поскольку мы связываем концепцию квадратурных сигналов… Квадратурные концепции сигналов Если разность фаз Ф между двумя синусоидами составляет 90 градусов (или π / 2 радиан), то говорят, что эти два сигнала находятся в квадратуре.Примером этого является синусоидальная и косинусоидальная волна. По соглашению косинусоидальная волна является синфазной составляющей, а синусоидальная волна – квадратурной составляющей. Заглавная буква I представляет амплитуду синфазного сигнала, а заглавная буква Q представляет амплитуду квадратурного сигнала. Использование квадратурных сигналов для модуляции Интересные вещи происходят, когда вы смотрите на сложение квадратурных сигналов вместе. Если I = 1 и Q = 0, то у вас будет просто косинусная волна (фаза равна 0).Точно так же, если I = 0 и Q = 1, у вас будет синусоида, которая представляет собой сигнал, смещенный на 90 градусов. Если и I, и Q были равны 1, тогда сумма будет новым сигналом, который показан графически ниже. Обратите внимание, что сложение этих двух квадратурных сигналов равной амплитуды вместе приводит к новой синусоиде, сдвинутой по фазе на 45 градусов. Теперь вы можете видеть, что амплитуда и фаза суммы квадратурных сигналов являются функцией значений I и Q.Следовательно, вы можете создавать модулированные радиочастотные сигналы, изменяя значения I и Q в зависимости от времени. Давайте посмотрим на несколько примеров. Примеры цифровой радиочастотной модуляции Если Q = 0, а I изменяется от +1 до -1 с течением времени, вы создаете РЧ-сигнал с двоичной фазовой манипуляцией (BPSK): Сигнал I (t) может быть простым цифровым битовым потоком. Если у вас есть этот сигнал, управляющий усилением синусоиды RF между +1 и -1, вы создали сигнал BPSK. Сделаем еще один шаг вперед… Если два цифровых бита используются для управления значениями I и Q от +1 до -1 с течением времени, то результирующая сумма квадратурных сигналов может быть одной из четырех отдельных фаз: I = + 1 & Q = + 1 приводит к фазе 45 градусов I = -1 & Q = + 1 приводит к фазе 135 градусов I = -1 и Q = -1 приводит к фазе 225 градусов I = + 1 & Q = -1 приводит к фазе 315 градусов Это известно как модуляция квадратурной фазовой манипуляции (QPSK).Это два примера квадратурной амплитудной модуляции (QAM). Различные состояния модуляции для QAM часто показаны на диаграмме созвездия. Диаграмма созвездия – это просто векторная диаграмма, которая отображает амплитуду и фазу сигнала в виде полярного графика. Длина вектора от начала координат представляет собой величину сигнала, а угол, который вектор образует с горизонтальной осью, представляет фазу. Четыре «состояния» для сигнала QPSK, описанные выше, показаны на диаграмме как четыре символа « + ».Вы также заметите, что горизонтальная ось обозначена буквой «I», а вертикальная ось – буквой «Q», потому что они представляют значения компонентов I и Q, связанных с сигналом. Более сложные модуляции QAM, такие как 16QAM, просто имеют больше состояний. Для 16QAM каждое из значений I и Q может иметь одно из четырех дискретных значений, что дает 16 возможных комбинаций. В результате получается 16 комбинаций амплитуды и фазы радиочастотного сигнала. Квадратурные сигналы везде Использование сигналов I и Q, которые меняются во времени для создания модулированных радиочастотных сигналов, не ограничивается цифровыми сигналами основной полосы частот.Сигналы основной полосы частот I (t) и Q (t) также могут быть аналоговыми сигналами основной полосы частот. Фактически, в большинстве РЧ-приложений с «цифровой» модуляцией, таких как QPSK или nQAM, сигналы основной полосы частот фильтруются для замедления переходов. Это сделано, чтобы ограничить результирующую полосу пропускания модулированного радиосигнала (быстрое цифровое время нарастания / спада занимает большую полосу пропускания!). Эти отфильтрованные цифровые сигналы фактически являются аналоговыми сигналами! Итак, в более общем смысле процесс квадратурной модуляции можно проиллюстрировать, как показано на этом рисунке: Общий вывод, который вы можете сделать из этого, заключается в том, что радиочастотный сигнал с любым типом модуляции может быть создан с соответствующими сигналами основной полосы частот I (t) и Q (t) (которые, в свою очередь, изменяют амплитуды косинусных и синусоидальных волн, которые суммируются). Конечно, тот же процесс работает в обратном порядке для демодуляции радиочастотного сигнала. Путем смешивания радиочастотного сигнала с сигналами гетеродина (гетеродина) в квадратуре могут быть созданы сигналы основной полосы частот I (t) и Q (t). Это фундаментальная основа для большинства современных генераторов и модуляции радиочастотных сигналов, а также для демодуляции и векторного анализа сигналов. Системы Software Defined Radio (SDR) широко используют эти концепции, потому что I и Q сигналы основной полосы частот часто представлены как дискретные данные с временной дискретизацией.Следовательно, цифровая обработка сигналов (DSP) может использоваться для буквального определения характеристик передатчика и приемника, включая фильтрацию, модуляцию и демодуляцию, АРУ и т. Д. Приемники SDR часто имеют полосу пропускания основной полосы частот в несколько сотен кГц или более, что дает возможность выполнять широкий спектр функций, включая функции «широкого» диапазона и спектрограммы, а также возможность одновременного мониторинга и демодуляции нескольких сигналов разных типов одновременно. Генераторы векторных сигналов оснащены квадратурным модулятором, который принимает сигналы I (t) и Q (t), которые затем используются для амплитудной модуляции пары квадратурных синусоид, которые затем суммируются для создания модулированного выходного радиочастотного сигнала.Многие векторные генераторы сигналов обычно включают в себя панельные гнезда, к которым вы можете подключать свои собственные IQ-сигналы. Многие из них включают в себя внутренний генератор сигналов произвольной формы (AWG) основной полосы частот для создания сигналов IQ основной полосы частот. Современные векторные анализаторы сигналов обычно имеют полосу пропускания 25, 40, 110 МГц или более. Они преобразуют входящие радиочастотные сигналы в свои I- и Q-компоненты. Весь анализ (спектральный анализ в зависимости от времени, демодуляция, импульсный анализ и т. Д.) – это просто другая математическая обработка одних и тех же данных IQ.Анализаторы сигналов в реальном времени, такие как серии Tektronix RSA5000 и RSA6000, имеют дополнительную возможность принимать «живые» потоки данных IQ и выполнять обработку данных в реальном времени. Больше новостей Добавить комментарий Отменить ответ Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены * Комментарий * Имя * Email * Сайт