波形生成教程

本节介绍了几种波形类型和仪器操作模式的工作原理。最后两个主题包括可帮助您提高信号质量的信息。

任意波形可以满足仪器的标准波形未满足的需求。例如，您可能需要独特激励，或您可能需要模拟非理想信号，如过冲、振铃、毛刺和噪声。任意波形可能非常复杂，很适合模拟现代通信系统中的信号。

您可以创建从最少 8 个点(33500 系列)或 32 个点(33600 系列)到多达 1,000,000 个点的任意波形。仪器将这些数值数据点(称为“采样”)存储在存储器中，然后在生成波形时将其转换为电压。读取点的频率称为“采样率”，波形频率等于采样率除以波形中的点数。例如，假设波形有 40 个点，采样率是 10 MHz。频率为 (10 MHz)/40 = 250 kHz，因此其周期应为 4 µs。

任意波形可以是单通道波形，或带有选件 IQP，它们可以是双通道任意波形，如 IQ 基带信号。 双任意波形与立体声音乐文件相似。它有两个包含相同数量样本的信息通道，始终同时开始和结束并始终以相同的采样率播放。

您可以通过 SCPI FUNCtion 子系统中的命令或前面板控制双任意波形上通道之间的时滞和平衡。

仪器具有两个滤波器，可在生成任意波形时平滑点之间的跃迁。

每个滤波器的截止频率都是波形采样率的固定比例。“正常”滤波器的响应在采样率的 27% 时为 -3 dB，“阶跃”滤波器的响应在采样率的 13% 时为 -3 dB。例如，对于采样率为 100 MSa/s 的任意波形，“正常”滤波器的 -3 dB 频率带宽为 27 MHz。

如果关闭滤波器前采样率大于 250 MSa/s，则关闭滤波器可能使采样率降低。

当您想要生成的波形属于以下两种情况时，任意波形序列将很有用：

例如在第一种情况中，假设一个信号必须多次播放同一个基础波形，然后播放其他三个波形各一次，接着返回连续播放第一个波形。这可能是一个由“闲置”信号、标题、一些数据、校验和以及返回“闲置”信号组成的模拟调制解调器数据包。

它可能由以下序列化说明组成：

例如在第二种情况中，您可能想使用一个外部硬件触发器启动“header.arb”的发送。这种情况可能使用以下说明：

序列文件(*.seq)包含编号列表中的信息，而任意波形文件(*.arb)包含单个波形本身。

仪器可组合任意波形(分段)的长而复杂的序列。分段之间的切换是实时无缝进行的。这类似于将分段看作是音乐播放器中的歌曲，将序列看作是播放列表。

每个序列步骤都可指定一个分段以及播放该分段的次数。它还可指定序列在下一步骤之前是否等待触发，以及如何逐步生成 Sync 信号。

对于每个分段，您可以：

用于生成 Sync 信号的选项包括：

要在一个触发器上开始序列，请在序列上的其他波形前放置一个 0 V(或任何您所需的值)的简短直流波形，并将分段设置为在前进之前等待触发。对于 33500 系列的仪器，分段长度的最小值为 8 Sa，对于 33600 系列的仪器，分段长度的最小值为 32 Sa。

噪声波形已针对定性和定量统计属性进行了优化。它不重复连续运行超过 50 年。与实际的高斯分布不同，获取仪器 Vpp 设置范围之外的电压的概率为零。波峰因数(峰值电压除以 RMS 电压)约为 4.6。

噪声带宽的变化范围是 1 mHz 至仪器的最大带宽。噪声信号中的能量集中在从 DC 到选定带宽的频带中，因此当带宽设置较低时，相关频带中的信号的光谱密度较高。例如，在音频工作中，可以将带宽设置为 30 kHz，使音频频带信号强度比带宽设置为 30 MHz 时高 30 dB。

伪随机位序列 (PRBS) 波形有两种级别(高和低)，在切换这两种级别时，如果不知道序列生成算法，则很难进行预测。PRBS 由线性反馈移位寄存器 (LFSR) 生成，如下所示。

LFSR 由它所包含的阶段数以及哪个阶段(“抽头”)在反馈网络中提供异或 (XOR) 门控指定。PRBS 输出是从最后一个阶段获取的。选择正确的抽头后，L 阶段的 LFSR 将产生长度为 2L-1 的重复 PRBS。LFSR 的时钟频率可确定 PRBS 的“位速率”。

在 33500 系列型号中，可以将 L 设置为 7、9、11、15、20 或 23，从而产生长度为 127 至 8,388,607 位的序列。

在 33600 系列型号中，可以将 L 设置为 3 至 32 之间的任意整数，从而产生长度为 7 至 4,294,967,295 位的序列。

L 的默认值为 7，从而产生长度为 127 位的序列。

仪器可实现两种形式的 AM：

调频根据调制信号来改变载波信号的频率：y(t)=Ac•sin[(ωc+d•m(t) )•t]其中 m(t) 是调制信号，d 是频率偏差。如果偏差小于调制信号带宽的 1%，则 FM 称为窄带，否则称为宽带。可以使用以下公式计算调制信号的带宽的近似值。BW ≈ 2•(调制信号带宽)(对于窄带 FM)BW ≈ 2•(偏差+调制信号带宽)(对于宽带 FM)

下图中，顶部跟踪曲线代表调制信号，底部跟踪曲线代表调制载波。

PM 与 FM 很相似，但载波波形的相位(而不是频率)发生了变化：y(t)=sin[ωc t+d•m(t) ]其中 m(t) 是调制信号，d 是相位偏差。

FSK 与 FM 相似，不同的是载波频率在两个预设值(载波频率和跳跃频率)之间变化。跳跃频率和载波频率有时分别称为“标志”和“空间”。这些值之间的切换速率由内部定时器或后面板的 Ext Trig 连接器上的信号决定。频率变化是瞬时的，并且是相位连续的。

内部调制信号是占空比为 50% 的方波。 下图中，顶部跟踪曲线代表调制信号，底部跟踪曲线代表调制载波。

BPSK 与 FSK 相似，不同的是在两个值之间切换的是载波的相位，而不是其频率。这些值之间的切换速率由内部定时器或后面板的 Ext Trig 连接器上的信号决定。相位变化是瞬时的。

内部调制信号是占空比为 50% 的方波。

PWM 仅适用于脉冲波形，脉冲宽度随调制信号而变化。脉冲宽度的变化量称为宽度偏差，可将其指定为波形周期的百分比(即占空比)或以时间为单位指定。例如，如果指定占空比为 20% 的脉冲，然后启用偏差为 5% 的 PWM，则在调制信号的控制下，占空比在 15% 至 25% 之间变化。

“总和”功能可将调制信号添加到载波。例如，您可以将可变带宽噪声的控制量添加到信号或创建双音调信号。仪器的内部调制发生器可产生与主发生器相同的连续波形，因此“总和”功能可生成以前需要两个仪器才能生成的许多信号。

“总和”功能按照调制信号的振幅增加输出信号的振幅。这可能会使仪器切换到较高的输出电压范围，从而导致信号瞬间丢失。如果这在应用中是个问题，则可打开“量程保持”功能。如果电压增加会损坏被测设备，请应用“电压限值”。

您可以配置仪器以输出具有指定循环数的波形，称为脉冲串。您可以按两种模式之一使用脉冲串：N 循环脉冲串(也称为“触发脉冲串”)或门控脉冲串。

N 循环脉冲串由特定数目的波形循环(1 到 1,000,000)组成并且总是由触发事件启动的。也可以将脉冲串计数设置为“无限”，这样一旦触发仪器，就会产生连续波形。

在下图中，顶部跟踪表示 sync 输出，而底部跟踪表示主输出。

对于脉冲串，触发源可以是外部信号、内部定时器、键或者来自远程接口的命令。外部触发信号的输入端是后面板的 Ext Trig 连接器。该连接器以机箱接地(不是浮置接地)为参考。当 Ext Trig 连接器不用作输入端时，可将其配置为输出端，使仪器能够在进行内部触发的同时触发其他仪器。

N 循环脉冲串总是在波形的同一点开始和结束，称为起始相位。

在 GATed 脉冲串模式下，根据后面板 Ext Trig 连接器上的信号开启或关闭输出波形。使用 BURSt:GATE:POLarity 选择该信号的极性。在门控信号为真时，仪器将输出连续波形。当门控信号变为假时，首先完成当前的波形循环，然后仪器将停止，并保持在波形的起始脉冲串相位对应的电压电平上。对于噪声波形，当门控信号变为假时，输出将立即停止。

频率扫描与 FM 相似，但不使用调制波形，而是仪器根据线性或对数函数或最多包含 128 个用户指定的频率的列表来设置输出频率。线性扫描以恒定的“每秒若干赫兹”的方式改变输出频率，而对数扫描以恒定的“每秒十倍”的方式改变输出频率。对数扫描可覆盖很宽的频率范围，在这些范围内，较低频率下的分辨率在使用线性扫描时可能会丢失。

频率扫描的特征由扫描时间(频率从起始频率平滑地变为停止频率所经过的时间)、保持时间(频率保持在停止频率上的时间)和返回时间(频率平滑地线性返回起始频率的时间)来表示。触发设置可确定下一个扫描开始的时间。

最常用的 AC 信号是正弦波。实际上，任何周期性的信号都可以表示为不同正弦波之和。正弦波的振幅通常由其峰值、峰-峰值或均方根 (RMS) 值来指定。所有这些测量都假定波形的偏移电压为零。

波形的峰值电压是波形中所有点的最大绝对值。峰-峰值电压是最大值和最小值之差。RMS 电压等于 所有波形点的标准偏差，也可表示信号中一个循环的平均功率，减去信号的任何 DC 分量的功率。波峰因数是信号峰值与其 RMS 值之比，由于波形形状的不同，波峰因数也会有所变化。下表列出了几个常用的波形，以及其各自的波峰因数和 RMS 值。

如果使用一个平均读数伏特计来测量波形的“DC 电压”，则读数可能会与 DC 偏移设置不一致。这是因为，波形可能具有一个非零平均值，该值将被加到 DC 偏移之上。

有时候，您可能会看到以“相对于 1 毫瓦的分贝” (dBm) 指定的 AC 电平。由于 dBm 表示功率电平，您就需要知道信号的 RMS 电压和负载电阻，以便进行计算。

dBm = 10 x log10 (P / 0.001) 其中 P = VRMS2 / RL

对于以 50 Ω 负载端接的正弦波，下表列出了与 dBm 对应的电压。

对于 75 Ω 或 600 Ω 负载，请使用下列转换公式：

dBm (75 Ω) = dBm (50 Ω) – 1.76dBm (600 Ω) = dBm (50 Ω) – 10.79

对于正弦波形，使用频谱分析仪可以非常容易地在频域中描绘和观察常见的非理想信号。任何输出信号中频率与基频(或“载波”)不同的分量均被认为是失真。可将非理想信号分为谐波失真、非谐波寄生或相位噪声，可通过相对于载波电平的分贝或“dBc”对其进行指定。

谐波分量出现在基频的整数倍处，通常是由信号通路中的非线性分量造成的。在低信号振幅的情况下，谐波失真的另一个来源是 Sync 信号，Sync 信号是具有可耦合到主信号中的多个强谐波分量的方波。尽管 Sync 信号与仪器中的主信号输出是高度隔离的，但可在外部线路中进行耦合。要获得最佳效果，可使用具有双重或三重屏蔽的高质量同轴电缆。如果不需要 Sync 信号，则保留其断开状态或将其关闭。

非谐波寄生分量(称作“寄生信号”)的一个来源是可将数字波形值转换为电压的数模转换器 (DAC)。此 DAC 的非线性导致谐波的频率比尼奎斯特频率高，因此被混叠至较低频率。例如，30 MHz (150 MHz) 的第 5 个谐波可能产生 100 MHz 的寄生信号。

非谐波寄生信号的另一个来源是非相关信号源(例如内置的控制器时钟)耦合到输出信号中。这些寄生信号通常具有恒定的振幅，在信号振幅低于 100 mVpp 时将产生较大影响。要在低振幅的情况下获得最佳信号纯度，应保持仪器的输出电平相对较高并使用外部衰减器。

输出频率中较小的瞬时变化(“抖动”)会导致相位噪声。在频谱分析仪中，它表现为本底噪声明显提高，接近于输出信号的频率。相位噪声技术指标表示在 30 MHz 正弦波中位于 1 kHz、10 kHz 和 100 kHz 处的 1 Hz 带宽中噪声的振幅。注意，频谱分析仪也有相位噪声，因此所读取的电平可能包括分析仪相位噪声。

波形 DAC 中的有限分辨率会导致电压量化误差。假设误差均匀分布在 ±0.5 最低有效位范围内，标准波形的相应噪声电平约为 -95 dBc。在此电平中，仪器中的其他噪声源是主要的。虽然任意波形中不使用 DAC 代码的整个量程(-32767 至 +32767)，但仍需要考虑量化噪声。如果可能，缩放任意波形以使用整个量程。

仪器的信号发生部分与机箱(地面)接地装置相隔离。这样有助于消除系统中的接地回路，并允许您以地电压以外的电压作为输出信号的参考。以下示意图说明了仪器通过同轴电缆连接到负载的情形。地电位 (VGND) 中的任何差异都会导致电流 IGND 通过电缆屏蔽，从而由于屏蔽的阻抗 (ZSHIELD) 而造成电压降。此电压 (IGND x ZSHIELD) 以负载电压的误差形式表现出来。但是，由于仪器是隔离的，有一个高串联阻抗(通常是 >1 MΩ，与 50 nF 并联)会阻止 IGND 流动，因此会最大程度地降低这种影响。

在频率超过若干 kHz 时，同轴电缆的屏蔽将变为具有电感性，而不是具有电阻性，并且，电缆开始产生变压器的作用。出现这种情况时，由于 IGND 造成的屏蔽中的电压降将由中心导体中相等的电压补偿，因此降低了高频时接地回路的影响。具有两个或三个编织屏蔽层的同轴电缆比具有一个编织或锡箔屏蔽层的电缆效果更好，因为它们的电阻较低，所以，在低频时变为变压器。

要减少接地回路造成的误差，应使用高质量的同轴电缆将仪器与负载相连，并且在负载处通过电缆的屏蔽将仪器接地。如果可能，确保仪器和负载连接到同一个电源插座上，以便将地电位的差值减少到最小。

注意，Sync 和 Modulation In 连接器的外壳连接到主输出连接器的外壳。连接到 Sync 和/或 Modulation In 的电缆因此成为接地回路的潜在源。还要注意的是，尝试对这些连接器外壳施加不同的电压可能导致高电流流过仪器，从而造成损坏。