Новые тенденции в аппаратном обеспечении генератора сигналов для повышения производительности

Введение: развивающаяся роль аппаратного обеспечения генератора сигналов

Генераторы сигналов уже давно являются краеугольным камнем электронных испытаний и измерений, обеспечивая контролируемые электрические стимулы, необходимые для проверки и характеристики устройств от простых фильтров до сложных интегральных схем. По мере того, как системы, которые они тестируют, становятся все более сложными - переходя на частоты миллиметровых волн, принимая сложные схемы модуляции и требуя все большей точности - аппаратные средства внутри генераторов сигналов должны развиваться с соответствующей скоростью. В последние годы наблюдается сближение цифровой обработки, передовых материалов и архитектурных инноваций, которые расширяют границы производительности, а также уменьшают площадь и потребление энергии. В этой статье рассматриваются основные тенденции, меняющие оборудование генератора сигналов, от расширенного частотного покрытия и снижения фазового шума до интеграции программно-определяемых архитектур и новых стратегий управления тепловыми потоками.

Расширенный диапазон частот и возможности миллиметрового волнового диапазона

Одним из наиболее заметных тенденций в аппаратном обеспечении является стремление к более высоким максимальным выходным частотам. Там, где традиционные генераторы радиочастот превышают несколько гигагерц, современные инструменты обычно охватывают 6 ГГц, 20 ГГц и более. Многие современные настольные и модульные генераторы сигналов теперь предлагают диапазоны частот, простирающиеся в миллиметровую полосу частот (30 ГГц до 300 ГГц). Это расширение обусловлено в первую очередь развертыванием сетей 5G New Radio (NR), которые используют диапазон частот 2 (FR2) диапазоны от 24,25 ГГц до 52,6 ГГц, а также новыми приложениями в спутниковой связи, автомобильных радарах (77-81 ГГц) и высокоскоростной беспроводной обратной связи.

Поддержка 5G и выше

Для генерации чистых сигналов на этих частотах конструкторы аппаратного обеспечения должны преодолевать значительные препятствия. При миллиметровых диапазонах, даже незначительных паразитических реактивных сопротивлениях в следах ПХБ, разъемах и проводах связи могут вызывать неприемлемые амплитуды и фазовые ошибки. Современные генераторы часто используют архитектуры прямого синтеза, которые используют комбинацию широкополосных микроволновых монолитных интегральных схем (MMIC) и частотных мультипликаторов. Например, генератор сигналов 40 ГГц может начинаться с генератора с низким напряжением шума (VCO) в X-диапазоне, затем умножать выход через тщательно организованные стадии мультипликатора. Процесс умножения по своей сути ухудшает фазовый шум со скоростью 20 log(N), поэтому дизайнеры компенсируют высокостабильными эталонными осцилляторами и фазовыми циклами, которые используют фракционные N или целые N топологии. Ведущие инструменты из и Keysight Technologies и

Прямые цифровые синтезаторы (DDS) предлагают сверхбыстрые скачки частоты и тонкое разрешение, но производят ложные тона из-за ошибок усечения в фазовом аккумуляторе и амплитудного квантования. Аппаратные дизайнеры обращаются к этому с тщательной конструкцией часов DDS, используя высокоскоростные цифровые-аналоговые преобразователи (DAC) от поставщиков, таких как Аналоговые устройства , которые имеют SFDR, превышающий 80 дБ. Некоторые архитектуры объединяют DDS с фазовой петлей для «очистки» шпор: выход DDS преобразуется вверх, а затем проходит через узкополосный PLL, который действует как фильтр отслеживания. Более агрессивные подходы встраивают цифровые преискажения и алгоритмы дифиринга в выделенную логику FPGA, работающую с несколькими гига-образцами в секунду, чтобы распространять ложную энергию в шумовое поле.

Цифровая и аналоговая конвергенция

Прошли те времена, когда генераторы сигналов были чисто аналоговыми коробками с несколькими ручками. Интеграция высокоскоростной цифровой обработки с традиционными аналоговыми сигнальными путями породила инструменты, способные генерировать практически любую форму волны - от простых синусоидальных волн до сложных OFDM-символов - с точностью, которую никогда не могли достичь только аналоговые схемы.

Произвольное генерирование волн как основная функция

Современные генераторы сигналов все больше размывают линию с помощью генераторов произвольной формы волны (AWG). Вместо того, чтобы полагаться исключительно на аналоговые модулированные носители, они синтезируют цифровые образцы, представляющие желаемый сигнал, и передают их через фильтр DAC и реконструкции высокого разрешения. Типичный современный генератор может объединить базовую полосу AWG, работающую на 2-4 GS/s, с модулятором I/Q, который преобразует сигнал в желаемую несущую частоту. Аппаратное обеспечение должно управлять сложным выравниванием путей I и Q: дисбаланс усиления, перекос фазы и офсеты постоянного тока калибруются с использованием встроенных процедур анализа векторной сети. Эта конвергенция позволяет инженерам тестировать приемники с реалистичными сложными формами волн, которые включают 5G-совместимые носители, радарные чирпы или многотоновые помехи без внешнего оборудования.

Модуляция в реальном времени и адаптивный контроль

Цифровая обработка также позволяет осуществлять модуляцию в реальном времени. Вместо предварительной загрузки статической формы волны пользователи могут определять параметры модуляции на лету — изменять скорость символа, форму фильтра или тип модуляции — и аппаратное обеспечение пересчитывает форму волны в реальном времени. Эта возможность работает на специализированных цепочках обработки сигналов на основе FPGA, которые обрабатывают повторную выборку, формирование импульсов и цифровую конверсию в латентных периодах в течение микросекунды. В производственных испытательных средах такая адаптивность сокращает время установки и позволяет генератору реагировать на обратную связь с тестируемым устройством, создавая последовательности испытаний замкнутого цикла, которые ускоряют характеристику.

Миниатюризация и портативные системы

В то время как настольные инструменты сохраняют свое место в лабораториях R&D, существует сильный рыночный тяг для компактных, прочных генераторов сигналов, которые могут быть развернуты в полевых условиях - на авианосцах, на удаленных сотовых объектах или внутри безэховых камер, где пространство ограничено.

Торговые компромиссы в размере vs. производительность

Миниатюризация приводит к компромиссам в управлении мощностью, шуме и стабильности. Чтобы вместить полнофункциональный генератор в шасси с креплением 3U или даже ручной форм-фактор, инженеры используют монолитные микроволновые интегральные схемы (MMIC), которые включают в себя несколько функций - VCO, смеситель, делитель, усилитель - на одном кристалле. Расширенные подложки пакета, такие как низкотемпературная керамика с коагрегированными керамиками (LTCC), позволяют плотно интегрировать пассивные компоненты, такие как фильтры и балуны, которые в противном случае потребовали бы громоздких дискретных частей. Некоторые производители теперь производят «модули генератора векторных сигналов», которые занимают менее 50 квадратных сантиметров и выдают до 6 ГГц с 80 дБ динамического диапазона. Эти модули предназначены для использования OEM в автоматизированном испытательном оборудовании (ATE) или в составе программно-определяемых радиоплатформ.

Приложения в полевых испытаниях

Портативные генераторы сигналов необходимы для тестирования спутниковых линий связи, радиолокационных систем и базовых станций сотовой связи. Они должны выдерживать экстремальные температуры, вибрацию и удар при сохранении калибровки. Аппаратные решения включают прочные металлические корпуса, проводящее охлаждение (без вентиляторов для отказа) и внутренние литий-ионные батареи в течение нескольких часов без сцепления. Компромисс, как правило, немного выше по фазовому шуму по сравнению с эквивалентами на скамейке запасных, но достижения в конструкции осцилляторов, таких как осцилляторы на основе MEMS, которые сочетают низкий шум с высокой устойчивостью к ударам, закрывают этот разрыв.

Термическое управление и стабильность

По мере того, как оборудование генератора сигналов становится более плотно упакованным и обеспечивает более высокую выходную мощность, управление тепловой энергией возникает как критический активатор производительности. Чрезмерный дрейф температуры изменяет частоты осциллятора, изменяет усиление усилителя и может навсегда повредить чувствительные компоненты. Современные инструменты используют несколько стратегий для поддержания термостабильности.

Передовые решения охлаждения

Вместо того, чтобы полагаться исключительно на принудительный воздух, многие генераторы высокого класса используют жидкие петли охлаждения, которые направляют охлаждающую жидкость через холодные пластины, прикрепленные к основным источникам тепла - усилители выхода, DAC и FPGA. Этот подход позволяет более высокую устойчивую выходную мощность без теплового дросселирования. Интеллектуальное управление вентилятором использует датчики температуры, размещенные на стратегических узлах, для регулирования воздушного потока только там, где это необходимо, уменьшая акустический шум в чувствительных измерительных средах. Некоторые конструкции стойки-монтажа включают тепловые трубы для передачи тепла на стенки шасси, которые затем действуют как большие радиаторы тепла. Результатом является доля градуса сантиметра частотного дрейфа после разогрева, что позволяет измерения, которые требуют долгосрочной стабильности.

Поддержание точности под нагрузкой

Изменения температуры также влияют на внутренние ссылки. Для компенсации генераторы сигналов часто включают в себя вторичную температурную печь для главного осциллятора. В более старых конструкциях использовалась большая хрустальная печь, потреблявшая десятки ватт; в современных конструкциях используются меньшие, более эффективные печи, которые достигают теплового равновесия за считанные минуты. Некоторые инструменты реализуют математическую компенсацию: точный датчик температуры считывает температуру окружающей среды, а FPGA регулирует коэффициенты PLL в реальном времени для противодействия дрейфу частоты. Эта «программная стабильность температуры» особенно ценна в портативных генераторах, которые могут быть перемещены из лаборатории с кондиционером на горячую крышу.

Материалы инновации

Стремление к лучшей производительности подтолкнуло конструкторов генераторов сигналов к принятию новых материалов для подложек, конденсаторов и осцилляторов, которые напрямую влияют на шум, пропускную способность и надежность.

Субстраты и упаковка

На частотах выше 20 ГГц традиционные ПХД FR-4 вызывают неприемлемые потери. Производители в настоящее время используют Роджерс 4350В, ТММ-подложки или даже керамические заполненные PTFE-ламинаты, которые имеют низкие диэлектрические потери и постоянную проницаемость по температуре. Для самых высоких частот некоторые генераторы используют кварцевые или глиноземные подложки для критических фильтров и соединительных структур. Кроме того, закопанные слои емкости внутри ПХБ снижают паразитную индуктивность в распределительных сетях питания, улучшая шумоизоляцию между цифровым и аналоговым сечениями.

Кристаллические осцилляторы и MEMS

Кварцевые кристаллы остаются рабочей лошадкой для ссылок, но их производительность увеличивается за счет поверхностных акустических волн (SAW) и осцилляторов объемного акустического резонатора тонкопленочной пленки (FBAR) для конкретных высокочастотных применений. Микроэлектромеханические системы (MEMS) осцилляторы набирают тягу для генераторов средней точности (до 100 МГц), потому что они потребляют меньше энергии и невосприимчивы к вибрационным фазовым ударам. Для самых требовательных приложений сапфировые осцилляторы полости и криогенно охлажденные осцилляторы по-прежнему устанавливают рекорды фазового шума, но их размер и стоимость ограничивают их специализированными лабораториями.

Программно-определяемые генераторы сигналов

Тенденции в области аппаратного обеспечения были бы неполными без обсуждения программного уровня, который все больше определяет личность инструмента. Термин «генератор сигналов, определяемый программным обеспечением» описывает инструмент, основная функциональность которого реализована в программируемой логике и программном обеспечении, что позволяет обновлять и реконфигурировать без изменений аппаратного обеспечения.

Удаленная и автоматизированная конфигурация

Наборы команд Python, LabVIEW и SCPI позволяют пользователям автоматизировать сложные тестовые последовательности, которые переключают частоты, форматы модуляции и уровни мощности в микросекундах. Некоторые генераторы выставляют регистры FPGA непосредственно, позволяя пользовательским цепочкам обработки сигналов - например, пользователь может загрузить собственный фильтр импульсной формы или алгоритм выравнивания в цикле. Аппаратное обеспечение должно обеспечивать достаточную встроенную память (часто гигабайт DDR4) для хранения длинных последовательностей формы волны и высокоскоростных интерфейсов, таких как PCIe или USB 3.2 Gen 2 для передачи данных без узких мест.

Роль открытых стандартов

Инициативы с открытым исходным кодом, такие как GNU Radio и стандарт PXIe, повлияли на конструкцию аппаратного обеспечения. Многие генераторы сигналов теперь поддерживают протокол VITA 49, который стандартизирует транспортировку оцифрованных образцов I/Q между устройствами приобретения и генерации. Это помогает взаимодействовать между инструментами разных поставщиков. Тенденция к программно-определяемому оборудованию означает, что генераторы сигналов могут быть модернизированы для поддержки новых схем модуляции (например, 5G NR, Wi-Fi 8) через несколько лет после первоначальной покупки, продлевая срок полезного использования инвестиций.

Калибровка и метрология соображения

Тенденции в области аппаратного обеспечения также влияют на калибровку и поддержание генераторов сигналов. Более высокие частотные диапазоны и большая сложность создают новые проблемы для метрологических лабораторий.

В настоящее время в большинстве премиальных генераторов внедрены процедуры самокалибровки. Инструмент содержит внутренние датчики мощности, счетчики частоты и автоматические переключатели, которые позволяют ему измерять собственный дрейф и вносить поправки. Например, генератор может сравнивать свою внутреннюю отсылку на 10 МГц со встроенным GPS-дисциплинированным осциллятором при наличии и соответствующим образом регулировать напряжение в духовке. Это снижает частоту внешней калибровки до одного раза в год или менее. Некоторые модели включают журнал истории калибровки, хранящийся в энергонезависимой памяти, что помогает соблюдать ISO 17025 и другие стандарты качества.

На миллиметровых частотах прослеживаемость по национальным стандартам становится более сложной. Калибровочные лаборатории разрабатывают новые методы с использованием электрооптических пробоотборников и векторных анализаторов сети для характеристики амплитуды выхода и фазы до 110 ГГц. Производители оборудования должны предоставить подробные бюджеты неопределенности для своих инструментов, указав вклады от гармонических искажений, остаточного шума AM и несоответствия импеданса.

Будущие направления

Несколько новых тенденций обещают дальнейшее преобразование оборудования генератора сигналов в ближайшие годы.

• Искусственный интеллект для самооптимизации: Алгоритмы машинного обучения могут настраивать параметры фильтра петли в реальном времени, сводя к минимуму фазовый шум для каждой конкретной несущей частоты, а не используя фиксированные коэффициенты.
• Производство сигнала терагерцового диапазона: Исследования проводятся с использованием фотонных методов — генераторов оптических гребней и фотодиодов — для получения сигналов выше 300 ГГц для будущих беспроводных стандартов.
• Квантово-ограниченная производительность: Криогенные генераторы сигналов на основе сверхпроводящих схем исследуются для привода квантовых процессоров с чрезвычайно низким уровнем шума.
• Более высокая интеграция с тестовыми системами: генераторы сигналов будут все чаще обмениваться внутренними опорными часами, спусковыми шинами и потоками данных с другими инструментами в стойке, создавая единую тестовую платформу, которая может быть перенастроена для различных приложений только с помощью программного обеспечения.

Заключение

Расширенные диапазоны частот, более чистый выход, более тесная интеграция цифровых и аналоговых функций, миниатюризация и улучшенное управление тепловыми потоками оснащают инженеров инструментами, которые когда-то были областью специализированных учреждений R&D. По мере того, как созревание 5G, широкополосная спутниковая связь и системы радиоэлектронной борьбы повышают требования, аппаратные инновации, описанные здесь, будут продолжать ускоряться. Дизайнеры, которые остаются в курсе этих тенденций - от выбора технологии осциллятора до используемых упаковочных материалов - будут лучше позиционироваться для выбора инструментов, которые обеспечивают производительность, требуемую их приложениями, а также извлекают выгоду из гибкости и долговечности, которые обеспечивают программно-определяемые архитектуры. Генератор сигналов завтра будет меньше, умнее и более способным, чем когда-либо, что стимулирует развитие следующего поколения электронных систем.