多通道高稳定性相参信号产生系统的搭建与实现

张 勇，杜国宏，王晋杰

（1.成都信息工程大学 电子工程学院，四川 成都 610225；2.是德科技（中国）有限公司 四川 成都 610041）

多通道高稳定性相参信号产生系统的搭建与实现

张 勇1，杜国宏1，王晋杰2

（1.成都信息工程大学 电子工程学院，四川 成都 610225；2.是德科技（中国）有限公司 四川 成都 610041）

随着通信技术的快速发展，信号从原来的单通道信号发展到多通道信号，信号也从模拟信号发展到数字信号，同时对信号的相位稳定性的要求也越来越高。本文实现了能产生多通道高稳定性相参信号的系统搭建与验证。该系统搭建是基于Keysight M8195A任意波形发生器为核心仪器，以脉冲源产生触发信号和时钟信号，用示波器来检测信号的相位稳定性。实验结果证明，该系统能够根据对于任意波形发生器的设置来产生相应的多通道信号，并且通道间相位稳定性达到皮秒级别。这能为诸多领域的研究和应用提供一个完美的多通道高稳定相参信号的产生平台，具有很大的实际应用价值。

多通道；相参信号；高稳定性；任意波形发生器

在现代电子通信系统中，从民用到军用，为应对不同的需求，对于信号的发展都有一个共同的趋势：信号的通道数要求越来越多，信号的复杂程度越来越高，对信号相位的稳定性和速度要求越来越高等等。例如射频微波研发测试中常常需要测试的多通道T/R组件，还有常用于军用电子战和民用气象方面的相控阵雷达系统都对于多通道相参信号具有很大的需求[1-2]。

目前为止，射频微波领域比较常见的信号发生器分为射频信号发生器和矢量信号发生器，但这些信号发生器只能产生有限的波形（如正弦波、方波、三角波、脉冲等）[3]，我们可以针对不同的研发测试需要来调整它们的许多特性如频率、振幅、直流偏移、占空比等，当然部分的矢量信号发生器除了能实现基本的内部或外部调制如AM（调幅），PM（脉冲调制），和FM（调频），还能使用IQ调制生成常用的数字调制信号[4]。部分的矢量信号发生器也配备了任意波形发生器选件，能使用外部软件给信号发生器下载较为复杂的波形文件。但是这些信号发生器通常都只有1个输出通道，如果想要同时产生多路信号的话会使用多台仪器来实现，这样就很难保证输出信号的相位稳定性，同时整个系统的体积也会大大增加，对于通道数要求较多的系统，用这种方法无法实现。对于有任意波形发生器选件的信号发生器也受到有限的存储深度和采样率的影响。

针对传统的信号发生器的这些缺点，文中基于Keysight M8195A任意波形发生器实现了多通道高稳定相参信号产生系统的搭建与实现。每台M8195A含4个独立输出通道，可以根据需求用M8197A同步模块实现多台M8195A的同时工作[5]。实现同样的信号输出通道数，多台信号发生器占用的体积比M8195A多数十倍。而且，M8195A相比于装有ARB（任意波形发生器）选件的矢量信号发生器具有更高的采样率、存储深度和模拟带宽，所以能产生带宽更宽、相位更稳定的信号[6-7]。通过实验也证明，该系统输出的不同通道间信号的相位稳定性达到皮秒级别。所以该系统有体积小、相位稳定性好等优点，具有很大实际应用价值。

1 M8195A任意波形发生器及M8197A同步模块

1.1 M8195A任意波形发生器（AWG）简介

相比于传统的信号发生器，AWG更具有灵活性，只要是我们能通过MATLAB等软件描述出来的波性文件，它都可以生成。从整体来看，AWG就像一个 DSO（Digital Storage Oscilloscope）数字存储示波器[8-9]。如图1所示，在这里信号流相当于被倒置，波形储存器里面用数字形式表示的理想信号以一个固定的采样率为DAC（Digital-to Analog Converter）连续提供样本数据。

图1 AWG的基本框图

1.2 M8197A同步模块

M8197A是用于M8195A的多通道同步模块。由于现有的一块M8195A由4个独立通道，那么当我们需要4个通道以上的信号时，就需要多块M8195A同时工作，为了保证处于不同模块的不同通道之间信号的高度同步性，就用到该同步模块，它能为不同的模块提供同一个时钟信号[10-11]。

2 系统的搭建

本次实验主要验证同一板块不同通道间和不同板块不同通道间信号的同步性和从外部信号触发到AWG产生信号的时延特性以及仪器重复开机后通道间的相位一致性[12]。 使用到的仪器有：2块M8195A（AWG）、1 块 M8197A（同步模块）、1 台模块化机箱、1台脉冲信号发生器、一台4通道示波器、电缆若干。

系统的搭建框图和实际连接框图分别如图2图3所示。为了图示表达清晰，框图中省略了部分输出通道和一台嵌入式PC。框图中每个M8195A模块只画出了2个输出通道，实际为每台4个输出通道。嵌入式PC是用来进行模块设置和下载波形等作用的。由于示波器只有4个输入通道，分别接1路激励信号，和3路从2块M8195A输出的信号。脉冲源的两个输出通道分别为M8197A提供激励信号和时钟信号，激励信号功分两路，1路直接输入示波器作为参考信号，另一路输入M8197A然后通过机箱背板分别激励两台AWG。时钟信号输入M8197A后通过CLK OUT分别输入到两台AWG。

图2 系统连接框图

3 系统测试

完成系统搭建后，对系统进行实验测试。首先对脉冲信号发生器设置，两个输出端分别两个脉冲信号，分别提供触发和时钟。然后对2块AWG和同步模块进行设置。把同步模块的时钟信号和触发信号与脉冲源输出的脉冲信号的频率相对应。这里我们主要关注的是信号的相位稳定性，所以这里没有利用外部软件产生波形文件然后再回放，而是直接产生的一个标准的脉冲波。具体设置如图4所示，对脉冲波形的上升下降时间、初始相位、频率和占空比等参数的设置。以及把M8195A的触发信号、时钟信号、输出端口设置好。

图3 系统实际连接图

图4 AWG中标准波形设置

完成触发、时钟信号和AWG以及同步模块控制设置后，就是对示波器设置来检测信号情况[13-14]。本次设置的触发信号和响应信号都是设置的脉冲波，所以可以通过触发脉冲信号以及响应脉冲信号的上升沿在幅度零点的波形抖动来表示信号的相位稳定性情况。整体过程为，脉冲源在不断地产生触发信号去触发AWG，当AWG检测到触发信号后，即发出之前在AWG里面设置的信号。而我们现在关注就是AWG每次发出的信号是否是相参的即相位是否是稳定的，还有就是从触发到AWG响应的时延[15]。对于示波器而言，可以通过把M8195A的OUT2的输出信号即示波器的通道3的信号作为示波器的触发信号，这样对于通道3的信号而言，它的上升沿与幅度零点（横轴线）的交点处即为时间零点T=0，而且此处的抖动也为零ΔT=0。

那么根据如图2框图连接方式可知，示波器的1到4通道分别接的是触发信号、第2块AWG的两个输出信号、第2块AWG的一个输出信号。所以示波器通道2和通道3的时间差抖动即表示同一块M8195A输出信号的相位稳定性；通道4和通道3的时间差抖动即表示不同块的M8195A输出信号的相位稳定性；通道1和通道3的时间差抖动即表示由脉冲源产生的触发信号的相位稳定性；同时通过比较通道1和其他通道的时间差可以得到从触发信号到AWG响应的时间。

如图5所示为测试结果图，图上的波形为示波器所接收到的4个通道信号的上升沿部分，下面为响应各个通道之间时间差测试结果。因为3通道处为时间零点，所以如图的3个测试结果分别拿1、2和4通道分别与3通道相比较。Current为当前测试值，Mean为测试平均值，Max和Min分别为最大和最小值，Range即表示每次响应信号的抖动。所以，从测试结果我们可以看出，通道2和通道3之间的相位差表示同一M8195A的不同通道之间的相位差达到5.48 ps；通道4和通道3之间的相位差表示不同M8195A的通道间相位差达到8.8 ps；通道1和通道3之间的相位差表示从触发到AWG响应的时延达到115 ps。由测试结果可知，AWG从接收到信号到发出信号的时延是相当短的，只有100 ps左右。当然，我们最主要关注的AWG接收到触发信号后产生出的信号相位的抖动是相当小的，只有几个皮秒。当然，我们可以根据不同的研究需要来设置AWG生成信号的相位信息。

图5 测试结果图

另外，通过开关机整套测试系统我们可以验证仪器以及系统在进行开关机后，各个通道之间的相位稳定性。图6所示为关机后再开机的测试结果，可以看到通道间的时延差也只有8 ps左右，而且从触发到AWG响应的时延也稳定在100 ps左右。说明此系统产生信号通道间的相位基本不受开关机的影响，重复性很好。

图6 开关机后的测试结果

4 结论

通过系统研究，完成了4通道相参信号产生系统的搭建与实现。并经过测试验证，各个通道间的相位抖动达到几个皮秒。因为现有的1块M8195A有4个独立输出通道，所以可以根据不同的研发测试需求，相应的增加模块数即可实现，各个模块间使用M8197A来实现同步，由测试结果得知，不同的M8195A的输出通道的信号相位的抖动一样只有几皮秒。另外，此方案还可以支持跨机箱的同步，那么我们可以根据需要把机箱摆放在多个空间位置，公用同一个外部系统时钟信号。说明这套系统能够同时输出多通道高稳定相位的信号，即多通道相参信号。这对于相控阵雷达以及物理学研究等其他的测试应用都有很大应用价值。

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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稿件编号：201606229

张 勇（1991—），男，四川自贡人，硕士研究生。研究方向：天线与电波传播，微波电路与系统。