多通道高穩定性相參信號產生系統的搭建與實現

張 勇，杜國宏，王晉杰

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

多通道高穩定性相參信號產生系統的搭建與實現

張 勇1，杜國宏1，王晉杰2

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

隨著通信技術的快速發展，信號從原來的單通道信號發展到多通道信號，信號也從模擬信號發展到數字信號，同時對信號的相位穩定性的要求也越來越高。本文實現了能產生多通道高穩定性相參信號的系統搭建與驗證。該系統搭建是基于Keysight M8195A任意波形發生器為核心儀器，以脈沖源產生觸發信號和時鐘信號，用示波器來檢測信號的相位穩定性。實驗結果證明，該系統能夠根據對于任意波形發生器的設置來產生相應的多通道信號，并且通道間相位穩定性達到皮秒級別。這能為諸多領域的研究和應用提供一個完美的多通道高穩定相參信號的產生平臺，具有很大的實際應用價值。

多通道；相參信號；高穩定性；任意波形發生器

在現代電子通信系統中，從民用到軍用，為應對不同的需求，對于信號的發展都有一個共同的趨勢：信號的通道數要求越來越多，信號的復雜程度越來越高，對信號相位的穩定性和速度要求越來越高等等。例如射頻微波研發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和民用氣象方面的相控陣雷達系統都對于多通道相參信號具有很大的需求[1-2]。

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

針對傳統的信號發生器的這些缺點，文中基于Keysight M8195A任意波形發生器實現了多通道高穩定相參信號產生系統的搭建與實現。每臺M8195A含4個獨立輸出通道，可以根據需求用M8197A同步模塊實現多臺M8195A的同時工作[5]。實現同樣的信號輸出通道數，多臺信號發生器占用的體積比M8195A多數十倍。而且，M8195A相比于裝有ARB（任意波形發生器）選件的矢量信號發生器具有更高的采樣率、存儲深度和模擬帶寬，所以能產生帶寬更寬、相位更穩定的信號[6-7]。通過實驗也證明，該系統輸出的不同通道間信號的相位穩定性達到皮秒級別。所以該系統有體積小、相位穩定性好等優點，具有很大實際應用價值。

1 M8195A任意波形發生器及M8197A同步模塊

1.1 M8195A任意波形發生器（AWG）簡介

相比于傳統的信號發生器，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 DSO（Digital Storage Oscilloscope）數字存儲示波器[8-9]。如圖1所示，在這里信號流相當于被倒置，波形儲存器里面用數字形式表示的理想信號以一個固定的采樣率為DAC（Digital-to Analog Converter）連續提供樣本數據。

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。由于現有的一塊M8195A由4個獨立通道，那么當我們需要4個通道以上的信號時，就需要多塊M8195A同時工作，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時鐘信號[10-11]。

2 系統的搭建

本次實驗主要驗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到AWG產生信號的時延特性以及儀器重復開機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 臺模塊化機箱、1臺脈沖信號發生器、一臺4通道示波器、電纜若干。

系統的搭建框圖和實際連接框圖分別如圖2圖3所示。為了圖示表達清晰，框圖中省略了部分輸出通道和一臺嵌入式PC。框圖中每個M8195A模塊只畫出了2個輸出通道，實際為每臺4個輸出通道。嵌入式PC是用來進行模塊設置和下載波形等作用的。由于示波器只有4個輸入通道，分別接1路激勵信號，和3路從2塊M8195A輸出的信號。脈沖源的兩個輸出通道分別為M8197A提供激勵信號和時鐘信號，激勵信號功分兩路，1路直接輸入示波器作為參考信號，另一路輸入M8197A然后通過機箱背板分別激勵兩臺AWG。時鐘信號輸入M8197A后通過CLK OUT分別輸入到兩臺AWG。

圖2 系統連接框圖

3 系統測試

完成系統搭建后，對系統進行實驗測試。首先對脈沖信號發生器設置，兩個輸出端分別兩個脈沖信號，分別提供觸發和時鐘。然后對2塊AWG和同步模塊進行設置。把同步模塊的時鐘信號和觸發信號與脈沖源輸出的脈沖信號的頻率相對應。這里我們主要關注的是信號的相位穩定性，所以這里沒有利用外部軟件產生波形文件然后再回放，而是直接產生的一個標準的脈沖波。具體設置如圖4所示，對脈沖波形的上升下降時間、初始相位、頻率和占空比等參數的設置。以及把M8195A的觸發信號、時鐘信號、輸出端口設置好。

圖3 系統實際連接圖

圖4 AWG中標準波形設置

完成觸發、時鐘信號和AWG以及同步模塊控制設置后，就是對示波器設置來檢測信號情況[13-14]。本次設置的觸發信號和響應信號都是設置的脈沖波，所以可以通過觸發脈沖信號以及響應脈沖信號的上升沿在幅度零點的波形抖動來表示信號的相位穩定性情況。整體過程為，脈沖源在不斷地產生觸發信號去觸發AWG，當AWG檢測到觸發信號后，即發出之前在AWG里面設置的信號。而我們現在關注就是AWG每次發出的信號是否是相參的即相位是否是穩定的，還有就是從觸發到AWG響應的時延[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信號，這樣對于通道3的信號而言，它的上升沿與幅度零點（橫軸線）的交點處即為時間零點T=0，而且此處的抖動也為零ΔT=0。

那么根據如圖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信號、第2塊AWG的兩個輸出信號、第2塊AWG的一個輸出信號。所以示波器通道2和通道3的時間差抖動即表示同一塊M8195A輸出信號的相位穩定性；通道4和通道3的時間差抖動即表示不同塊的M8195A輸出信號的相位穩定性；通道1和通道3的時間差抖動即表示由脈沖源產生的觸發信號的相位穩定性；同時通過比較通道1和其他通道的時間差可以得到從觸發信號到AWG響應的時間。

如圖5所示為測試結果圖，圖上的波形為示波器所接收到的4個通道信號的上升沿部分，下面為響應各個通道之間時間差測試結果。因為3通道處為時間零點，所以如圖的3個測試結果分別拿1、2和4通道分別與3通道相比較。Current為當前測試值，Mean為測試平均值，Max和Min分別為最大和最小值，Range即表示每次響應信號的抖動。所以，從測試結果我們可以看出，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的通道間相位差達到8.8 ps；通道1和通道3之間的相位差表示從觸發到AWG響應的時延達到115 ps。由測試結果可知，AWG從接收到信號到發出信號的時延是相當短的，只有100 ps左右。當然，我們最主要關注的AWG接收到觸發信號后產生出的信號相位的抖動是相當小的，只有幾個皮秒。當然，我們可以根據不同的研究需要來設置AWG生成信號的相位信息。

圖5 測試結果圖

另外，通過開關機整套測試系統我們可以驗證儀器以及系統在進行開關機后，各個通道之間的相位穩定性。圖6所示為關機后再開機的測試結果，可以看到通道間的時延差也只有8 ps左右，而且從觸發到AWG響應的時延也穩定在100 ps左右。說明此系統產生信號通道間的相位基本不受開關機的影響，重復性很好。

圖6 開關機后的測試結果

4 結論

通過系統研究，完成了4通道相參信號產生系統的搭建與實現。并經過測試驗證，各個通道間的相位抖動達到幾個皮秒。因為現有的1塊M8195A有4個獨立輸出通道，所以可以根據不同的研發測試需求，相應的增加模塊數即可實現，各個模塊間使用M8197A來實現同步，由測試結果得知，不同的M8195A的輸出通道的信號相位的抖動一樣只有幾皮秒。另外，此方案還可以支持跨機箱的同步，那么我們可以根據需要把機箱擺放在多個空間位置，公用同一個外部系統時鐘信號。說明這套系統能夠同時輸出多通道高穩定相位的信號，即多通道相參信號。這對于相控陣雷達以及物理學研究等其他的測試應用都有很大應用價值。

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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。