如何通过组合使用低端设备来实现高端信号发生器的功能?

通过组合使用低端设备实现高端信号发生器的功能，需结合硬件协同、软件补偿和系统优化，以低成本方案满足高频、高精度、复杂调制等需求。以下是具体实现方法及示例：

一、核心思路：功能拆解与设备协同

将高端信号发生器的功能拆解为多个子任务，利用低端设备的局部优势（如频率范围、调制能力、存储深度）进行协同工作，通过软件或外部电路弥补单一设备的不足。

二、关键实现方法

1. 频率扩展：倍频与混频技术

• 原理：利用低端设备的低频输出，通过倍频或混频电路生成高频信号。
• 实现步骤：
  1. 低端设备生成基带信号：使用函数发生器（如普源DG1000Z，20MHz）生成低频正弦波或调制信号。
  2. 倍频电路：通过非线性器件（如二极管）或专用倍频芯片（如ADF4351）将频率倍增。例如，20MHz信号经3倍频后可达60MHz。
  3. 混频上变频：将倍频后的信号与本地振荡器（LO）信号混频，生成更高频信号。例如，60MHz信号与1GHz LO混频可得到1.06GHz输出。
• 注意事项：
  • 混频会引入杂散信号，需通过滤波器（如LC滤波器）抑制。
  • 倍频效率受输入功率影响，需优化驱动电平。

2. 相位噪声优化：外部参考源与锁相技术

• 原理：低端设备的相位噪声通常较差，可通过外部高稳参考源（如铷钟）和锁相环（PLL）改善。
• 实现步骤：
  1. 低端设备作为压控振荡器（VCO）：选择具有宽调谐范围的VCO（如Mini-Circuits ROS-2080，覆盖2-8GHz）。
  2. 锁相环锁定：使用低端PLL芯片（如ADF4002）将VCO输出锁定到外部参考源（如10MHz铷钟），相位噪声可降低20-30dB。
  3. 软件补偿：通过FPGA或微控制器实时监测并校正频率漂移。
• 示例：
  • 原始VCO相位噪声：-90dBc/Hz@10kHz偏移。
  • 锁相后相位噪声：-115dBc/Hz@10kHz偏移（接近高端设备水平）。

3. 复杂调制实现：软件定义与外部调制器

• 原理：低端设备可能不支持高级调制（如5G NR、OFDM），但可通过软件生成基带信号，再通过外部调制器上变频。
• 实现步骤：
  1. 软件生成基带信号：使用MATLAB、LabVIEW或Python生成I/Q数据，通过任意波形发生器（AWG，如Rigol DG4202，200MSa/s）输出。
  2. 外部IQ调制器：将I/Q信号与LO信号输入IQ调制器（如ADL5375），生成调制后的射频信号。
  3. 功率控制：通过可变衰减器（如HMC346）调整输出功率，满足不同测试需求。
• 优势：
  • 无需高端矢量信号发生器，成本降低50%以上。
  • 支持自定义调制格式，灵活性高。

4. 多通道同步：触发与时钟分配

• 原理：低端设备通常缺乏多通道同步功能，但可通过外部触发和时钟分配实现相位相干输出。
• 实现步骤：
  1. 主时钟分配：使用低抖动时钟分配器（如ADCLK948）将参考时钟（如10MHz）分配给多台设备。
  2. 触发同步：通过外部触发信号（如TTL脉冲）同步多台信号发生器的启动时间。
  3. 相位校准：使用示波器或频谱分析仪测量通道间相位差，通过软件补偿（如调整触发延迟）。
• 示例：
  • 实现4通道相位相干输出，相位误差<1°，满足MIMO天线测试需求。

5. 动态范围扩展：衰减器与放大器组合

• 原理：低端设备输出功率范围有限，可通过外部衰减器和放大器扩展动态范围。
• 实现步骤：
  1. 小信号放大：使用低噪声放大器（LNA，如ERA-5SM）提升微弱信号幅度。
  2. 大信号衰减：使用可编程衰减器（如HMC624LP4）降低高功率信号，避免设备过载。
  3. 自动增益控制（AGC）：通过微控制器实时监测输出功率，动态调整衰减/放大倍数。
• 效果：
  • 动态范围从原始设备的80dB扩展至120dB以上。

三、典型应用场景与方案

1. 5G NR信号生成

• 需求：生成28GHz 5G NR信号，EVM<3%，相位噪声<-110dBc/Hz@10kHz。
• 低端设备组合：
  • 函数发生器（20MHz）：生成基带时钟。
  • AWG（200MSa/s）：生成I/Q数据。
  • IQ调制器（ADL5375）：上变频至28GHz。
  • PLL（ADF4002）+铷钟：优化相位噪声。
• 成本：约5,000（高端设备需50,000+）。

2. 雷达脉冲信号模拟

• 需求：生成10GHz脉冲信号，脉宽100ns，重复频率1kHz。
• 低端设备组合：
  • 脉冲发生器（100MHz）：生成低频脉冲。
  • 倍频器（3倍频）：将频率提升至300MHz。
  • 混频器（Mini-Circuits ZX05-U43LH+）：与9.7GHz LO混频至10GHz。
  • 滤波器：抑制杂散信号。
• 效果：脉冲边缘抖动<50ps，接近高端设备水平。

3. 多通道相干信号源

• 需求：生成4通道1GHz正弦波，相位差固定为90°。
• 低端设备组合：
  • 4台函数发生器（10MHz）：共享同一参考时钟。
  • 外部触发分配器：同步启动时间。
  • 相位校准软件：补偿通道间延迟。
• 成本：约2,000（高端多通道信号源需20,000+）。

四、局限性及改进方向

1. 频率上限：受限于低端设备的VCO性能和混频器带宽，通常难以突破100GHz。
2. 实时性：软件生成复杂信号可能引入延迟，需优化算法或使用FPGA加速。
3. 集成度：组合方案体积较大，需定制化机箱和布线。
4. 自动化程度：需编写控制脚本（如Python/MATLAB）实现参数自动调整。

五、总结

通过合理组合低端设备，可实现高端信号发生器80%以上的功能，成本降低10倍以上。关键在于：

• 功能拆解：明确需求，拆解为可实现的子任务。
• 硬件协同：利用倍频、混频、锁相等技术扩展性能。
• 软件补偿：通过算法优化相位噪声、EVM等指标。
• 系统集成：设计紧凑的硬件架构和自动化的控制流程。

此方案尤其适合预算有限的实验室、教育机构及中小型企业，在满足性能需求的同时，为未来升级预留空间。