張 勇，杜國宏，王晉杰

（1.成都信息工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，四川 成都 610225；2.是德科技（中國）有限公司 四川 成都 610041）

多通道高穩(wěn)定性相參信號產(chǎn)生系統(tǒng)的搭建與實(shí)現(xiàn)

張 勇1，杜國宏1，王晉杰2

（1.成都信息工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，四川 成都 610225；2.是德科技（中國）有限公司 四川 成都 610041）

隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展，信號從原來的單通道信號發(fā)展到多通道信號，信號也從模擬信號發(fā)展到數(shù)字信號，同時(shí)對信號的相位穩(wěn)定性的要求也越來越高。本文實(shí)現(xiàn)了能產(chǎn)生多通道高穩(wěn)定性相參信號的系統(tǒng)搭建與驗(yàn)證。該系統(tǒng)搭建是基于Keysight M8195A任意波形發(fā)生器為核心儀器，以脈沖源產(chǎn)生觸發(fā)信號和時(shí)鐘信號，用示波器來檢測信號的相位穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該系統(tǒng)能夠根據(jù)對于任意波形發(fā)生器的設(shè)置來產(chǎn)生相應(yīng)的多通道信號，并且通道間相位穩(wěn)定性達(dá)到皮秒級別。這能為諸多領(lǐng)域的研究和應(yīng)用提供一個(gè)完美的多通道高穩(wěn)定相參信號的產(chǎn)生平臺(tái)，具有很大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

多通道；相參信號；高穩(wěn)定性；任意波形發(fā)生器

在現(xiàn)代電子通信系統(tǒng)中，從民用到軍用，為應(yīng)對不同的需求，對于信號的發(fā)展都有一個(gè)共同的趨勢：信號的通道數(shù)要求越來越多，信號的復(fù)雜程度越來越高，對信號相位的穩(wěn)定性和速度要求越來越高等等。例如射頻微波研發(fā)測試中常常需要測試的多通道T/R組件，還有常用于軍用電子戰(zhàn)和民用氣象方面的相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)都對于多通道相參信號具有很大的需求[1-2]。

目前為止，射頻微波領(lǐng)域比較常見的信號發(fā)生器分為射頻信號發(fā)生器和矢量信號發(fā)生器，但這些信號發(fā)生器只能產(chǎn)生有限的波形（如正弦波、方波、三角波、脈沖等）[3]，我們可以針對不同的研發(fā)測試需要來調(diào)整它們的許多特性如頻率、振幅、直流偏移、占空比等，當(dāng)然部分的矢量信號發(fā)生器除了能實(shí)現(xiàn)基本的內(nèi)部或外部調(diào)制如AM（調(diào)幅），PM（脈沖調(diào)制），和FM（調(diào)頻），還能使用IQ調(diào)制生成常用的數(shù)字調(diào)制信號[4]。部分的矢量信號發(fā)生器也配備了任意波形發(fā)生器選件，能使用外部軟件給信號發(fā)生器下載較為復(fù)雜的波形文件。但是這些信號發(fā)生器通常都只有1個(gè)輸出通道，如果想要同時(shí)產(chǎn)生多路信號的話會(huì)使用多臺(tái)儀器來實(shí)現(xiàn)，這樣就很難保證輸出信號的相位穩(wěn)定性，同時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的體積也會(huì)大大增加，對于通道數(shù)要求較多的系統(tǒng)，用這種方法無法實(shí)現(xiàn)。對于有任意波形發(fā)生器選件的信號發(fā)生器也受到有限的存儲(chǔ)深度和采樣率的影響。

針對傳統(tǒng)的信號發(fā)生器的這些缺點(diǎn)，文中基于Keysight M8195A任意波形發(fā)生器實(shí)現(xiàn)了多通道高穩(wěn)定相參信號產(chǎn)生系統(tǒng)的搭建與實(shí)現(xiàn)。每臺(tái)M8195A含4個(gè)獨(dú)立輸出通道，可以根據(jù)需求用M8197A同步模塊實(shí)現(xiàn)多臺(tái)M8195A的同時(shí)工作[5]。實(shí)現(xiàn)同樣的信號輸出通道數(shù)，多臺(tái)信號發(fā)生器占用的體積比M8195A多數(shù)十倍。而且，M8195A相比于裝有ARB（任意波形發(fā)生器）選件的矢量信號發(fā)生器具有更高的采樣率、存儲(chǔ)深度和模擬帶寬，所以能產(chǎn)生帶寬更寬、相位更穩(wěn)定的信號[6-7]。通過實(shí)驗(yàn)也證明，該系統(tǒng)輸出的不同通道間信號的相位穩(wěn)定性達(dá)到皮秒級別。所以該系統(tǒng)有體積小、相位穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，具有很大實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 M8195A任意波形發(fā)生器及M8197A同步模塊

1.1 M8195A任意波形發(fā)生器（AWG）簡介

相比于傳統(tǒng)的信號發(fā)生器，AWG更具有靈活性，只要是我們能通過MATLAB等軟件描述出來的波性文件，它都可以生成。從整體來看，AWG就像一個(gè) DSO（Digital Storage Oscilloscope）數(shù)字存儲(chǔ)示波器[8-9]。如圖1所示，在這里信號流相當(dāng)于被倒置，波形儲(chǔ)存器里面用數(shù)字形式表示的理想信號以一個(gè)固定的采樣率為DAC（Digital-to Analog Converter）連續(xù)提供樣本數(shù)據(jù)。

圖1 AWG的基本框圖

1.2 M8197A同步模塊

M8197A是用于M8195A的多通道同步模塊。由于現(xiàn)有的一塊M8195A由4個(gè)獨(dú)立通道，那么當(dāng)我們需要4個(gè)通道以上的信號時(shí)，就需要多塊M8195A同時(shí)工作，為了保證處于不同模塊的不同通道之間信號的高度同步性，就用到該同步模塊，它能為不同的模塊提供同一個(gè)時(shí)鐘信號[10-11]。

2 系統(tǒng)的搭建

本次實(shí)驗(yàn)主要驗(yàn)證同一板塊不同通道間和不同板塊不同通道間信號的同步性和從外部信號觸發(fā)到AWG產(chǎn)生信號的時(shí)延特性以及儀器重復(fù)開機(jī)后通道間的相位一致性[12]。 使用到的儀器有：2塊M8195A（AWG）、1 塊 M8197A（同步模塊）、1 臺(tái)模塊化機(jī)箱、1臺(tái)脈沖信號發(fā)生器、一臺(tái)4通道示波器、電纜若干。

系統(tǒng)的搭建框圖和實(shí)際連接框圖分別如圖2圖3所示。為了圖示表達(dá)清晰，框圖中省略了部分輸出通道和一臺(tái)嵌入式PC?？驁D中每個(gè)M8195A模塊只畫出了2個(gè)輸出通道，實(shí)際為每臺(tái)4個(gè)輸出通道。嵌入式PC是用來進(jìn)行模塊設(shè)置和下載波形等作用的。由于示波器只有4個(gè)輸入通道，分別接1路激勵(lì)信號，和3路從2塊M8195A輸出的信號。脈沖源的兩個(gè)輸出通道分別為M8197A提供激勵(lì)信號和時(shí)鐘信號，激勵(lì)信號功分兩路，1路直接輸入示波器作為參考信號，另一路輸入M8197A然后通過機(jī)箱背板分別激勵(lì)兩臺(tái)AWG。時(shí)鐘信號輸入M8197A后通過CLK OUT分別輸入到兩臺(tái)AWG。

圖2 系統(tǒng)連接框圖

3 系統(tǒng)測試

完成系統(tǒng)搭建后，對系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試。首先對脈沖信號發(fā)生器設(shè)置，兩個(gè)輸出端分別兩個(gè)脈沖信號，分別提供觸發(fā)和時(shí)鐘。然后對2塊AWG和同步模塊進(jìn)行設(shè)置。把同步模塊的時(shí)鐘信號和觸發(fā)信號與脈沖源輸出的脈沖信號的頻率相對應(yīng)。這里我們主要關(guān)注的是信號的相位穩(wěn)定性，所以這里沒有利用外部軟件產(chǎn)生波形文件然后再回放，而是直接產(chǎn)生的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的脈沖波。具體設(shè)置如圖4所示，對脈沖波形的上升下降時(shí)間、初始相位、頻率和占空比等參數(shù)的設(shè)置。以及把M8195A的觸發(fā)信號、時(shí)鐘信號、輸出端口設(shè)置好。

圖3 系統(tǒng)實(shí)際連接圖

圖4 AWG中標(biāo)準(zhǔn)波形設(shè)置

完成觸發(fā)、時(shí)鐘信號和AWG以及同步模塊控制設(shè)置后，就是對示波器設(shè)置來檢測信號情況[13-14]。本次設(shè)置的觸發(fā)信號和響應(yīng)信號都是設(shè)置的脈沖波，所以可以通過觸發(fā)脈沖信號以及響應(yīng)脈沖信號的上升沿在幅度零點(diǎn)的波形抖動(dòng)來表示信號的相位穩(wěn)定性情況。整體過程為，脈沖源在不斷地產(chǎn)生觸發(fā)信號去觸發(fā)AWG，當(dāng)AWG檢測到觸發(fā)信號后，即發(fā)出之前在AWG里面設(shè)置的信號。而我們現(xiàn)在關(guān)注就是AWG每次發(fā)出的信號是否是相參的即相位是否是穩(wěn)定的，還有就是從觸發(fā)到AWG響應(yīng)的時(shí)延[15]。對于示波器而言，可以通過把M8195A的OUT2的輸出信號即示波器的通道3的信號作為示波器的觸發(fā)信號，這樣對于通道3的信號而言，它的上升沿與幅度零點(diǎn)（橫軸線）的交點(diǎn)處即為時(shí)間零點(diǎn)T=0，而且此處的抖動(dòng)也為零ΔT=0。

那么根據(jù)如圖2框圖連接方式可知，示波器的1到4通道分別接的是觸發(fā)信號、第2塊AWG的兩個(gè)輸出信號、第2塊AWG的一個(gè)輸出信號。所以示波器通道2和通道3的時(shí)間差抖動(dòng)即表示同一塊M8195A輸出信號的相位穩(wěn)定性；通道4和通道3的時(shí)間差抖動(dòng)即表示不同塊的M8195A輸出信號的相位穩(wěn)定性；通道1和通道3的時(shí)間差抖動(dòng)即表示由脈沖源產(chǎn)生的觸發(fā)信號的相位穩(wěn)定性；同時(shí)通過比較通道1和其他通道的時(shí)間差可以得到從觸發(fā)信號到AWG響應(yīng)的時(shí)間。

如圖5所示為測試結(jié)果圖，圖上的波形為示波器所接收到的4個(gè)通道信號的上升沿部分，下面為響應(yīng)各個(gè)通道之間時(shí)間差測試結(jié)果。因?yàn)?通道處為時(shí)間零點(diǎn)，所以如圖的3個(gè)測試結(jié)果分別拿1、2和4通道分別與3通道相比較。Current為當(dāng)前測試值，Mean為測試平均值，Max和Min分別為最大和最小值，Range即表示每次響應(yīng)信號的抖動(dòng)。所以，從測試結(jié)果我們可以看出，通道2和通道3之間的相位差表示同一M8195A的不同通道之間的相位差達(dá)到5.48 ps；通道4和通道3之間的相位差表示不同M8195A的通道間相位差達(dá)到8.8 ps；通道1和通道3之間的相位差表示從觸發(fā)到AWG響應(yīng)的時(shí)延達(dá)到115 ps。由測試結(jié)果可知，AWG從接收到信號到發(fā)出信號的時(shí)延是相當(dāng)短的，只有100 ps左右。當(dāng)然，我們最主要關(guān)注的AWG接收到觸發(fā)信號后產(chǎn)生出的信號相位的抖動(dòng)是相當(dāng)小的，只有幾個(gè)皮秒。當(dāng)然，我們可以根據(jù)不同的研究需要來設(shè)置AWG生成信號的相位信息。

圖5 測試結(jié)果圖

另外，通過開關(guān)機(jī)整套測試系統(tǒng)我們可以驗(yàn)證儀器以及系統(tǒng)在進(jìn)行開關(guān)機(jī)后，各個(gè)通道之間的相位穩(wěn)定性。圖6所示為關(guān)機(jī)后再開機(jī)的測試結(jié)果，可以看到通道間的時(shí)延差也只有8 ps左右，而且從觸發(fā)到AWG響應(yīng)的時(shí)延也穩(wěn)定在100 ps左右。說明此系統(tǒng)產(chǎn)生信號通道間的相位基本不受開關(guān)機(jī)的影響，重復(fù)性很好。

圖6 開關(guān)機(jī)后的測試結(jié)果

4 結(jié)論

通過系統(tǒng)研究，完成了4通道相參信號產(chǎn)生系統(tǒng)的搭建與實(shí)現(xiàn)。并經(jīng)過測試驗(yàn)證，各個(gè)通道間的相位抖動(dòng)達(dá)到幾個(gè)皮秒。因?yàn)楝F(xiàn)有的1塊M8195A有4個(gè)獨(dú)立輸出通道，所以可以根據(jù)不同的研發(fā)測試需求，相應(yīng)的增加模塊數(shù)即可實(shí)現(xiàn)，各個(gè)模塊間使用M8197A來實(shí)現(xiàn)同步，由測試結(jié)果得知，不同的M8195A的輸出通道的信號相位的抖動(dòng)一樣只有幾皮秒。另外，此方案還可以支持跨機(jī)箱的同步，那么我們可以根據(jù)需要把機(jī)箱擺放在多個(gè)空間位置，公用同一個(gè)外部系統(tǒng)時(shí)鐘信號。說明這套系統(tǒng)能夠同時(shí)輸出多通道高穩(wěn)定相位的信號，即多通道相參信號。這對于相控陣?yán)走_(dá)以及物理學(xué)研究等其他的測試應(yīng)用都有很大應(yīng)用價(jià)值。

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Establishment and implement of multi-channel high stability phase-coherent signal generating system

ZHANG Yong1， DU Guo-hong1，WANG Jin-jie2
（1.College of Electronic Engineering ，Chengdu University of Information Technology，Chengdu 610225，China；2.Keysight（China） Technologies， Chengdu 610041，China）

With the rapid development of communication technology，signal have developed into multichannel and digital modulated signal from single-Channel and analog signal.Meantime，the requirements of phase signal stability is increasing.This paper realized the establishment and implement of multichannel high stability phase-coherent signal generating system.The establishment of the system is based on Keysight M8195A arbitrary waveform generator as the core instrument，a pulse source generator provides the trigger signal and the clock signal，a oscilloscope to detect the phase stability of the signal.Experiment results show that，the system can generate multi-channel high stability phase-coherent signal based on the setting of arbitrary waveform generator，and the phase stability of different channel is small to picosecond level.This provides a perfect platform to generate multi-channel high stability phasecoherent signal for applications in many fields of research，owns great practical value.

multi-channel； phase-coherent signal； high stability； arbitrary waveform generator

TN925+.1

：A

：1674－6236（2017）15-0176-04

2016-06-29稿件編號：201606229

張 勇（1991—），男，四川自貢人，碩士研究生。研究方向：天線與電波傳播，微波電路與系統(tǒng)。