8. Vybrané přístroje pro laboratorní měřicí systémy Část b) Generátory
Generátory měřicích signálů Analogové signály (ale vnitřní obvody generátoru analog. i dig.): • NF Sinusové a NF Funkční • NF generátory progr. průběhu (Arbitrary) • S nízkým zkreslením (low THD) • Vysokofrekvenční Digitální (logické) (buzení sběrnic apod.): • Pulsní (viz též TDR aplikace) • Pattern generator (data generator) – paralelní bitové výstupy: 4, 8, 16, …, 96 výstupů Základní typy: přednášky A3B38SME
Typické použití generátorů: • Verifikace – ověření, že stimulovaný obvod správně reaguje na předložené vstupy, včetně vložených poruch (často komplexní signály – např. u nových komunikačních standardů). Měření v basebandu nebo i v RF („na anténě“) • Charakterizace – proměření odezvy obvodu: linearita, monotonicita, zkreslení, … • Stress testy – např. ověřování reakce komunikačních obvodů sériových dat na jitter, narušení pravidel „správného“ signálu, atd…
Nízkofrekvenční generátory (sin)
Opakování: A3B38SME Senzory a měření
Ideální představa generátoru Rvýst = 50Ω
VS
VO
Rzát
VO = VS pokud Rzát >> 50Ω VO = ½ VS pokud Rzát = 50Ω (obvykle již zohledněno v zobrazení na displeji – nastavení OutImp = HiZ / 50Ω)
Nedokonalosti a specifikace A [V]
Ideální čistá sinusovka
f [Hz] A [V]
Chyba amplitudy
f [Hz] Chyba frekvence
Nedokonalosti a specifikace A [V]
Vyšší harmonické složky (násobky f1), viz THD dále f1
A [V]
2f1
3f1
f [Hz]
Spurious (nekoherentní, neharmonické) složky (jiné než násobky f1)
Původ spurious: např. vnitřní obvody a způsob generování, přeslech nebo modulace napájecího kmitočtu, …
f [Hz]
Nedokonalosti a specifikace A [V]
Nedokonalá stabilita frekvence => blízká postranní pásma
f [Hz]
Ve specifikaci generátoru se uvádí jako • Reziduální FM modulace nebo • Fázový šum
Specifikace generátorů • dBc – decibely oproti nosné (carrier): např. odstup harmonických složek min. –75 dBc • dBm – decibely oproti 1 mW (obvykle s udáním impedance): např. výstupní výkon až 10dBm (50Ω) X dB = 10 log10 (x/ref.) pro výkony, po přepočtu (P = U2 / R => kvadrát U odpovídá 2x log10) X dB = 20 log10 (x/ref.) pro napětí
Modulace – obvyklé pojmy •
BB, Baseband – základní pásmo: typ. DC-100 kHz nebo méně A [V]
f [Hz]
•
IF, Intermediate f. – mezifrekvenční pásmo: typ. 100 kHz - 10 MHz
A [V]
f [Hz]
•
RF, Radiofreq (+ microwave) – rádiové kmitočty: GHz
A [V]
f [Hz]
Použití v komunikaci Vysílač:
RF (výkon.) BB
Zdroj signálu (audio, video, data, …)
Přijímač:
IF
RF
Modulátor (IF), často vícestupňový
Upconverter
RF zesilovač
(RF modulátor)
(+ vysílač)
LO (MHz)
LO (GHz)
RF (utlumený) RF RF předzesilovač (+ filtr)
BB
IF Downconverter (RF demodulátor)
LO (GHz)
Demodulátor (IF), často vícestupňový
LO (MHz)
Vyhodnocení signálu (audio, video, data, …)
Modulace AM: Obálka = informace (200 Hz) Zde 80% modulace Nosná (5kHz) 100% modulace = variace amplitudy 0-max. A [V]
A [V]
f [Hz] BW
Šířka pásma po modulaci je 2x BW
Carrier nosná
Postranní pásma (symetricky kolem fc)
fc
f [Hz]
Modulace FM: Informace = zde lineární rampa 1 Hz Zde: lineární přeladění (sweep) 50 Hz až 5 kHz za 1 s 100% modulace = variace frekvence o max. deviaci (max. frekvenční zdvih) Carrier nosná A [V]
A [V]
Postranní pásma (symetricky kolem fc)
f [Hz] BW
deviace
fc
Šířka pásma po modulaci je typicky mnohem širší než 2x BW a je 2x(deviace + BW). Frekv. zdvih je často mnohonásobek základní šířky pásma. Pozn: u FM rádia se používá složitější schema modulace pásem
f [Hz]
Modulace FSK, frequency shift keying: - speciální případ FM modulace binárním signálem
0
1
0
1
Sweep: - speciální případ FM modulace - lineární rampou (tj. v čase: 10, 20, 30, 40, 50 … Hz) nebo - exponenciální rampou (10, 100, 1000, 10 000, 100 000 Hz) Používá se např. při proměřování odezvy filtrů apod.
Modulace SSB A [V]
A [V]
f [Hz]
Carrier nosná
Postranní pásma (symetricky kolem fc)
fc
BW
f [Hz]
Často modulace s potlačenou nosnou a/nebo jedním postranním pásmem A [V]
A [V]
f [Hz] BW
fc
SSB – single side band / SSB-SC – suppressed carrier: obvykle se ponechává horní pásmo
f [Hz]
Modulace SSB Může být problém, pokud BB sahá až dolů k DC (0Hz)
Zádrž nosné a spodního pásma A [V]
Carrier nosná
A [V]
f [Hz]
fc
Obtížné potlačit nosnou a spodní postranní pásmo bez narušení části horního pásma => odstranění problému doplňkovou předmodulací do IF (posunutí nad DC)
f [Hz]
tzv. Scan modulace Speciální PAM, pulse amplitude modulation – simulace signálu pulsního radaru pro testování přijímačů Sled impulsů s proměnnou amplitudou – přeběh hlavního (a postranních) laloků rotující antény přes sledovaný cíl
Obr.: Agilent (Product Note 8360-3)
IQ modulace I (in phase) x Q (quadrature) – myšleno relativně k nosné z LO LO
LO
Dnes (ve spojení s modulacemi jako OFDM) základ téměř všech digitálních komunikačních systémů (WiFi, WiMax, LTE, UWB, DVB-T, DVB-C, …)
IQ modulace – constellation diagram
Obvykle (ne výhradně) čtvercové schema Obvykle 1 symbol (z 2N) = N bitů (tj. 4QAM, 16QAM, …, 256QAM) Vyšší modulace = rychlejší přenos dat x menší rozestup symbolů (horší odolnost proti šumu při stejném vyzářeném výkonu) Obr.: Agilent Tech. White Paper - publ. 5991-1100EN
Použití IQ modulace v komunikaci
Obr.: Agilent Tech. White Paper - publ. 5991-1100EN
IQ – RF spektrum (potlačení nosné-LO a spodního pásma)
Obr.: Tektronix – App. Note: Characterization of IQ Modulators
NF generátory funkcí
Často omezená spektrální čistota kvůli nedokonalosti tvarovače (THD) Opakování: A3B38SME Senzory a měření
Přechod k AFG/AWG Dnes kromě nejlevnějších generátorů téměř pro všechny aplikace přechod k: • AFG – arbitrary function generator (typicky DDS) (sine, square/rect., triangle, saw, sweep, AM, FM, …, + často user) + levnější, + stabilní frekvence, + rychlá a hladká změna f, +rychlá změna tvaru vlny
• AWG – arbitrary waveform generator (trueArb) (+ univerzálnější, + mnohem širší možnosti, + nezbytné pro komplexní testy -dražší, -složitá změna f, -složitá definice signálu = nutný SW editor (Matlab nebo custom SW výrobce AWG))
Moderní AFG/AWG zvládají BB, IF a částečně dokonce i RF
Základní principy digitální syntézy
1. Spektrum vzorkovaného signálu je PERIODICKÉ
2. V realitě je výstupem DAC signál schodový
3. Spektrum musí být omezeno rekonstrukčním (anti-alias) filtrem.
(+ symetrické kolem Fs)
= tzv. 0th - order hold
Teoreticky (Nyquist) je třeba potlačit vše nad Fs/2
Spektrum je omezeno funkcí sinc (tj. sin(x)/x ) Obr.: Agilent
Fourier transform
(The ABC of Arbitrary Waveform Generation) t
Prakticky (konečný roll-off filtru) je pásmo LP filtru asi 40% Fs (1 GSa/s => 400 MHz pásmo)
f
Nedokonalosti digitální syntézy Vytvářený signál (sinus)
SFDR = spurious free dynamic range, rozsah oproštěný od vlivu spurious složek
Obr.: Agilent (The ABC of Arbitrary Waveform Generation)
Spurs = spurious složky (mimo násobky fsig)
Harmonics: vyšší harmonické složky (násobky fsig)
Obrazy (tj. aliasované signály), potlačené výstupním LP filtrem
Clock feed-trhu: průnik hodinového signálu Noise floor: práh šumu, daný ostatní elektronikou. Mez smysluplného potlačení rušení
Nedokonalosti digitální syntézy • Vertikální rozlišení – ENOB = efektivní počet bitů DAC • Zhruba: +1bit rozlišení = +6dB dynamického rozsahu 12bit ~ 74 dB 13bit ~ 80 dB 14bit ~ 86 dB 15bit ~ 92 dB (nereálné)
ALE: v realitě bude ENOB nižší než nominální rozlišení o 2-4 bity (přítomnost spurious a dalších složek, v limitu: noise floor)
Poznámka - varianty oscilátoru (hodin): TCXO — Temperature-compensated crystal oscillator OCXO — Oven-controlled crystal oscillator (= termostatovaný krystal) GPSDO — Global positioning system disciplined oscillator (= navázaný na GMT)
DDS a další metody •
DDS: + přesnost f (krystal) - Rychlost určuje fázový inkrement ve střadači fáze - Podle kombinace počtu vzorků v paměti a požadované f => vynechávání (vysoké f) /opakování (nízké f) některých vzorků - fázový šum (jitter) a/nebo nepredikovatelné mizení částí průběhu
-
PPC (point per clock): + vždy se čte celá paměť (fázový inkrement je vždy = 1) - změna f => nutná změna hodinového taktu (složité) - Složitá filtrace rekonstrukčním filtrem na výstupu, drahé
-
PxP (point by point) / Trueform (Agilent) + nevynechává vzorky, low jitter + levnější (jako DDS): virtual variable clock, advanced filtering
Přímá digitální syntéza (fun/arb) DDS – Direct Digital Synthesis paměť a) b) a)
b)
Obr.: Tektronix App. Note: XYZ of Signal Generators
V paměti je uložen průběh např. sinusovky s pevným počtem bodů, hodinový signál je fixní (např. 10MHz) Fázový registr určuje aktuální fázi (0-360°) a odpovídající adresu v paměti průběhu Fáze se pokaždé zvyšuje o fázový inkrement (Delta Phase): čím menší inkrement, tím pomaleji se prochází cyklem průběhu v paměti => nižší výstupní frekvence. Čím vyšší inkrement, tím vyšší frekvence Změna frekvence je triviální = jeden zápis do registru inkrementu, navíc fáze je spojitá i po změně DAC běží fixní (maximální) rychlostí, výstupní rekonstrukční LP filtr potlačuje vyšší složky (aliasy) Často lze v paměti uložit i uživatelské průběhy (částečná Arbitrary funkčnost)
Nevýhody DDS Které konkrétní body z paměti se čtou, záleží na inkrementu. Je obtížné predikovat, které body budou použity v DAC. Inkrement (PIR neboli Delta Phase) může být velmi malý – pak se několikrát použije stejná adresa (stejný bod průběhu) Je-li inkrement velký, některé body se přeskakují – navíc v následujících cyklech se mohou použít jiné body než v předchozím. To může vadit, je-li třeba konzistentně generovat drobné poruchy v signálu (reprezentované málo body v paměti) Principiálním důsledkem DDS technologie je třas fáze signálu (jitter) – několik následujících realizací průběhu může mít pokaždé jinou fázi Phase truncation harmonics – chyba zavlečená přeskakováním vzorků: PTH = -20.log10 (Npts) dBc (čím delší vlna, tj. počet bodů v paměti Npts tím menší zkreslení) Problémy lze odstranit použitím trueArb generátoru (- ale mnohem dražší) nebo pokročilou technologií předzpracování signálu jako Trueform (Agilent)
Příklad DDS AFG generátoru Agilent 33120a Technologie ~ 1995 15 MHz (sine), 40 MSa/s (fixed), 12bit x 16 000 points Vnitřní rozlišení PIR 48bitů => vnitřní krok frekvence = Fclk/248 = 142nHz Vertikální rozlišení 12bit => 74dBc ~ noise floor
Výstupní filtr: Pro sinus: eliptický filtr 17MHz 9.řádu jinak: Besselův filtr 10MHz 10.řádu (pomalejší roll-off, ale lineární fáze pro zachování tvaru)
Obr.: Agilent
Příklad DDS AFG generátoru Agilent 33120a Možnosti modulace: AM, FM, FSK, Sweep, Burst Interní (zabudovaným průběhem) nebo uživatelským (import po GPIB nebo RS232) Pro modulaci se používá sekundární, méně výkonný zabudovaný AWG 2048-4096 pts, 8-bit, variable point clock (nikoliv DDS) Změna nastavení (i fMOD) znamená přepočítání uložené vlny (nová interpolace) AM:
Variable point clock
FM: Modulation data
Modulation Analog multiplier
Carrier data (nosná)
Hlavní DDS (nosná) Obr.: Agilent
DSP obvody (součást DDS)
Příklad DDS AFG generátoru Agilent 33120a Specifikace (výtah): Sinus 100 uHz – 15 MHz (resolution 10uHz) Ramp 100 uHz – 100 kHz Arb: 8 - 8 192 pts:
100 uHz – 5 MHz
12 288 - 16 000 pts: 100 uHz – 200 kHz
Obr.: Agilent Squarewave (obdélník): Rise/fall time: < 20ns Overshoot: < 4%
Sinusová spektrální čistota:
Duty cycle: 20-80%
Harmonics: DC-20kHz: -70dBc 20 kHz - 100 kHz: -60dBc 100 kHz - 1 MHz: -45dBc 1 MHz - 15 MHz: -35dBc THD (DC-20kHz): < 0.04% Spurious: (DC to 1 MHz): < -65dBc (> 1 MHz): < -65 dBc + 6 dB/octave Fázový šum: < -55 dBc v pásmu 30 kHz
Výstup: 50 mVpp – 10 Vpp Přesnost (1kHz): +/- 1% Flatness (rovnoměrnost amplitudy): < 100 kHz: 1% (0.1 dB) 100 kHz to 1 MHz: 1.5% (0.15 dB) 1 MHz to 15 MHz: 2% (0.2 dB) pro Ampl >3Vrms
TrueArb AWG Proměnná hodinová frekvence (ne DDS) Složitější obvody a výstupní filtrace Nutno pečlivě plánovat průběhy (obvykle import ze SW editoru průběhů) + umožňuje maximální variabilitu Sekvencér umožňuje statické i dynamické řazení segmentů průběhu (nutnost pro komplexní testy zařízení)
Pro IQ-modulaci: Obr.: Agilent (The ABC of Arbitrary Waveform Generation)
Sekvenování Dlouhá paměť vzorků umožňuje realizovat rychlé vzorkování (a tudíž detaily průběhu) a zároveň dlouhé průběhy s variacemi signálu (vf + nf) Pro testování složitých systémů je třeba velmi dlouhých průběhů – nepraktické (a někdy nemožné) definovat dostatečně dlouhý průběh (rychlé změny a dlouhá opakovací frekvence) Používání sekvencí s operacemi: smyček, skoků, počitadel průchodů, vyhodnocení externích událostí (podobně jako v počítačovém programu). Paměť sekvencí odlišná od paměti vzorků. Možno vytvořit sekvence s mnohokrát opakovanými částmi průběhu a několika atypickými segmenty (např. řídce se vyskytující chyby v mnoha normálních datech)
Obr.: Tektronix – App. Note: XYZ of Signal Generators
Příklad AWG Agilent 81180B Technologie ~ 2013 2GHz IQ modulation BW, nebo přímo RF 1.5 GHz 10 MSa/s – 4.6 GSa/s, 12bit x 16 Mpoints (až 64 Mpts) 2 diferenční kanály (lze i jako 4 kanály) Externí hodiny: 10 MHz nebo 100 MHz Až 16 000 průběhů (také zabudované standardní průběhy) Sekvenční tabulka: až 49 tis. kroků Smyčky: až 16 M segmentů, až 1 M sekvencí
Obr.: Agilent
AWG - sekvence Agilent 81180B
Obr.: Agilent
Příklad Trueform AFG/AWG Agilent 33500B Technologie ~ 2012 (vylepšená DDS) 30 MHz BW 1 uSa/s - 250 MSa/s , 16bit x 1 Mpoints (až 16Mpts) 1-2 kanály Vybrané modely umí Arb 512 kroků sekvencí PRBS (pseudorandom bit sequence PN7 - PN23) IQ výstupy
Obr.: Agilent
Technologie Trueform (Agilent) + Zachovává jádro DDS (se všemi výhodami) Ale: mezi pamětí a DAC běží v DSP několikanásobnou rychlostí interpolátor (oversampling + LP + decimace) ⇒ Pokud žádaná hodnota fáze padne „mezi vzorky“ v paměti, použije se interpolovaná hodnota ⇒ U DDS může jitter dosáhnout až 1x Ts ⇒ U Trueform je jitter omezen na 1x Toversample << Ts Obr.: Agilent Tech. White Paper publ. 5991-1100EN
DDS x Trueform – stejná data
Obr.: Agilent
DDS x Trueform – stejná data
DDS: jitter 54 ps
Trueform: jitter 4.1 ps Obr.: Agilent
Generátory s nízkým zkreslením • Požadavek: nízké THD - obvykle cca -100dB a lepší • Realizace: – generátory využívající RC oscilátor – generátory využívající ČA převodník
Požadavek: nízké zkreslení Parametry, které se udávají zkreslení: a) THD - Total Harmonic Distortion - popisuje celkové harmonické zkreslení) - je dáno poměrem výkonů vyšších harmonických složek ku základní harmonické
H 22 + H 32 + L + H n2 THD (−) = H12 Kde Hi je efektivní hodnota i-té harmonické složky. - THD se obvykle vyjadřuje v dB:
THD (dB ) = 20 log THD ( − )
- pokud jsou harmonické složky uvedeny v dB, je nutné je před výpočtem THD převést užitím vztahu
H i (dB ) = 20 log b) celkové zkreslení
H i (V ) H FS (V )
zahrnuje i subharmonické (SHj) a významné neharmonické složky (tzv. spurious – Sk) n
TD (dB ) = 20 log
∑ H + ∑ SH + ∑ S i =2
2 i
2 j
j
k
H12
2 k
Určování míry zkreslení generátoru Přímé měření spektrálním analyzátorem – není obvykle možné – pro tento případ obvykle nemají spektrální analyzátory dostatečné dynamické rozsahy. Je nutné potlačit základní harmonickou generovaného signálu pomocí pásmové zádrže. 1
Generátor
Spektrální analyzátor
2 PZ 1. Generátor se nastaví na frekvenci odpovídající použité pásmové zádrži 2. Přepínač se přepne do polohy 1, na spektrálním analyzátoru se nastaví úroveň vstupního signálu 0 dB. 3. Přepínač se přepne do polohy 1, frekvence generátoru se dostaví tak, aby základní harmonická byla co nejvíce potlačena. 4. Změří se vyšší harmonické složky (je třeba respektovat, že pásmová zádrž částečně potlačí i druhou resp. třetí harmonickou - je nutná korece).
a) Realizace s RC oscilátorem •
Dva základní bloky: – blok generování signálu – laděný obvod složen ze dvou odporů a dvou kondezátorů zapojeních jako T-článek – blok stabilizace amplitudy signálu
•
Typický příklad: KROHN-HITE 4402B
Obr.: Krohn-Hite
Struktura:
b) S DDS generátorem
• generovaní signálu s použitím přímé číslicové syntézy DDS (Direct Digital Synthesis) • ČA převodník s vysokým rozlišením • kaskáda filtrů (obvykle dolní propust druhého řádu), které slouží k potlačení rušivých složek vyšších harmonických.
generovaní signálu s použitím přímé číslicové syntézy
kaskáda filtrů
ČA převodník s vysokým rozlišením
Výstupní výkonový zesilovač a útlumový člen Synchronizace
Výhody: Přesné nastavení kmitočtu (krystal), možnost synchronizace Nevýhody: Obvykle vyšší neharmonické složky popř. fázový šum (krátkodobé kolísání kmitočtu) - jitter
b) DDS generátor Stanford Reasearch Systems DS360 Function Generator 10 mHz - 200 kHz (přesnost 25 ppm) <-100 dBc distortion (do 20 kHz) Sinus, obdélník, bílý šum, růžový šum 20 µVpp - 40 Vpp 10 MHz ref. input Obr.: Stanford Research Systems
THD vs. f
VF generátory harmonického signálu Rozdělení podle principu 1. Signální generátory pracující na heterodynním principu, kde je modulace aplikována na mezifrekvenční signál a potom převeden do požadovaného frekvenčního pásma 2. Signální generátory s „přímou“ modulací pomocí IQ modulátoru. Výhody a nevýhody: • Heterodynní architektura snadněji vytváří signály (směšovačem), avšak vyžaduje filtrování signálu na výstupu směšovače pro získání požadovaného signálu (pásma). • Tzv. architektura modulace „direct-at-RF“ zjednodušuje RF konverzi, ale vyžaduje širokopásmový IQ modulátor.
Signální generátory na heterodynním principu Generování nosné • přeladitelné LC oscilátory •
krystalem řízené oscilátory s nastavením kmitočtu pomocí PLL Přepínání frekvenčních rozsahů
Laditelný VF osc.
U ladící Zdroj ladícího napětí
Nastavení frekvence
Čísl. dělič kmitočtu
Tvarov. obvod
FM
Měření frekvence výstupního signálu GMN
Nastavení úrovně modulace
AM
Amplitud. modulátor
Čítač
Laděný filtr
ŠZ
Měření úrovně výstupního napětí VA
VÝSTUP 50 Ω
Syntezátory RF frekvencí Rozsahy např. 0.01 GHz – 20 GHz: • CW – continuous wave, stálá vlna (LO pro downconvertery při testech přijímačů, LO pro testy směšovačů, LO pro upconvertery) • Sweepers – přelaďované: fstart – fstop (testování filtrů, zesilovačů, kompresní testování (gain vs. power)) • Signal gen. – signálové generátory (testování Dopplerovských radarů, simulace radarových cílů, skenu antény, …)
Příklad RF syntezátoru Agilent 83731B
Technologie ~ 1980-1990
Obr.: Agilent
Rozsah f = 0.01 GHz – 20 GHz, výstup do +10 dBm Harmonics < -55 dBc Modulace (interní): lin. AM, log. AM, high-index FM (radar chirp), FM, pokročilé pulsní (dublety – simulace dvou radarových cílů blízko sebe, scan modulace = rotující anténa)
RF syntezátor – regulace výkonu ALC – automatic level control • Interní (měří se výkon na výstupním konektoru) • Externí diodou
• Externím měřičem výkonu
Obr.: Agilent
Principy syntezátorů Několik přístupů: vždy základem referenční oscilátor např. 10 MHz • Direct synthesis (nikoliv DDS), přímá syntéza – vytváří se sada zdrojových frekvencí a jejich kombinacemi se vytváří cílová frekvence. HW náročné, složité, drahé. • Indirect synthesis, nepřímá s. – pomocí PLL, phase locked loop, fáz. závěsu • Fractional-N synthesis, neceločíselná syntéza – k dosažení jemnějšího rozlišení frekvence, PLL běží na neceločíselném násobku fclk, nutné doplňkové triky (složitější), ale univerzálnější
Indirect synthesis, nepřímá syn. Zde jen nejjednodušší varianta
VCO – napětím řízený osc. 10 MHz 13 MHz 1/10 Dělitel (13)
1/13
Progr. dělička
1 MHz
Smyčkový filtr Fázový detektor
DDS jemné nastavení frekvence
dělička 16:1
0.5-1.5 MHz
nastavení frekvence
8-24 MHz VCO1 PLL1
PP termostat
OCXO 100 MHz
1.48-2.48 GHz
100.5-101.5 MHz dělička 64:1
PIN ATT
AM
DP
1.5625 MHz
DP
FM
VCO2 PLL2
DP 1.48 GHz
1.48 GHz
pevná frekvence 1.48 GHz
proměnná frekvence 1.48-2.48 GHz
f2 18 dB f1
fv
0-1 GHz
DP
ATT 0-30 dB
ATT 0-56 dB
1000 MHz 2X 1-2 GHz fv = ( 1.48 až 2.48 ) - 1.48 GHz = 0 až 1 GHz
RF OUT 50 Ohm
14 dB
14 dB
nastavení výkonu
ATT 0-56 dB
Signální generátory s „přímou“ modulací pomocí IQ modulátoru •
Blokové schéma v případě IQ modulátoru je v dokumentacích výrobců často značeno jako „signal flow“ (příklad: Rohde & Schwarz SMU200A).
Obr.: Rohde & Schwarz
Vector Signal Generator Rohde & Schwarz SMU200A • 100 kHz - 6 GHz • I/Q modulator: 200 MHz RF bandwidth
Obr.: Rohde & Schwarz
Vector Signal Generator 44 GHz Agilent E8267
Obr.: Agilent
Poznámky: Impairment generation. Slouží ke generaci signálu, jako by prošel nebo byl generován zařízením s příslušnou chybou. Upravena jsou číslicová data před uložením do paměti. Nejčastěji se implementují tyto nedokonalosti: • fázový šum, • tepelný šum, • průnik signálu z vedlejších kanálů, • nedokonalosti IQ modulátoru (imbalance - nestejný zisk v obou větvích, quadrature error - fázový posun jiný než 90°). Obslužný software – aplikace. • grafická prostředí, které uživatele vedou pře tvorbě nového signálu a jeho rozkladu do kvadraturních složek, • existují knihovny pro práci např. s Matlabem, • aplikace umožňující generovat velké množství analogových i číslicových modulací a standardů, např. standard mobilních komunikací 2G, 2.5G, 3G, a WLAN, běžný harmonický signál CW, multitón, burst, PSK, QAM, FSK, MSK, FM a další.
Pulsní generátory Generují posloupnost pravoúhlých (v ideálním případě) nebo lichoběžníkových pulsů s nastavitelnými parametry: - amplitudou A, - frekvencí f (nebo periodou T), - činitelem plnění t+/T (angl. duty factor), - dobou náběhu tn (nebo je zaručeno, že tn < tn,max) - dobou doběhu td (nebo je zaručeno, že td < td,max) - zpožděním proti okamžiku spuštění, T u Př
Zaručované parametry:
t-
t+
- max. hodnota překmitu Př
A
0,9 A
- max. hodnota podkmitu Pd
0,5 A 0,1 A 0
tN
tS
Pd
t
Základní blokové schéma VNITŘNÍ GENERÁTOR VNĚJŠÍ SPOUŠTĚNÍ
• • •
ZPOŽDĚNÍ
ŠÍŘKA
STRMOST HRAN
ss SLOŽKA
SPOUŠTĚCÍ SIGNÁL
Nejjednodušší generátory - pouze kladné pulsy. Dokonalejší umožňují nastavení stejnosměrného ofsetu. Možnost generovat definované skupiny pulsů (pattern generators),
Delay/Pulse/Pattern generátor Stanford Research Systems DG645 4 pulse outputs - 8 delay outputs (opt.) <25 ps rms jitter, Trigger rates to 10 MHz, Fast transition times (<2 ns), Precision rate generator, Ovenized or Rb timebase (opt.)
Obr.: Stanford Research Systems
Zrychlení hran • Pro TRISE < 100 ps • step recovery diode • Podobně nutné u TDR aplikací (reflektometrie)
Obr.: Stanford Research Systems
Pulse pattern gen. Agilent 81130A 1kHz – 400MHz 1-2 kanály, difer. výstupy, nastavení hran 800ps-1.6ns Lze i data (+paměť sekvencí) a PRBS
Agilent 81134A 15MHz – 3.5GHz 1-2 kanály, difer. výstupy, nastavení hran 60ps-120ps Lze i data: paměť 12Mbit (+paměť sekvencí) a PRBS Obr.: Agilent
Datové, logické generátory • Pulse pattern gen. – série pulsů s definovaným tvarem, někdy bez informačního obsahu, malý počet výstupů • Data timing gen. – simulace datových proudů např. ze zatím chybějících zařízení - větší počet výstupů: 8, 16, 32 (kombinací synchr. jednotek až 96) - podobně jako AWG dovolují generovat velké množství dat včetně sekvencí a podmíněných smyček záznamů. Obsahují generátor adres, rozsáhlou paměť vzorků (zde binárních), ale bez DAC - Na rozdíl od AWG jsou jen dvoustavové (log. 0, log. 1), je ale možné změnit úroveň výstupu (jen staticky) – např. pro stress testy podpětím logiky – také dovolují jemné (
Příklad Tektronix DTG5334
rychlost 3.35 Gb/s, delay resolution 0.2 ps, 1-96 kanálů (3 přístroje x 32kan.), modulární výstupy (podle typu logiky) Paměť 64 Mb na kanál Obr.: Tektronix – App. Note: XYZ of Signal Generators
Typy binárních (logických) výstupů • Formáty signálů: – – – –
NRZ (Non return to zero) DNRZ (Delayed NRZ) RZ (Return to zero) R1 (Return to 1) Obr.: Agilent
• PRBS = pseudorandom bit stream / PRWS – pseudorandom word stream
PRBS – generování pseudonáhodných dat PRBS – pseudorandom bit sequence je generovánaa lineárním zpětnovazebním registrem délky N s nastavitelnými zpětnovazebními (xor) odbočkami. Z posledního bitu registru se odebírá PRBS. Při správném nastavení vzniká sekvence délky 2N-1 Obr.: Agilent
Některé konfigurace jsou normalizované – např.: Binární polynom X9 + X5 + 1 generuje posloupnost délky 29-1 a odpovídá doporučení CCITT 0.153/ITU-T V.52
