低相位噪聲射頻信號源領(lǐng)域的新標準用于航空電子測試測量領(lǐng)域

本白皮書概括介紹了艾法斯SGA模擬信號發(fā)生器的功能和性能，重點介紹其領(lǐng)先的超低相位噪聲和切換速度指標所依賴的技術(shù)，以及關(guān)于最新增加的航空電子測試測量選項的信息。

作為一種緊湊型便攜式通用模擬信號發(fā)生器，SGA模擬信號發(fā)生器僅為半機架寬度，4U機架單元高，該系列提供SGA-3和SGA-6兩個型號，頻率范圍分別為100kHz～3GHz和100kHz～6GHz。其硬件指標的高性能直接瞄準研發(fā)實驗室應用，頻率和電平切換速度則適用于制造業(yè)測試系統(tǒng)對高速切換的要求，如RFIC等，且提供了更為經(jīng)濟的購買價格。

該系列產(chǎn)品主要可選功能選項包括高RF功率輸出、模擬調(diào)制(AM/FM/PM)、脈沖調(diào)制和航空電子等。

圖 1：艾法斯 SGA射頻信號發(fā)生器提供快速建立時間和低相位噪聲，并新增航空電子測量選件

相位噪聲和速度

SGA的優(yōu)異相位噪聲特征和低失真信號電平使其能夠應對現(xiàn)代接收機和RF通信系統(tǒng)最為廣泛和最為嚴格的測量。在其SSB相位噪聲性能典型值達到-135 dBc/Hz(載波頻率為1 GHz，頻率偏移20 kHz)的情況下，依然可以實現(xiàn)測量超過80dB動態(tài)范圍的接收機選擇性。與該超低相位噪聲性能相結(jié)合并能同時實現(xiàn)的是一個超快速的頻率合成器和同樣快速的RF電平控制回路，可使載波頻率或RF電平在100 μs(列表模式)或5 ms(傳統(tǒng)模式)內(nèi)建立并實現(xiàn)任意切換。這些參數(shù)可確保在半導體生產(chǎn)試驗如RFIC及跳頻應用(如調(diào)頻電臺)中的最大吞吐量。

圖 2：SGA超高速、低相位噪聲合成器原理框圖

圖3 所示的低相位噪聲性能是使用圖2 所示的多回路合成器來實現(xiàn)的。一個低噪聲“參考”相位鎖定回路(PLL)使用一個以最大輸出運行的低噪聲晶體振蕩器(為實現(xiàn)最佳信噪比)來使一個分數(shù)乘法器產(chǎn)生一個頻率范圍為967-1350 MHz(22.5 MHz 階躍)的信號。為了在22.5 MHz 階躍之間進行內(nèi)插，一個“內(nèi)插”PLL 提供一個調(diào)諧范圍為11.25 MHz(從22.5 MHz 至 33.75 MHz;如果要產(chǎn)生寬頻FM，則從33.75 MHz 至55 MHz，以提供額外的 ±10 MHz 擺動)的振蕩器。然后，一個“輸出”回路向參考和插值 PLL 添加或從其減去該頻率，從而使內(nèi)插振蕩器的調(diào)諧范圍保持為絕對最小值。

上述輸出回路由一個頻率加倍到1000-1333 MHz的VCO組成。混合該信號與低噪聲參考信號。對差頻與內(nèi)插信號進行相位比較，在控制 VCO 來完成回路前對相位檢測器輸出進行低通濾波。

實現(xiàn)如此快速的建立時間使用了低噪聲D-A轉(zhuǎn)換器來預控制VCO和經(jīng)過電壓調(diào)諧的變?nèi)荻O管帶通濾波器。分數(shù)乘法器中的PLL和輸出回路使用具有低本底噪聲但捕獲范圍有限的基于混頻器的相位檢測器，所以預控制使VCO處于所要求的區(qū)域內(nèi)。精確調(diào)諧是使用數(shù)字鑒別器來實現(xiàn)的。一個FPGA在相位檢測器位置比較兩個信號的頻率，并通過修改預控制電壓使VCO接近正確頻率。這會使VCO進入PLL的捕獲范圍，其在該范圍內(nèi)鎖定和在100 μs 內(nèi)迅速建立到0.1 ppm 范圍內(nèi)。

圖 3：該系列典型相位噪聲曲線

RF 電平

標準配置最大值為+13 dBm的RF輸出可設(shè)置為0.01 dB的分辨率?？墒褂酶吖β蔬x項將最大校準后RF電平增加到+20dBm。RF電平控制方面還有許多內(nèi)容是產(chǎn)品資料中未介紹的，S-系列確保RF性能的質(zhì)量超出規(guī)范要求方面也給予了特別注意。主要特點有：

• 該系列在使用過程中任何頻率或電平變化均不會產(chǎn)生正RF電平瞬變，這一特點在測試功率放大器等射頻組件時尤其重要，因為任何過大的正電平跳變或突發(fā)可能會導致被測器件損壞或硬傷。

• 信號源輸出端口VSWR得到控制并進一步降低不必要的反射信號，以幫助確保在負載匹配不理想時達到指定的RF電平精度，這種情況常見于自動測試系統(tǒng)——其中的電纜和開關(guān)位于信號發(fā)生器和DUT之間。

• RF輸出端口確保單調(diào)性(單一方向)。單調(diào)性是衡量RF電平以精細RF電平階躍步進或步降而在目的方向的反方向上沒有RF輸出變化的能力的標準。這可以顯著減小接收器靈敏度測量的誤差容限，該特性使得SGA更適用于當代大動態(tài)范圍接收機的測試應用。

• 非常理想的可重復性可確保每次都產(chǎn)生相同的RF電平。

通過使用一個能夠以0.25 dB 增量設(shè)置到最132 dB的輸出衰減器，還能在100 μs 內(nèi)快速建立穩(wěn)定的RF電平。這意味著只有在RF 電平調(diào)整增量超過0.25 dB 時才需要ALC。所檢測到的RF輸出的DC 電壓被饋入一個由FPGA讀取的ADC。在該FPGA內(nèi)，校準數(shù)據(jù)被應用，且來自該FPGA的一個數(shù)字輸出被饋入一個DAC，該DAC預控制ALC，使之幾乎精確達到所要求的電平，ALC很少需要再做什么。過程中使用了非?？焖俚乃p器開關(guān)。

對于SGA-3，逆功率保護(RPP)選項為儀表的RF輸出提供額外保護，防止無意施加超額的RF或DC功率，以確保更長的儀表使用壽命和低總擁有成本。

靈活的調(diào)制功能

通過四個內(nèi)部10 MHz 振蕩器和兩個外部調(diào)制輸出，SGA提供了廣泛的調(diào)制模式選擇。使用內(nèi)部和外部信號源的任何組合可實現(xiàn)單邊帶 AM、FM 或 PM(相位調(diào)制);雙邊帶 AM 和 FM(或 PM);以及雙邊帶外部 AM 和 FM(或 PM)調(diào)制模式。

寬 AM 和 FM 帶寬通過允許視頻信號以最小失真調(diào)制載波來支持廣播系統(tǒng)測試。寬頻FM 還支持使用頻移鍵控進行針對高速數(shù)據(jù)傳輸和遙測的設(shè)備測試如FSK。

航空電子

繼艾法斯航空工業(yè)標準2030系列航空電子信號發(fā)生器的之后，SGA推出了針對航空電子設(shè)備測試的最新航電選項。該選項為客戶提供了儀表著陸系統(tǒng)(ILS)、VHF全向無線電(VOR)、標記信標所需的內(nèi)部波形發(fā)生功能，并提供了用于機場識別的COM ID 摩爾斯電碼。航空電子參數(shù)的設(shè)置形式與國際民用航空組織(ICAO)標準中描述的形式完全一致。它是用于測試機載導航接收機和機場警報監(jiān)視器的單一儀表解決方案，是所有民用和軍用機場、機體及駕駛艙儀表制造商以及軍事分包商必需的標準測試設(shè)備。

航空電子測試激勵源選件采用了SGA信號發(fā)生器的四個內(nèi)部調(diào)制器生成。航空電子測試需要具有卓越調(diào)制完整性的信號發(fā)生器，更別說這還是一個準確性和可靠性都至關(guān)重要的安全關(guān)鍵型行業(yè)。

ILS

ILS 通過接收和處理高精確信號引導飛機降落到跑道。如果飛機過高或過低，或者向左或向右過遠，ILS 會通知飛行員，確保飛機保持在航線上，以便安全著陸。航向信標(LOC)提供側(cè)向?qū)Ш?，下滑臺(或下滑道)提供垂直導航。地面上的兩個發(fā)射機以108.10 MHz - 111.95 MHz 載波頻率范圍發(fā)射航向信標信號，其中一個信號在90 Hz 下調(diào)制，一個在150 Hz 下調(diào)制。這些窄波束從兩個獨立但共位的天線發(fā)出，聚焦于跑道的每一側(cè)。飛機上的 ILS 航向信標接收機分析兩個信號的調(diào)制深度，并通過它們之間的差來計算與跑道中線的偏離程度。當飛機在航線上時，調(diào)制深度差(DDM)為零。DDM可以百分比(%)或調(diào)制指數(shù)的形式來表示。1%的DDM 等于 0.001 DDM。

下滑臺(GS)系統(tǒng)的工作方式與此相似，不過使用的發(fā)射載波頻率范圍為329.15 - 335 MHz。系統(tǒng)會計算與理想下滑臺的偏差，下滑臺與水平面(即地平面)的夾角約為 3°。

航向信標還提供了一項識別功能：通過周期性地發(fā)射一個1,020摩爾斯電碼識別信號來提供一個針對機場的國際公認符號，告訴飛行員設(shè)施工作正常并調(diào)諧到正確的 ILS。

圖 4：0 DDM 時的 ILS 波形

測試 ILS 系統(tǒng)的信號發(fā)生器的準確性和穩(wěn)定性很重要。每個音頻的大小都必須予以控制，以便保持每個音頻的算術(shù)調(diào)制深度和(SDM)的恒定。90 Hz 和150 Hz 音頻的絕對 AM 深度精度是重要的，航線精確性以及由此而來的 DDM 精度也很重要，因為它會將飛機在線航線上的信息通知飛行員。圖4 顯示了針對 0 DDM 的復合調(diào)制波形。在信號發(fā)生器中，這依賴于90 Hz - 150 Hz 的 AM 頻率響應盡可能扁平，且各個調(diào)制信號源的幅度相等。

各個音頻的相對相位是由 ICAO 標準固定的，且各個音頻的頻率導致一個復合波形，其形狀以30 Hz 的頻率重復。

利用 ID 摩爾斯電碼和/或聲音音頻生成 ILS 信號需要SGA的全部四個調(diào)制振蕩器：針對90 Hz 和 150 Hz 音頻的振蕩器 1 和 2，針對 ID 音頻的振蕩器 3， 以及針對聲音通道的振蕩器 4。幅度調(diào)制是使用 IQ 調(diào)制器的一部分產(chǎn)生的，其低失真和高度線性特征使之非常適用于產(chǎn)生精確和穩(wěn)定的調(diào)制信號。

VOR

VOR 用于飛機的飛行導航;它指示發(fā)送給或來自位于地面上的固定信標(其發(fā)射一個VHF復合信號)的方位。在相同載波頻率下，產(chǎn)生頻率為 9.96 kHz 的第二個AM音頻，在30 Hz 速度下進行頻率調(diào)制，偏差為±480 Hz。對9.96 kHz 子載波上的30 Hz AM 音頻和30 Hz FM 音頻的相位進行比較，得出來自信標的飛機方位信息。圖 5 顯示了一個VOR 信號的調(diào)制頻譜。

圖 5：VOR 信號的調(diào)制頻譜

通過使用一個以上VOR發(fā)射機可得出飛機的位置。該信號還包括基站的摩爾斯電碼標識符，有時還包括一個聲音分量。

信號源的相對相位決定信號發(fā)生器的方位精度。這是 VOR 系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，調(diào)制振蕩器的數(shù)字發(fā)生和控制確?？蓪崿F(xiàn)好于0.05 度的方位精度。

使用 ID 摩爾斯電碼和/或聲音音頻來產(chǎn)生 VOR 信號需要SGA的全部四個調(diào)制振蕩器，外加一個額外的非標配振蕩器。振蕩器 1 提供針對方位信號的30 Hz 音頻。振蕩器 2 提供9.96 KHz 子載波，這是由振蕩器 5 調(diào)制的頻率，用來以30 Hz 速度提供480 Hz 頻率偏差。振蕩器 3 和 4 提供 ID 和聲音音頻，像在 ILS 模式下一樣。圖 6 顯示了SGA上的VOR 應用屏幕。

圖 6：航空電子 VOR 應用屏幕，顯示了所有信息如何呈現(xiàn)在一個屏幕上以及清晰的觸控圖標如何確保簡單和快速的設(shè)置變更

掃頻/列表模式

全面掃頻模式以離散階躍形式提供載波頻率和射頻電平的數(shù)字掃描。階躍的開始、停止、階躍的數(shù)量(或步長)和階躍時間均可以設(shè)置，設(shè)置最多可達65536個階躍。掃頻可通過后面板 BNC 連接器以外部方式觸發(fā)針對開始、開始/停止和階躍的掃頻，同時最多可使用六個標志符號來識別掃頻中的具體事件。列表模式提供最大頻率開關(guān)速度，最短駐留時間為100μs?？蓜?chuàng)建一個包括最多5000個載波頻率和RF電平值的表格。開始地址、停止地址和駐留時間可以進行控制并可從一個后面板 BNC 連接器以外部方式觸發(fā)。

脈沖調(diào)制

帶有內(nèi)部脈沖發(fā)生器的一個可選脈沖調(diào)制器允許產(chǎn)生開/關(guān)比率滿足關(guān)于雷達 RF 和 IF 級以及 EMC/ECCM 測試應用的最嚴格測試要求的快速上升時間 RF 信號。

模塊化儀表概念：“Aerolock” 互鎖機制

SGA旨在與另一個SGA和安裝在其下的一組S-系列模塊一起工作。“Aerolock” 是一種設(shè)計精巧、簡單和強大的互鎖機制，允許SGA儀器和一個全機架寬度模塊，或者兩個半機架寬度模塊結(jié)合為一體，形成一個定制的測試解決方案。圖7 顯示了兩個互鎖的 T 形栓如何互換位置來提供鎖定機制。每個重量不足 17 磅的兩個SGA結(jié)合起來可在實驗室、工廠或室外內(nèi)輕松攜帶而無需兩個人抬動。

當模塊通過USB即插即用接口連接到SGA后，SGA可自動識別并運行模塊的功能和應用。這支持許多應用，包括針對功率放大器、接收機靈敏度、互調(diào)制、相鄰通道功率的測試及混頻器測試，未來還會有許許多多的其他應用。另外也可將一個SGA與另一個SGA的設(shè)置結(jié)合起來，以允許對任何頻率或電平范圍的快速和簡單控制，其中需要兩個具有規(guī)定關(guān)系的信號源。圖8 顯示了兩個SGA和一個SCO組合器模塊結(jié)合起來形成一個支持互調(diào)制失真、接收機靈敏度及選擇性測試等應用的接收機測試系統(tǒng)。

圖 7：Aerolock™ 的專利互鎖架構(gòu)

常規(guī)特性

SGA采用了一塊達8.5英寸真彩LCD “觸控屏”用戶界面，全新設(shè)計的GUI圖形界面將所有相關(guān)設(shè)置信息顯示在一個屏幕上，從而避免了常規(guī)儀器需要從較低等級菜單結(jié)構(gòu)選擇配置的麻煩，所有按鍵均直觀的顯示在使用者面前。各觸摸鍵大到足以保證易用性，甚至在戴手套時也不礙事。同時還可以連接鼠標和鍵盤進行操作，以提高在使用 Windows™ 功能時的易用性。

SGA沒有傳統(tǒng)鍵盤和按鍵，用戶在觸碰一個特定參數(shù)后會出現(xiàn)一個大型的彈出式虛擬鍵盤。從彈出鍵盤可啟用一個靈敏度可調(diào)節(jié)的創(chuàng)新滑塊控件(位置緊靠顯示屏的右邊緣)，以允許用戶在不看儀表的情況下調(diào)節(jié)特定參數(shù)。同樣從彈出鍵盤還可啟用一個步升/步降控件，看起來有點像把尺，其中的步長可以設(shè)置。

SGA提供了多達四個USB 2.0接口(兩個在前面板上，兩個在后面板上)，所以即使連接了鼠標和鍵盤，仍然還有兩個USB端口可用于連接作為 S-系列測試系統(tǒng)概念一部分的其他S-系列儀表。USB接口的其他用途包括更新儀表的軟件或連接USB功率傳感器。SGA的模塊化結(jié)構(gòu)意味著可通過使用校準后交換模塊進行模塊替換在 30分鐘內(nèi)完成修理任務(wù)。使用USB功率傳感器的快速、“系統(tǒng)級”RF調(diào)整可恢復儀表的校準完整性。

條件允許時可使用SCPI格式命令支持 USB、LAN 和GPIB 接口。另外還可支持遠程桌面和VNC，允許異地遠程控制，您甚至可以使用iphone或iPad進行任意的遠程控制。GSA包括2030系列的遠程控制仿真功能，另外還將對此進行擴展，以包括其他艾法斯信號發(fā)生器和來自其他制造商的信號發(fā)生器。

圖 8：兩個 SGA和一個 SCO組合器

結(jié)束語

艾法斯SGA射頻信號發(fā)生器通過使用基于創(chuàng)新的模擬和數(shù)字技術(shù)的合成器實現(xiàn)了一流領(lǐng)先性能。這為專用航空電子信號發(fā)生器提供了一個理想平臺來建立行業(yè)標準，代替在過去二十年里占據(jù)該位置的艾法斯2030系列。該系列還將陸續(xù)推出一系列創(chuàng)新應用以不斷擴展該產(chǎn)品的應用空間。