Учебное пособие по генерированию сигналов

В этом разделе приведена рабочая информация по нескольким типам сигналов и рабочим режимам прибора. В последних двух разделах можно найти информацию, которая может помочь улучшить качество сигнала.

Сигналы произвольной формы

Сигналы произвольной формы позволяют смоделировать сигналы необходимой формы, которые не удается получить с использованием стандартных сигналов прибора. Например, может потребоваться уникальный стимул или необходимо симулировать дефекты сигнала, например отклонение, затухающие колебания, импульсную помеху или шум. Сигналы произвольной формы могут быть очень сложными, поэтому они подходят для симуляции сигналов в современных системах связи.

Можно создавать сигналы произвольной формы от 8 точек (для приборов серии 33500) или 32 точек (для приборов серии 33600) до 1 000 000 точек. Прибор сохраняет в памяти эти точки в виде числовых данных, которые называются выборками, а затем преобразует их в напряжение при генерировании сигнала. Частота, с которой выполняется чтение точек, называется частотой дискретизации; частота сигнала равна частоте дискретизации, деленной на количество точек сигнала. Например, предположим, что сигнал имеет 40 точек, а частота дискретизации равна 10 МГц. Частота будет составлять (10 МГц)/40 = 250 кГц, а период будет равен 4 мкс.

Сигналы произвольной формы могут быть одноканальными или (с модулем IQP) двухканальными, например как сигналы IQ основной полосы частот. Двойной сигнал произвольной формы аналогичен стереофоническому музыкальному файлу. Он имеет два информационных канала, содержащих одинаковое число выборок, начинающихся и заканчивающихся одновременно и имеющих одинаковую частоту дискретизации.

Можно контролировать искажение и баланс между каналами в двойных сигналах произвольной формы с помощью команд подсистемы SCPI FUNCtion или с использованием элементов передней панели.

Прибор имеет два фильтра для обеспечения плавности переходов между точками при генерировании сигналов.

• Фильтр Normal: широкая плоская амплитудно-частотная характеристика, но отклик на скачок приводит к отклонению или затухающему колебанию.
• Фильтр Step: практически идеальный отклик на скачок, но с большим количеством спадов в частоте по сравнению с фильтром Normal.
• Off: вывод сигнала изменяется прерывисто между точками, и время передачи составляет приблизительно 10 нс.

Срез частоты каждого фильтра является фиксированным дробным выражением частоты дискретизации сигнала. Отклик фильтра Normal составляет -3 дБ при 27 % частоты дискретизации, а отклик фильтра Step соответствует -3 дБ при 13 % частоты дискретизации. Например, для сигнала произвольной формы с частотой дискретизации 100 Мвыб./с полоса пропускания фильтра Normal -3 дБ равна 27 МГц.

При выключении фильтра может измениться частота дискретизации, если она была более 250 Мвыб./с до выключения фильтра.

Последовательности сигналов произвольной формы используются, когда генерируемый сигнал имеет следующие характеристики.

• Сигнал очень длинный и содержит повторы более коротких фрагментов. Эти фрагменты могут повторяться любое количество раз в любом порядке.
• Для перехода от одного фрагмента сигнала к другому требуется управление в режиме реального времени (запуски).

Например, для первого случая рассмотрим сигнал, который должен воспроизводить несколько раз одинаковый начальный сигнал, затем однократно три других сигнала, далее вернуться к непрерывному воспроизведению первого сигнала. Это может быть симулированный пакет данных модема, состоящий из простого сигнала, заголовка, данных, контрольной суммы и возврата к простому сигналу.

Может использоваться следующее описание последовательности.

1. Воспроизводить "idle.arb" 10 раз
2. Однократное воспроизведение "header.arb"
3. Однократное воспроизведение "data.arb"
4. Однократное воспроизведение "checksum.arb"
5. Непрерывно повторяющееся воспроизведение "idle.arb".

Во втором случае может потребоваться инициировать отправку "header.arb" с помощью внешнего аппаратного запуска. В данном случае может использоваться следующее описание.

1. Воспроизводить "idle.arb" многократно до получения сигнала запуска
2. Однократное воспроизведение "header.arb"
3. Однократное воспроизведение "data.arb"
4. Однократное воспроизведение "checksum.arb"
5. Непрерывно повторяющееся воспроизведение "idle.arb".

Файл последовательности (*.seq) содержит информацию в виде нумерованных списков, файлы сигналов произвольной формы (*.arb) содержат отдельные сигналы.

Прибор может создавать длинные сложные последовательности сигналов произвольной формы (сегменты). Переключение между сегментами происходит плавно в режиме реального времени. В качестве аналогии сегменты можно представить в виде песен в музыкальном проигрывателе, а последовательности – в виде списков воспроизведения.

Каждый шаг последовательности задает сегмент и количество раз его воспроизведения. Он также определяет, необходим ли запуск последовательности для перехода к следующему шагу, а также пошаговое генерирование сигнала Sync.

С каждым сегментом можно выполнить следующие операции.

• Воспроизвести сегмент от 1 до 1 000 000 раз, а затем перейти к следующему шагу.
• Воспроизвести сегмент один раз, затем сделать остановку и ждать поступления сигнала запуска для перехода к следующему шагу.
• Повторять сегмент до получения сигнала запуска, а затем выполнить переход.
• Повторять сегмент до принудительной остановки.

Доступны следующие параметры генерации сигнала Sync.

• Утверждение сигнала Sync в начале сегмента.
• Инвертирование сигнала Sync в начале сегмента.
• Сохранение текущего состояния Sync на протяжении всего сегмента.
• Утверждение сигнала Sync в начале сегмента и отклонение в заданной точке сегмента.

Чтобы начать последовательность по запуску, расположите краткий сигнал постоянного тока 0 В (или с любым другим значением) перед другими сигналами в последовательности и задайте для сегмента ожидание запуска для перехода к следующему шагу. Для приборов серии 33500 минимальная длина сегмента составляет 8 выборок; для приборов серии 33600 минимальная длина сегмента составляет 32 выборки.

Если задан повтор сегмента до получения сигнала запуска, сегмент всегда будет заканчиваться перед переходом к следующему сегменту. Кроме того, короткий сегмент может повторяться в дополнительных циклах для очистки буфера выборок последовательность перед продолжением.

Квазигауссов шум

Сигнал шума оптимизируется в соответствии с количественными и качественными статистическими свойствами. Он не повторяется в течение более 50 лет непрерывной работы прибора. В отличие от истинного гауссова распределения существует нулевая вероятность получения напряжения, несоответствующего настройке В между пиками прибора. Коэффициент амплитуды (пиковое напряжение, деленное на среднеквадратичное значение напряжения) равен приблизительно 4,6.

Можно изменять полосу пропускания шума от 1 мГц до максимального значения полосы пропускания прибора. Энергия сигнала шума концентрируется в диапазоне от значения постоянного тока до выбранной полосы пропускания, поэтому сигнал имеет более высокую спектральную плотность в интересующем диапазоне при более низких значениях настройки полосы пропускания. Например, при работе со звуком можно задать для полосы пропускания значение 30 кГц, чтобы уровень сигнала в диапазоне звуковых частот был в 30 дБ выше, чем при установке для полосы пропускания значения 30 МГц.

Псевдослучайная двоичная последовательность (PRBS)

Псевдослучайная двоичная последовательность имеет два уровня (высокий и низкий), а переключение между уровнями выполняется непредсказуемо, при этом алгоритм генерирования последовательности также неизвестен. Псевдослучайная двоичная последовательность генерируется по линейному регистру сдвига с обратными связями, как показано ниже.

Линейный регистр сдвига с обратными связями определяется количеством содержащихся в нем этапов и этапами, в которых присутствует логический элемент "исключающее ИЛИ" в соответствующей сети с обратной связью. Вывод сигнала псевдослучайной двоичной последовательности заимствуется из последнего этапа. Когда этапы выбраны правильно, на этапе L в линейном регистре сдвига с обратными связями создается повторяющийся сигнал двоичной псевдослучайной последовательности с длиной 2 L -1. Тактовая частота линейного регистра сдвига с обратными связями определяет скорость передачи в битах сигнала псевдослучайной двоичной последовательности.

Модели прибора серии 33500 поддерживают установку для параметра L значений 7, 9, 11, 15, 20 или 23, в результате можно получить последовательности длиной от 127 до 8 388 607 бит.

Модели прибора серии 33600 поддерживают установку для параметра L любого целого числового значения от 3 до 32, в результате можно получить последовательности длиной от 7 до 4 294 967 295 бит.

По умолчанию для параметра L задается значение 7, в результате получается последовательность длиной 127 бит.

Модуляция

Прибор использует две формы амплитудной модуляции.

Двухполосная модуляция с неподавленной несущей имеет обозначение МСЭ A3E и является типом модуляции, используемым в широковещании с использованием АМ.

Уравнение для двухполосной модуляции с неподавленной несущей выглядит следующим образом:

m(t) – модулирующий сигнал,Ac – амплитуда несущей,ωc – несущая частота несущей,  d – коэффициент модуляции или дробное выражение диапазона амплитуды, используемого при модуляции.

Например, коэффициент модуляции 80 % изменяет амплитуду от 10 % до 90 % заданного для амплитуды значения (90% - 10% = 80%) при использовании внутреннего или полномасштабного (±5 В для приборов серии 33500, ±5 В или ±1 В для приборов серии 33600) внешнего модулирующего сигнала. Для коэффициента можно задать значение 120 %, если при этом не превышается максимальное выходное напряжение прибора (±5 В при 50 Ω, ±10 В при высоком сопротивлении).

На изображении ниже верхняя осциллограмма представляет сигнал модуляции, а нижняя осциллограмма – модулированный несущий сигнал.

Модуляция с двумя боковыми полосами и подавленной несущей частотой (DSSC). Во многих современных системах связи используется модуляция с двумя боковыми полосами и подавленной несущей частотой в каждом из двух каналов, которые имеют одинаковую частоту и разность фаз 90 градусов. Это называется квадратурная амплитудная модуляция (КАМ)

Уравнение для двухполосной модуляции с подавлением несущей выглядит следующим образом: y(t)=d•m(t)•sin(ωc t)

Частотная модуляция изменяет частоту сигнала несущей в соответствии с модулирующим сигналом:

где m(t) – модулирующий сигнал и d – девиация частоты. Частотная модуляция называется узкополосной, если девиация составляет менее 1 % полосы пропускания модулирующего сигнала и широкополосной при других показаниях. Можно приблизительно установить полосу пропускания модулированного сигнала с помощью следующих уравнений.

Полоса пропускания ≈ 2•(полоса пропускания модулирующего сигнала) для узкополосной ЧМ

Полоса пропускания ≈ 2•(девиация+полоса пропускания модулирующего сигнала) для широкополосной ЧМ

На изображении ниже верхняя осциллограмма представляет сигнал модуляции, а нижняя осциллограмма – модулированный несущий сигнал.

Фазовая модуляция (ФМ)

Фазовая модуляция сходна с частотной модуляцией, но при этом изменяется фаза сигнала несущей, а не частота:

где m(t) – модулирующий сигнал и d – девиация фазы.

Частотная манипуляция сходна с частотной модуляцией, но частота несущей переключается между двумя текущими значениями частоты несущей и скачка по частоте. Иногда скачок по частоте и частоту несущей называют меткой и пробелом соответственно. Скорость переключения между этими значениями определяется внутренним таймером или сигналом на разъеме задней панели Ext Trig. Частота изменяется мгновенно и непрерывно при переходе по фазам.

Внутренний сигнал модуляции является прямоугольным сигналом с коэффициентом заполнения 50%.

На изображении ниже верхняя осциллограмма представляет сигнал модуляции, а нижняя осциллограмма – модулированный несущий сигнал.

Двоичная фазовая модуляция сходна с частотной манипуляцией, но переключение выполняется между двумя значениями фазы несущей, а не частоты. Скорость переключения между этими значениями определяется внутренним таймером или сигналом на разъеме задней панели Ext Trig. Фаза изменяется мгновенно.

Внутренний сигнал модуляции является прямоугольным сигналом с коэффициентом заполнения 50%.

ШИМ доступна только для импульсных сигналов, а длительность импульса изменяется в зависимости от сигнала модуляции. Величина, на которую изменяется длительность импульса, называется отклонением от длительности и может быть выражена в процентном отношении к периоду сигнала (т.е. коэффициенту заполнения) или в единицах измерения времени. Например, при установке импульса, составляющего 20% от коэффициента заполнения, и последующей активации ШИМ с отклонением в 5% сигнал модуляции будет инициировать изменение коэффициента заполнения от 15% до 25%.

Функция "Sum" выполняет добавление модулирующего сигнала к несущей. Например, можно добавлять контролируемые сигналы шума с разной полосой пропускания к сигналу или создавать двухтоновые сигналы. Внутренний генератор модуляции прибора может создавать непрерывные сигналы, как и основной генератор, поэтому функция Sum позволяет создавать много сигналов, для создания которых ранее требовалось два прибора.

При использовании функции Sum амплитуда выходного сигнала увеличивается на амплитуду модулирующего сигнала. При этом прибор может переключиться на более высокий диапазон напряжения, что приведет к кратковременной потере сигнала. Если в приложении возникла эта неполадка, включите функцию Range Hold. Если повышение напряжения может привести к повреждению устройства во время диагностики, примените параметр Voltage Limits.

Пакет

Можно настроить прибор для вывода сигнала в течение установленного числа циклов, называемого пакетом. Можно использовать два режима для пакетного сигнала: пакетный режим для сигналов с количеством циклов N (также называется пакетным режимом по запуску) или пакетный режим для стробированных сигналов.

Пакетный сигнал с количеством циклов N состоит из определенного количества циклов сигнала (от 1 до 1 000 000) и всегда инициируется событием запуска. Можно также задать количество пакетов, равное бесконечности, в результате этого при запуске прибора будет воспроизводиться непрерывный сигнал.

На изображении ниже верхняя линия является выходным сигналом sync, а нижняя линия – основным выходным сигналом.

Для пакетных сигналов источником запуска может быть внешний сигнал, внутренний таймер, нажатие кнопки или команда с интерфейса дистанционного управления. Входным разъемом для внешних сигналов запуска служит разъем Ext Trig на задней панели. Этот разъем связан с заземлением корпуса (а не с плавающим заземлением). Когда не используется как вход, разъем Ext Trig можно конфигурировать как выход, чтобы прибор можно было использовать для запуска других приборов в то время, когда возникает событие внутреннего запуска.

Пакетный сигнал с количеством циклов N всегда начинается и заканчивается в одной точке сигнала, которая называется начальной фазой.

В пакетном режиме GATed выходной сигнал может быть активирован или деактивирован в зависимости от сигнала в разъеме Ext Trig на задней панели. Выберите полярность сигнала, используя команду BURSt:GATE:POLarity. Когда стробирующий сигнал имеет значение "истина", прибор выводит непрерывный сигнал. Если стробирующий сигнал имеет значение "ложь", текущий цикл сигнала будет завершен, и прибор будет остановлен; его напряжение останется на уровне, соответствующем начальной фазе пакета. При выпуске сигнала шума прибор остановится, как только стробирующий сигнал получит значение "ложь".

Развертка частоты

Развертка частоты аналогична частотной модуляции, но только не использует модулирующий сигнал. Вместо этого прибор задает выходную частоту на основе линейной или логарифмической функции или с помощью списка из 128 частот, заданных пользователем. Линейная развертка изменяет выходную частоту на постоянное количество Гц в секунду, логарифмическая развертка изменяет частоту на постоянное количество декад в секунду. Логарифмическая развертка позволяет покрывать более широкие диапазоны частот, где разрешение на низких частотах может быть потеряно при использовании линейной развертки.

Развертка частоты характеризуется временем развертки (в течение которого частота плавно изменяется от начальной до конечной частоты), временем удержания (в течение которого частота не изменяется и остается на начальной частоте) и временем возврата (в течение которого частота плавно и линейно возвращается к начальной частоте). Параметры запуска определяют начало следующей развертки.

Атрибуты сигналов переменного тока

Наиболее распространенным сигналом переменного тока является синусоидальный сигнал. Фактически любой периодический сигнал может быть представлен как сумма различных синусоидальных сигналов. Амплитуда синусоидального сигнала обычно определяется пиковым значением, значением полной амплитуды или среднеквадратическим значением. Все эти измерения предполагают, что сигнал имеет нулевое смещение напряжения.

Пиковым напряжением сигнала является максимальное абсолютное значение всех его точек. Полной амплитудой напряжения или напряжением между пиками считается разница между максимальным и минимальным напряжением. Среднеквадратическое напряжение равно стандартному отклонению всех точек сигнала; его также можно представить как среднюю мощность одного цикла с вычетом мощности любого компонента постоянного тока сигнала. Коэффициент амплитуды является отношением пикового значения сигнала к его среднеквадратичному значению и изменяется в соответствии с формой сигнала. В таблице ниже приведено несколько распространенных сигналов с соответствующими им коэффициентами амплитуды и среднеквадратичными значениями.

Если вольтметр средних значений используется для измерения напряжения постоянного тока сигнала, показания могут не соответствовать настройке смещения постоянного тока. Это происходит потому, что сигнал может иметь ненулевое среднее значение, которое добавляется к смещению по постоянному току.

Иногда можно видеть уровни переменного тока, заданные в децибелах на 1 милливатт (дБм). Поскольку значение дБм представляет уровень мощности, чтобы выполнить вычисления, необходимо знать среднеквадратичное напряжение сигнала и сопротивление нагрузки.

дБм = 10 x log10 (P / 0.001) где P = среднеквадратические В 2 /величина нагрузки

Для синусоидального сигнала при нагрузке 50 Ω в следующей таблице приведены значения дБм, соответствующие напряжению.

дБм Среднеквадратическое значение напряжения Полная амплитуда напряжения +23,98 дБм 3,54 В (среднеквадратичное значение) 10,00 В между пиками +13,01 дБм 1,00 В (среднеквадратичное значение) 2,828 В между пиками +10.00 дБм 707 мВ (среднеквадратичное значение) 2,000 В между пиками +6,99 дБм 500 мВ (среднеквадратичное значение) 1,414 В между пиками 3,98 дБм 354 мВ (среднеквадратичное значение) 1,000 В между пиками 0.00 дБм 224 мВ (среднеквадратичное значение) 632 мВ между пиками -6,99 дБм 100 мВ (среднеквадратичное значение) 283 мВ между пиками -10.00 дБм 70,7 мВ (среднеквадратичное значение) 200 мВ между пиками -16,02 дБм 35,4 мВ (среднеквадратичное значение) 100 мВ между пиками -30.00 дБм 7,07 мВ (среднеквадратичное значение) 20,0 мВ между пиками -36,02 дБм 3,54 мВ (среднеквадратичное значение) 10,0 мВ между пиками -50.00 дБм 0,707 мВ (среднеквадратичное значение) 2,00 мВ между пиками -56,02 дБм 0,354 мВ (среднеквадратичное значение) 1,00 мВ между пиками

Для нагрузки 75 Ом или 600 Ом используйте следующие преобразования.

дБм (75 Ом) = дБм (50 Ω) – 1,76

дБм (600 Ом) = дБм (50 Ω) – 10,79

Дефекты сигналов

Наиболее распространенные дефекты синусоидальных сигналов легко описать и рассмотреть в частотной области, используя анализатор спектра. Любой компонент сигнала с частотой, отличной от основной (или несущей), рассматривается как искажение. Эти дефекты можно классифицировать на гармонические, негармонические случайные искажения или фазовый шум, они определяются в децибелах относительно уровня несущей (дБн).

Гармонические компоненты возникают в точках целых значений основной частоты и обычно образуются нелинейными компонентами в тракте сигнала. При низких амплитудах сигнала другим возможным источником гармонических искажений является сигнал Sync, представляющий собой сигнал прямоугольной формы с множеством сильных гармонических компонентов, которые могут объединяться в основном сигнале. Несмотря на то, что сигнал Sync изолирован от основных выходов сигналов прибора, замыкание может произойти во внешних кабелях. Для достижения наилучших результатов используйте высококачественные коаксиальные кабели с двойными или тройными экранами. Если сигнал Sync не требуется, не подключайте кабель к разъему или отключите соответствующую функцию.

Одним источником негармонических случайных компонентов (называемых зубцами) является цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), который преобразует значения цифрового сигнала в напряжение. Нелинейность сигнала в ЦАП обеспечивает возрастание гармонических искажений, которые могут быть выше частоты Найквиста и поэтому смешиваться с более низкими частотами. Например, пятая гармоника 30 МГц (150 МГц) может создать зубец при 100 МГц.

Другим источником негармонических искажений является объединение с сигналами несвязанных источников (например, с тактами встроенного контроллера) в выходном сигнале. Такие зубцы обычно имеют постоянную амплитуду и наиболее ощутимы, когда амплитуда сигнала ниже 100 мВ между пиками. Для достижения оптимальной чистоты сигнала при низких значениях амплитуды уровень выходного сигнала прибора должен быть относительно высоким, также необходимо использовать внешний аттенюатор.

Фазовый шум происходит из небольших мгновенных изменений выходной частоты (дрожание). На анализаторе спектра он отображается как нарастание собственного шума вблизи частоты выходного сигнала. Фазовый шум характеризуется амплитудами шума в полосах 1 Гц, расположенных на частоте 1 кГц, 10 кГц и 100 кГц от синусоидального сигнала 30 МГц. Следует учесть, что анализатор спектра также имеет фазовый шум, таким образом, уровни показаний могут включать фазовый шум анализатора.

Конечное разрешение ЦАП сигнала приводит к ошибкам квантования напряжения. Если ошибки равномерно распределены по диапазону наименее значимого бита разрешения ±0,5, то эквивалентный уровень шума для стандартных сигналов равен приблизительно -95 дБн. На этом уровне преобладают другие источники сигнала. Шум квантования можно учитывать даже в сигналах произвольной формы, которые не используют весь диапазон кодов ЦАП (от -32767 до +32767). Если возможно, выполняйте масштабирование сигналов произвольной формы, чтобы использовать весь диапазон.

Контуры заземления

Часть прибора, отвечающая за генерирование сигналов, изолирована от заземления корпуса. Это помогает устранить контуры заземления в системе, а также позволяет сопоставить выходной сигнал с напряжением, не относящимся к заземлению. На изображении ниже показан прибор, подключенный к источнику нагрузки с помощью коаксиального кабеля. При возникновении разницы в потенциалах земли (VGND) возникает ток IGND через экран кабеля и появляется падение напряжения вследствие сопротивления экрана (ZSHIELD). Это напряжение (IGND x ZSHIELD) появляется как ошибка в напряжении нагрузки. Но поскольку прибор изолирован, появляется высокое последовательное сопротивление (обычно >1 МОм) параллельно с 50 нФ в противоположность потоку IGND, которое минимизирует этот эффект.

На частотах выше нескольких кГц экран коаксиального кабеля становится индуктивным, а не резистивным, и кабель начинает работать как трансформатор. Когда такое происходит, напряжение в экране падает вследствие смещения напряжения IGND в центральном проводнике, что приводит к снижению эффективности контуров заземления на более высоких частотах. Коаксиальные кабели с двумя или тремя экранами значительно лучше, чем кабели с одним экраном или фольговыми экранами, поскольку они имеют более низкое сопротивление и поэтому становятся трансформаторами на более низких частотах.

Чтобы снизить количество ошибок вследствие возникновения контуров заземления, подключите прибор к источнику нагрузки с помощью высококачественного коаксиального кабеля и заземлите прибор с применением нагрузки, используя экран кабеля. Если возможно, прибор и источник нагрузки должны быть подключены к одной электрической розетке для снижения дальнейшей разницы потенциала земли.

Внешние оплетки разъемов Sync и Modulation In должны быть соединены с соответствующими оплетками основных выходных разъемов. Кабели, подключенные к разъему Sync и/или Modulation In являются потенциальными источниками возникновения контуров заземления. Следует знать, что при подключении к этим оплеткам разъемов другого напряжения через прибор может протекать большой ток, что может привести к повреждению прибора.