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  • 采集仪器通常使用的是示波器和逻辑分析仪,而信号源在系统中则扮演了激励源的角色,波形发生器就是种类众多的信号源的一种,在电子测试测量领域应用广泛。信号源何时诞生?经历了怎样的发展历程?信号源是一种古老的...

    方浩 鼎阳硬件设计与测试智库专家组成员

    在产品调试的过程中,大多数的电路需要输入某种幅度随时间变化的信号,在这样的应用场景中,一个完整的测试测量系统一般会包含激励源,被测件和采集仪器三个部分。采集仪器通常使用的是示波器和逻辑分析仪,而信号源在系统中则扮演了激励源的角色,波形发生器就是种类众多的信号源的一种,在电子测试测量领域应用广泛。

    信号源何时诞生?经历了怎样的发展历程?

    信号源是一种古老的测试测量仪器,伴随着整个仪器的发展周期,世界上第一台信号源诞生于20世纪20年代。随着通信和雷达技术的发展,20世纪40年代出现了主要用于测试各种接收机的标准信号发生器,使信号源的应用范畴从定性分析演进到了定量分析的范畴,同一时期还出现了可用作脉冲调制器的脉冲信号发生器。

    早期的信号发生器机械结构复杂,功率较大,电路比较简单,发展速度非常慢。这种窘境直到1964年世界上出现了第一台全晶体管的信号源之后才得到改观。此后出现了函数发生器,扫频信号发生器,合成信号发生器,程控信号发生器等新种类,信号源的各项指标都得到了大幅提高。但是采用模拟电子技术的信号源由分立器件或模拟集成电路构成,不仅电路结构复杂,而且只能产生种类非常有限的简单波形。更令人头疼的是,模拟电路的漂移较大,使得信号源输出波形的幅度稳定性很差。

    自从 70年代微处理器出现以后,利用微处理器和DAC可以使得信号源的功能进一步扩大,能够产生比较复杂的波形。但是,这种方案有一个很严重的缺陷:输出波形的频率低主要是由 CPU 的工作频率决定的,这就意味着只能通过缩短软件执行时间或提高 CPU 的时钟频率来提高信号源输出波形的频率,具有很大的局限性。

    发展到今天,市面上的信号源大多基于数字技术,许多信号源既可以输出模拟信号又可以输出数字信号,但是在真正高效的方案中,往往都是选择根据具体的应用环境优化过的信号源,因此也派生出了多种不同类型的信号源。

    时下的信号源有哪些类型?

    广义上,根据信号源的应用范畴可以分为两类,数字应用信号源和模拟应用信号源。

    其中专门为数字应用而诞生的信号源,我们称之为逻辑源。逻辑源大体上可以分为两类,一种是可以输出方波和脉冲流的脉冲发生器,脉冲发生器的输出频率一般非常高,经常用于测试数字器件。此外,还有一种逻辑源,我们称之为码型发生器,或者数据发生器,这种仪器一般有生成 8个,16个或者更多输出通道,可以产生各种类型的同步数字脉冲流,码型发生器常常作为计算机总线、数字电信单元等的激励信号。

    虽然各厂家的命名方式各不相同,但是在需要提供模拟信号或者混合信号的应用场景中使用的信号源大体上有波形发生器、射频信号发生器、微波信号发生器和基带信号发生器几种类型。其中,本系列文章将要给大家全面展开介绍的波形发生器是一种比较主流的信号源,它可以将离散的数据点存放在存储器中,通过系统时钟产生读取数据的触发信号,经过 DAC 芯片的转换和低通滤波器最终生成模拟波形,使用这种“采样原理”理论上可以生成和编辑几乎任意类型和参数的波形。函数/任意波形发生器一般有 1-4 路输出,某些功能更加丰富的型号还支持触发信号和系统时钟信号的输出,用于触发外部的仪器,比如作为示波器的外部触发信号,如图1 所示的就是鼎阳科技出品的 SDG2000X系列函数/任意波形发生器。

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    图1:SDG2000X函数/任意波形发生器

    波形发生器拿来干嘛用的?

    波形发生器具备了函数发生器的所有功能,可以产生正弦波、方波、三角波等基本函数。除此之外,波形发生器还可以产生模拟和数字调制信号,支持线性/对数扫频信号和脉冲串的输出,这是波形发生器区别于函数发生器的最大特征。鼎阳科技的全系列函数/任意波形发生器都能支持AM、FM、PM、FSK、ASK、DSB-AM等模拟和数字调制功能。都支持扫频功能和脉冲串输出功能,在这两种模式中,触发源可以在内部、外部和手动三种中进行选择,当选择内部和手动触发源的时候,支持触发信号输出,便于实现多款不同的仪器之间的触发同步。

    波形发生器有上百种应用方式,但是在电子测试测量领域,其应用范围基本可以可以分为三种:检验、检定以及极限/余量测试。在产品的调试阶段,工程师需要测试产品的各项参数,以检验产品是否满足相关的出厂标准,在这个过程中,波形发生器需要发出标准规定的信号作为待测网络的激励源,通过测量并记录被测网络的响应,然后将记录的结果与标准规定的指标进行对照并且得出检验的结论。另外,新开发的工控模块,数据调理模块等都需要使用波形发生器通过穷尽测试来确定其线性度和单调性等指标。在很多场合中,波形源需要在其提供的信号中增加已知的,数量和类型可重复的失真或损伤,通过控制失真或损伤相关的参数可以对被测件进行极限/余量测试。

    波形发生器有哪些主要的指标?这些指标分别有什么含义?

    如果您使用过示波器,那么您一定听说过示波器的三大指标:带宽,存储深度,采样率,我们在挑选一款合适的示波器的时候,这三大指标往往是我们首要考虑的因素。实际上,从原理的角度来看,波形发生器是示波器的逆过程,那么波形发生器是否也有所谓的三大指标呢?答案是肯定的,在波形发生器的范畴中,同样有带宽,采样率和存储深度的概念。

    1、带宽

    波形发生器的带宽可以定义为最大可输出的正弦波的频率。但是,对于不同的输出波形,波形发生器能够支持的最大输出频率是有区别的,比如在鼎阳科技的 SDG2122X函数/任意波形发生器中,当输出正弦波时,可以输出的最大频率为 120 MHz,然而当它源输出方波时,最高输出频率就变为了 25 MHz。之所以会有这样的区别,是因为方波边沿变化很快,包含了许多高频成分,为了避免输出的方波上升沿产生严重失真,当波形发生器输出方波时,其带宽必须能够覆盖更多的高次谐波成分。

    2、采样率

    波形发生器的采样率通常用每秒兆样点或者千兆样点表示,比如 SDG2000X系列函数/任意波形发生器标称的采样率为 1.2 GSa/s,这项指标表明了信号源将数字信号转换为模拟信号的速率,采样率影响着主要输出信号的频率和保真度。伟大的奈奎斯特取样定理规定,采样率或时钟速率必须至少是生成的信号中最高频谱成分的两倍,在这样的前提下才能保证精确的复现原始信号。但是在实际应用中,两倍是往往还是不够的,具体还是要看信号的类型和上升时间。

    3、存储深度

    存储深度是指用来记录波形的数据点数,它决定着波形数据的最大样点数量。波形发生器的带宽是由取样速率和存储深度决定的。SDG2000X系列函数/任意波形发生器支持时下非常流行的“逐点输出”,能够在保证不丢失波形细节的前提下,以 1 μSa/s~75 MSa/s的可变采样率输出 8 pts~8 Mpts范围内的任意长度地抖动波形。

    除了以上三个指标之外,频率分辨率和垂直分辨率也是波形发生器的重要指标。垂直分辨率指的是在波形发生器中可以编程的最小电压增量,跟硬件电路中使用的 DAC 的位数有关,一般用单位“位”来表示,它决定了输出波形的幅度精度。频率分辨率,即最小可调频率分辨率,也就是创建波形时可以使用的最小时间增量,跟时钟的最高速率以及 DAC 的转换速率有关。

    当我们把不同厂家的波形发生器摆在一起的时候,就会发现,实际上大家都已经能够做到相似的功能,但是从输出信号的周期抖动范围,可调整的最小脉宽,上升沿下降沿可调整的最小步进距离等方面可以看出不同厂家优化功力的高低。鼎阳科技的 SDG2000X系列函数/任意波形发生器使用了申请了发明专利的 EadyPulse 技术和 TrueArb 技术,有效提高了波形发生器的性能。这在后续的文章中将会向您详细说明。

    文章的最后,还有一段总结

    总之,波形发生器是应用最广泛的基础通用仪器之一,是电子工程师信号仿真实验的必备工具。本文介绍了波形发生器相关的一些知识,意在为您的选型和对概念的了解提供方便。但是如果要对波形发生器有更进一步的了解,仅仅靠上述的内容是不够的,接下来我会延续这个系列的文章,为您剖析 DDS 技术,EasyPulse 技术,TrueArb 技术等相关描述,让您对波形发生器的原理有更多的了解。


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  • 饱和、过载和失真之间有什么区别?在软件化混音中,如何通过增加温暖度、兴奋感,让混音元素光芒四射?相信你读完下文就会有更多的想法了!饱和与失真这两个词通常可以互换使用。从技术上讲,饱和是一种失真形式。...

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    饱和、过载和失真之间有什么区别?在软件化混音中,如何通过增加温暖度、兴奋感,让混音元素光芒四射?相信你读完下文就会有更多的想法了!

    饱和与失真这两个词通常可以互换使用。从技术上讲,饱和是一种失真形式。尽管存在这种相互关系——但在我们定义时,更重要的是具体应用时,二者还存在明显差异。它们都在音乐制作中价值不凡。在本文中,我们将分享一下关于这个话题的小知识。首先,来一点背景介绍:

    何为失真?

    从技术上讲,在硬件设备、数字音频插件或应用程序的输入和输出之间,波形的形状发生改变时,就会产生失真(也就是非线性失真)。它能带来的效果可以预期,也可能无法预料。这取决于产生失真的方式。

    在数字录音机上,如果你将输入开到最大去录制任何信号源,你会看到产生的波形的顶部是平的,因为它们逼向了录音设备的最大限幅。不能再高的话,波形就变得扁平了。这就是所谓的“硬削波”。结果可能带来令人讨厌的数字失真。无论你制作什么样的音乐,这都不会是你想要的效果。

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    左侧显示的是在合理电平上录制到DAW中的吉他部分。右边是一把输入过载的吉他,波形顶部被切平了。

    模拟世界中的饱和

    在模拟设备上施以峰值限制,会产生与数字设备相比大为不同的结果。因为与数字音频处理限制的极限有区别,所以在模拟设备上你可以得到一种不那么极端的削波,有时被称为“软削波”。

    工程师很久以前就发现,让磁带机、电子管放大器或基于晶体管的调音台的前置放大器产生过载,可以使声音更加令人愉悦或像很多人所说的“更温暖”。这种效果就是我们现在所说的“饱和染色”。

    如今,大多数人会通过数字插件或处理器来模拟电子管、磁带或晶体管的过载声音,在DAW的轨道中添加饱和感。J37 Tape、Kramer Master Tape、PuigChild Compressor(电子管)、H-Comp(电子管、晶体管、变压器)和Scheps 73(变压器)都是Waves旗下的饱和类插件。

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    Kramer Master Tape模拟了老式1/4英寸开盘机的声音和机械特点。它不仅提供饱和染色,还提供可调节的磁带机参数,如偏置电压、磁通量,以及抖晃效果。

    请注意,如果你将Attack和Release时间设置得太快并且压缩很大,那么任何压缩器都可能产生令人不悦的失真。这不应该与模拟建模处理器中建模的非线性饱和相混淆。

    失真、过载和饱和的范围

    失真是比饱和更极端的效果。饱和为声音增加了温暖的特性而没有明显改变其特性,但失真则会更彻底地产生破坏性。它可以让本质发生很大变化,从平滑法兹效果,到有大量高频和噪音的硬棱硬角的声音。

    在饱和与失真之间的某个范围,就是“过载”所在。正如其名,它的起源与饱和一样,来自模拟电路的过载。它具有饱和染色的温暖谐波,但具有更多的破坏感。吉他手和贝司手经常使用他们的音箱放大器——特别是电子管放大器——来制造过载,也有各种各样的硬件过载踏板可用。如PRS SuperModels这样的放大器建模插件,就为你的DAW提供真实的电子管失真,Waves GTR中则包含很多吉他效果器踏板。

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    上面是PRS SuperModels Dallas,一个能够产生失真和过载的放大器建模插件。

    下面是GTR Stomps,可以让你打开各种单块效果器,包括一些失真和过载。

    另一种完全不同的失真叫做比特量化失真(Bit-crushing)。它不是来自模拟电路或建模,而是通过将音频采样下降到较低的比特率来产生各种各样的失真,这会降低音频质量。它在电子音乐风格中经常使用,但通常不大适用于给节奏吉他增加力道。

    用饱和染色给软件化混音增添温度

    如何应用饱和、过载或失真效果,没有规则可循。如何使用它们,完全是你的品味问题。也就是说,即便有关于这些效果的建议,你也可以选择遵守或无视。先从饱和的应用说起吧。

    • 给数字音轨添加温暖度。使它们听起来不那么刺耳和刻板,并赋予更多的个性。无论是在乐器还是人声上,些许微妙的电子管谐波或磁带饱和,都可以使声音听起来更加悦耳。在许多饱和插件上,你可以将输入调高,以增加声音的力道。
    • 在各个单独轨道上添加磁带饱和,以模拟多轨磁带录音。通过在部分或全部单个轨道上应用磁带饱和插件(如Kramer Master Tape或J37 Tape),你可以让数字录音听起来更像是在磁带机而非DAW上录制的。你还可以单独控制每个通道上的饱和度。这两个插件都提供了真实的磁带饱和染色和细节化的控制,每个插件又都有自己独特的建模风格和多功能性。

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    在每条轨道上插入磁带插件(如图中的J37 Tape),不仅可以分别添加饱和染色,还可以提供多轨磁带录音的整体仿真效果。

    • 母线上的饱和应用。还有一种选择是,在母线上使用磁带的立体声效果。这样你就没法单独控制各轨道,但CPU占用率会低得多。可以这样理解,单轨饱和操作与模拟多轨录音大致类似,而母线饱和染色则更像是混音到立体声磁带机上。你可以使用电子管饱和试试这两种操作方式。
    • 不要过度染色。特别是当你在多个轨道应用时,很容易会使用过度。添加太多饱和会弱化歌曲的瞬态变化,使混音听起来更模糊,缺少些冲击力。给轨道添加饱和之后,要及时在混音整体中检查效果。一点点效果就好,“小才”可以大用的。

    前级插件的过载应用

    许多经典的工作室前级放大器,无论是台子内置还是外置,无论是电子管还是晶体管,都可以在输入端过载时增加饱和效果。你可以在通道条插件中找到这种仿真还原,比如Kramer HLS、Scheps Omni Channel和EMI TG12345 Channel Strip这些通道条。

    • 录音之后给音轨添加复古的前级声。直接通过前级或任何插件进行录音的话,DAW设计架构和延迟会引发问题——除非你使用的是SoundGrid网络配置。不过,你也可以通过将它们插入到单轨之中,来添加前级的音质。
    • 添加统一的调音台音质。就像磁带插件一样,通道条或前级插件允许你通过在每个轨道上单独插入插件,来为整个混音添加聚合感。你可以灵活地调整通道条组件中提供的任何设置。NLS Non-Linear Summer插件具有三种不同调音台类型的建模,还包含一个饱和控制,让你可以在每个通道或混音母线上调节。

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    Scheps Omni Channel在其前级模块中使用专门的饱和电路,提供几种不同的染色类型。

    • 在母线上添加前级或调音台模拟。除了在各个通道上独立使用,你还可以在母线上添加饱和。使用前级或通道条插件,或者专用的母线插件,如提供了三种不同经典调音台的NLS Non-Linear Summer。

    失真让混音元素更闪亮

    饱和染色微妙地令声音变暖,失真则会显著改变声音特性。例如在吉他部分,特别是主音吉他上,干琴和失真之间的巨大差异足以影响演奏方式。失真增加了更多的延音和泛音,减少了音头,能真正改变吉他手的演奏感觉。

    • 录制DI吉他,通过失真来监听。以DI方式录制吉他音轨,但让乐手通过失真或音箱模拟插件(如PRS SuperModels)进行监听,必须保持低缓冲以令延迟最小化。这样,吉他手弹琴时将听到逼真的音箱失真,但你在混音时又可以自由地尝试不同的过载或失真,或者不同的前级箱头和后级箱体。
    • 让贝斯低音鲜活。添加一些微小失真,可以消除电贝司的沉闷感。对于火力全开的摇滚贝斯,还可以尝试更高的效果设置。Manny Marroquin Distortion插件的细节控制就非常适合这种应用场景。
    • 给键盘演奏添加失真。许多合成器已经内置了失真效果,但也不是说不能在合成音轨上再插入插件。你可以通过失真来彻底改变合成器的角色。加上适度的失真或过载,电钢琴模拟听起来就会很棒。你也可以模拟真实乐器的演奏者在通过内置放大器演奏时产生的失真。你还可以在风琴上使用失真或饱和,来模拟出Leslie扬声器的声音。
    • 突出鼓声。如果鼓声不够猛,你可以尝试在整个套鼓上添加一点失真。或者只在房间麦克风,或军鼓上试试。多做实验最重要。同样地,一点点失真,宜少不宜多。
    • 创造强劲的摇滚人声。在某些类型的摇滚人声上,使用失真或饱和可以产生强有力的效果。这类设置通常比吉他或其他乐器更加微妙,但却能给人声增添额外的质感和能量。Butch Vig签名插件就可以让你轻易模仿出Butch Vig标志性的失真人声(可以参考下Foo Fighters、Nirvana、Garbage这些乐队的唱片)。它不仅有模拟电子管晶体管的饱和建模,还提供了压缩和均衡等选项。
    • 使用失真修饰辅助效果。例如,在延迟后插入,可以创建失真的回声;或者在混响之后插入,可以给人声添加些许肥美感。说到这里,又得提到Manny Marroquin Distortion,它提供的灵活控制设置,非常适合给信号添加恰当的失真或过载。

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  • 也即u2的波形和u1一样,但u2均为正值即u2>0,u2的平均电压不在为零,这样做的目的是因为发射结导通有一个死区电压,必须抬升电压后才能保证完整的信号输入,否则信号会被削去大部分,造成了严重的失真。见下图输入...

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    • 我们知道晶体三极管具有电压、电流放大功能,有饱和、放大、截止三个工作区,有共射、共基、共集三种基本接法,其输入、输出信号随接法不同而相位不同,下面就共射接法各点电压、电流变化情况做一探讨。通过分析我们可以进一步认识三极管的放大原理,为电路分析打下良好的基础。

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    共发射极放大电路

    • 上图中C1、C2分别是输入、输出耦合电容,Rb为基极偏置电阻,Rc为集电极负载电阻,VT为npn三极管,输入电压为u1、发射结输入电压为u2、集电极负载电阻Rc两端电压为u3、集电极发射极之间的电压为u4、最后的输出电压为u5,基极电流为ib,集电极电流为ic,电源为Ec,该电路属于典型的、基本的共射放大电路,也即输入和输出的公共端为发射极

    • 我们通过选择合适的电路元件参数,使其发射结正偏、集电结反偏(Uc>Ub>0),那么该电路就工作在放大状态,输入、输出电流满足ic=βib关系,也即集电极电流是基极电流的β倍。

    • 设输入为一正弦交流小信号u1(注意是小信号,也即在±0.7v内,如果超过了这个范围会出现饱和失真、截止失真问题),其大小和方向均做周期性变化,平均值为零;经过电容C1的耦合后其与原直流偏置电压Ube叠加后变成了脉动直流信号u2,也即u2的波形和u1一样,但u2均为正值即u2>0,u2的平均电压不在为零,这样做的目的是因为发射结导通有一个死区电压,必须抬升电压后才能保证完整的信号输入,否则信号会被削去大部分,造成了严重的失真。见下图输入电压u1、u2波形图。

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    输入电压u1、u2波形图

    • 输入电压u1、u2是激励,基极电流ib是响应,基极电流ib、集电极ic的波形如下,ib与u1波形一致,也为脉动直流,三极管工作在放大区,符合ic=βib的关系,信号电流被放大,集电极电流ic波形与输入电流ib波形一致;也就是ib和ic是同相关系,要增加都增加,要减小都减小;见下图输入电流与输出电流波形图。

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    输入输出电流波形图

    • 因为Rc是纯电阻,因此集电极负载电阻两端电压u3与集电极电流ic是同相关系,它们之间的关系符合欧姆定律,即u3=icRc,因此u3也是脉动直流;而u4=Ec-u3,它们之间符合克希荷夫电压定律,u3增大那么u4减小,它们的和是定值Ec,也就是它们存在反相关系,那么u4与ic、ib也是反相关系,与u1也是反相关系,这就是共射接法的反相作用,根本原因是Rc的作用,试想如果我们从Rc上获取电压那么输入与输出就是同相关系了。u3u4的波形图如下图所示。它们均比输入电压u1幅度增大了许多。

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    u3u4变化波形

    • 由于u4在随着u1的变化而变化着,导致电容C4电压也指跟随变化,也即进行着充放电,而充放电的时候电流方向是不一样的,这样就将脉动直流电变成了交流电,也就输出电压u5是一个波形和u4一样,但有了负值,幅值远大于输入电压u1.且u5和输入电压u1是反相关系。

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    输出电压u5

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  • 或者使用一台矢量源,通过基带侧编辑波形文件,从而由单个通道输出双音信号,这种方法产生的信号本身会有一定的三阶交调失真,因此只是将其作为一种备选方案,实在没有两台信号源时才使用这种方法。 图4. 采用单台...

    RF测试笔记是业界一线工程师们通过理论和实践相结合的方式介绍射频微波测试技术的专栏,主要涵盖噪声系数、数字调制、矢网、频谱分析、脉冲信号等内容如有想看到的内容或技术问题,可以在文尾写下留言。

    关于半导体器件的非线性特性,在上一篇文章《1dB增益压缩点概述及测试》中对其产生的原因进行了简单的阐述,并介绍了1dB压缩点的定义及测试方法。表征非线性的参数除了P1dB外,另外一个非常重要的通用参数就是三阶交调失真(3rd-order IMD),这将是本文要重点介绍的内容。

    任何半导体器件都具有一定的非线性,尤其在大信号输入情况下,非线性将更加明显。由于放大器具有一定的增益,这意味着放大器有着比其它半导体器件更加明显的非线性,这也是实际中为什么特别关注放大器非线性的原因。下文将以放大器为例,展开对交调失真及其测试方法的讨论。

    1. 交调失真会带来哪些影响?

    无线通信系统中,交调失真不仅会影响发射链路的性能,还会影响接收链路的性能。

    对于发射链路,非线性最严重的部件非功率放大器莫属,当信号为宽带调制信号时,无论是在信号带宽内还是带宽外,都将会产生比较丰富的交调产物。带外的交调产物将会导致对其它信道的干扰,在通信上通常采用ACLR或者ACPR进行表征,称为邻道泄露比。带内的交调产物将会对信号本身造成干扰,恶化信噪比/ 信干比,通常采用噪声功率比NPR表征,这是卫星通信比较关注的参数。

    对于接收链路,主要考虑的是前端低噪声放大器的交调失真,当在信号附近存在比较强的双音或多音干扰时,交调失真产物将会落入信号带内,从而恶化接收机的灵敏度。其中一种非常有针对性的测试项目就是手机“双音灵敏度”,即在相邻信道的位置上存在双音干扰时,测试此时的灵敏度。规范中定义了双音干扰的频点及幅度,要求灵敏度必须要满足一定的要求。这就要求射频前端LNA有比较优异的线性度!

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    图1. 交调失真落入带内从而造成直接干扰

    综上所述,交调失真对无线通信的整个收发系统的性能有着非常重要的影响,在射频放大器的设计及调试中,非线性性能是不可忽视的考量因素。

    2. 交调失真产生机制概述

    当给放大器输入单音信号(即单频点信号) 时,放大器将输出基频及其谐波分量。当输入双音或多音信号时,放大器的非线性将导致不同频率之间进行组合而产生不同的频率成分,这些称为交调失真产物。

    交调失真是如何产生的?

    非线性电路的输出信号进行泰勒(Taylor) 级数展开如下:

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    为简便起见,下面考虑输入信号为等幅双音信号。令输入激励信号为

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    代入上式可得

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    将上式各个分项展开后发现,vout(t) 将包含如下三种类型的频率成分:

    (1)4a0bc1ab921fad928319dc4a36272b04.png14a0bc1ab921fad928319dc4a36272b04.png2的基波及谐波;

    (2) 4a0bc1ab921fad928319dc4a36272b04.png14a0bc1ab921fad928319dc4a36272b04.png2 的组合频率:m4a0bc1ab921fad928319dc4a36272b04.png1 ± n4a0bc1ab921fad928319dc4a36272b04.png2 (m, n为正整数);

    (3) DC分量。

    上述第二种频率分量即为交调失真产物,m与n之和决定了交调产物的阶数。比如,4阶以内的交调失真包括:

    34a0bc1ab921fad928319dc4a36272b04.png1 ± 4a0bc1ab921fad928319dc4a36272b04.png2:m=3,n=1,四阶交调产物;34a0bc1ab921fad928319dc4a36272b04.png2 ± 4a0bc1ab921fad928319dc4a36272b04.png1:m=1,n=3,四阶交调产物;24a0bc1ab921fad928319dc4a36272b04.png2 ± 24a0bc1ab921fad928319dc4a36272b04.png1:m=2,n=2,四阶交调产物;24a0bc1ab921fad928319dc4a36272b04.png1 ± 4a0bc1ab921fad928319dc4a36272b04.png2:m=2,n=1,三阶交调产物;24a0bc1ab921fad928319dc4a36272b04.png2 ± 4a0bc1ab921fad928319dc4a36272b04.png1:m=1,n=2,三阶交调产物;4a0bc1ab921fad928319dc4a36272b04.png2 ± 4a0bc1ab921fad928319dc4a36272b04.png1:m=1,n=1,二阶交调产物;

    在众多非线性失真项中,从频谱上看,距离基频信号最近的是差频三阶交调分量:(24a0bc1ab921fad928319dc4a36272b04.png1 - 4a0bc1ab921fad928319dc4a36272b04.png2) 和(24a0bc1ab921fad928319dc4a36272b04.png2 - 4a0bc1ab921fad928319dc4a36272b04.png1)。在宽带通信系统中,它们是最容易对信号本身及邻道造成干扰的,而且在交调产物中,三阶交调的幅度又是相对较强的,因此,三阶交调是最受关注的失真项。通常所给出的有源器件的交调失真参数基本都是指三阶交调失真。

    那么三阶交调失真是否只有泰勒级数展开中的三阶项产生呢?实际上,除了三阶项会产生外,五阶、七阶等奇数高阶项也可以产生,只是阶数越高,贡献越少。

    为了便于定量分析,下表给出了泰勒级数展开后五阶项以内的基频及三阶交调失真的系数。

    表1. 基频及三阶交调失真的系数(5阶项以内)

    coefficientcos(24a0bc1ab921fad928319dc4a36272b04.png1-4a0bc1ab921fad928319dc4a36272b04.png2)tcos4a0bc1ab921fad928319dc4a36272b04.png1tcos4a0bc1ab921fad928319dc4a36272b04.png2tcos(24a0bc1ab921fad928319dc4a36272b04.png2-4a0bc1ab921fad928319dc4a36272b04.png1)t
    (cos4a0bc1ab921fad928319dc4a36272b04.png1t+ cos4a0bc1ab921fad928319dc4a36272b04.png2t)10110
    (cos4a0bc1ab921fad928319dc4a36272b04.png1t+ cos4a0bc1ab921fad928319dc4a36272b04.png2t)20000
    (cos4a0bc1ab921fad928319dc4a36272b04.png1t+ cos4a0bc1ab921fad928319dc4a36272b04.png2t)33/49/49/43/4
    (cos4a0bc1ab921fad928319dc4a36272b04.png1t+ cos4a0bc1ab921fad928319dc4a36272b04.png2t)40000
    (cos4a0bc1ab921fad928319dc4a36272b04.png1t+ cos4a0bc1ab921fad928319dc4a36272b04.png2t)525/825/425/425/8

    基频和三阶交调失真分量可分别写为

    57b4829e61b20125b7b46b3b658219dc.png

    式中,“∑高阶项”是指5阶以上高阶项贡献的分量。阶数越高,常系数ci越小,为了便于分析,可将高次项忽略。

    下面分别以4a0bc1ab921fad928319dc4a36272b04.png和(24a0bc1ab921fad928319dc4a36272b04.png1 - 4a0bc1ab921fad928319dc4a36272b04.png2) 两个频率信号为例,讨论其输出功率与输入功率之间的关系。

    输入的基频信号功率为

    c549f92e2bad871c17ee5d73bc14790f.png

    输出的基频信号功率为

    225add38e2ba9e1380d86eb66f58b957.png

    对数表示为

    6e5f6054a2be4e7ce52e4a1b8603eed2.png

    由公式可知,当输入信号较小时,基频信号的输出功率与输入功率呈现近似线性的关系。

    三阶交调失真功率为

    cbcfdccf3d1a64836f437346e9a0d9fd.png

    对数表示为

    aa3e6e78ee3712083762c6de997ea13b.png

    在对数坐标系下,由上述公式可得如下结论:

    (1) 无论是基频信号还是三阶交调失真,在放大器输出侧,功率随输入功率的变化都不是线性的;

    (2) 当输入信号功率比较低时,c3V02→0,c5V02→0,c5V04→0,此时基频信号和三阶交调失真的输出功率随输入功率呈现为近似线性关系。这一点比较重要,因为在后面推导三阶交调点(IP3) 功率时需要基于这一近似线性关系;

    (3) 在近似线性区域,随着输入功率的增加,三阶交调失真的功率将比基频分量的功率增加更快,前者增加的速度是后者的三倍,体现在输入、输出功率对数坐标系中,基频功率曲线斜率为1,而三阶交调功率曲线斜率为3,如图2所示;

    (4) 在近似线性区域,由数学表达式可知,当输入功率较低时(通常远小于0dBm),三阶交调分量的功率要远小于基频信号功率;

    (5) 随着输入功率的进一步增大,基频和三阶交调失真的输出功率曲线的非线性越来越明显,逐步呈现压缩状态。

    1018838d718f16b99c1676e39d496e81.png

    图2. 非线性引起的基频及三阶交调失真产物的功率输出特性

    非线性引起的三阶交调失真通常使用“三阶交调失真度(IMD3, 3rd order intermodulation distortion)”和“三阶交调点(IP3, 3rd order intercept point)”两个参数衡量,后者实际是三阶交调点对应的输入或者输出功率。

    图2所示的功率输出特性曲线中,在输入功率较低时,基频和三阶交调失真的功率曲线均呈现近似线性关系,由于斜率不同,二者线性延长必然会存在交点,该交点即为三阶交调点IP3。当然,实际中不可能达到IP3对应的输出功率,IP3的引入只是为了在输入双音或者多音信号时,能够按照统一的方法衡量半导体器件的非线性特性。

    三阶交调失真度IMD3 是如何定义的?

    三阶交调分量与基频分量的功率比值定义为IMD3,使用对数表示为

    3e5937814b97be6149e30e2567e965df.png

    进一步化简得

    IMD3(dB)=2Pin+Res.

    式中,余项Res.表达式如下

    30aed65c2258163b9622924ed403f15c.png

    在近似线性区域,上述余项可以认为是一个常数,这意味着:输入功率每增加1dB,则IMD3将恶化2dB;反之,输入功率每降低1dB,则IMD3将改善2dB。如果超出近似线性区域,这种关系就不满足了!

    IMD3与IP3功率之间有什么关系?

    如前所述,IP3是指两条直线延长线的交点,如果要确定这个点,就需要基于这两条直线进行运算。两条直线的公式可以分别写为

    50da327986595c323a9b88dff0519526.png

    二者的交点意味着两个信号的输出功率相同,假设IP3对应的输入、输出功率分别为IIP3和OIP3,代入上式为

    c18776352d412564e861504c57f7b52f.png

    二者相减可得

    a901fe79eca2493b5c2dd9d55015067e.png

    线性区域内,三阶交调失真度IMD3为

    f9e82444688c5d00b4033191c3a77165.png

    结合以上两个公式可得

    118940b893b100498bb42fe04423c89c.png

    式中,G为放大器的线性增益。

    上式是计算IP3功率的重要依据,但是有个大前提:一定要在近似线性区域内测试IMD3,否则上述计算IP3功率的公式并不成立!

    3. 如何测试三阶交调失真度及交调点功率?

    IMD3及IP3的测试并不困难,但是测试中有些需要注意的点,处理不好就会影响测试结果的准确性。

    三阶交调的测试,要求给待测件馈入等幅双音信号,双音频间距应按照待测件测试的要求进行设置,通常需要根据实际使用场景来选择合适的双音频点及频间距。对于IMD3的测试,双音幅度可大可小,但是如果要测试IP3,如上一节所述,幅度不能太大,必须要保证待测件工作在近似线性区域。

    39d41478361f407d1605a1e067ddc963.png

    图3. 采用两台信号源测试三阶交调失真的连接示意图

    测试时,可以使用两台信号源提供双音信号,这是三阶交调测试最常用的方法,可以提供相对比较纯净的双音信号。或者使用一台矢量源,通过基带侧编辑波形文件,从而由单个通道输出双音信号,这种方法产生的信号本身会有一定的三阶交调失真,因此只是将其作为一种备选方案,实在没有两台信号源时才使用这种方法。

    b4cd981c0374eeb2dcfb5a00c17c5284.png

    图4. 采用单台矢量源测试三阶交调失真的连接示意图

    图3和图4分别给出了采用两种双音产生方式时的三阶交调测试连接示意图,整个测试比较简单,使用频谱仪测试放大器输出的频谱,设置合适的参考电平、中心频率、Span及RBW等,显示出基频及三阶交调信号的频谱,使用Marker功能即可标定IMD3,并由此计算出IP3的功率值。目前市面上的中高端频谱仪基本都带有IMD3和IP3直接测试功能,测试更加方便。

    下面分别从频谱仪和信号源两个方面介绍一下测试中需要特别注意的点。

    (1) 频谱仪侧要特别注意,测试时不能使得频谱仪自身进入非线性而产生较强的三阶交调失真。测试中,频谱仪一定会产生交调失真,只是不能太强,否则会扰乱测试。

    判定方法:增大频谱仪内部的前端衰减器,如果三阶交调分量变化不大,则可以忽略频谱仪产生的交调失真造成的影响。如果三阶交调分量变小,则意味着此时还需要进一步增大衰减度直到三阶交调分量变化不大。但是,使用衰减器的方式会降低IMD3的测试动态范围,必要时,可以考虑使用陷波器衰减基频信号,从而防止频谱仪产生较强的交调失真。

    如果测试PA的三阶交调失真,在馈入频谱仪之前务必要使用合适功率容量的衰减器,保证不会对频谱仪造成损害,如果要实现比较高的测试动态,那就需要使用陷波器衰减基频信号。

    (2) 信号源侧的注意事项主要有两点,其中一个就是双音信号幅度。

    如果测试IMD3,对双音幅度是没有太高要求的,但是IP3的测试要求输入信号幅度不能太高,要保证放大器工作在近似线性的区域,建议双音信号幅度低于1dB增益压缩点输入功率Pin,1dB至少20dB。无论是测试IMD3,还是测试IP3,记录测试结果时一定要注明双音频间距及幅度!

    判定方法:如果输入功率增加1dB,IMD3恶化2dB,则说明此时放大器依然工作在近似线性区域,可以计算IP3。

    另一个需要注意的点是,采用图3所示的测试装置也可能在合路器输出侧就已经存在三阶交调产物。具体的原因与信号源的自动功率控制环路有关,后面有时间再详细介绍。简言之,由于合路器有限的端口隔离度,导致信号反向串入信号源,再经过ALC环路的作用,使得信号源本身输出了双音及交调失真信号。

    建议测试前,先使用频谱仪测试双音信号,观测是否存在较强的三阶交调失真。

    如何降低这种情况对测试带来的影响?

    大部分信号源都支持手动关闭信号源的ALC功能,可以有效避免这种情况的发生。但是,关闭ALC功能后,同时也会降低输出功率的稳定度。

    或者使用一个高隔离度的耦合器充当合路器,抑或在每台信号源的输出端分别连接一个衰减器,从而增加彼此之间的隔离度。

    以上便是要给大家分享的内容,希望对大家有所帮助~~

    小文虽短但不乏精华,希望大家持续关注“微波射频网”,后续精彩不断~

    本期原创工程师:海川

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