快速生成放大器TOI和其他IMD失真测量所需的音频信号

      双音频和多音频信号被广泛应用于通信和国防领域，用以测试元器件、设备、子系统和系统内部生成的多余的、非线性频谱失真。互调失真(IMD)的产生与带内和带外的多余频谱信号有关，这些信号由两个或多个有用的频率成分之间多余的互调生成。当信号穿越具有非线性转换功能的元器件和设备时会产生互调。
       当频率为f1和f2的双音频信号穿越非线性设备或带有非线性工作区域的线性设备时出现的IMD。IMD的高电平表示设备明显呈非线性，这会降低整个系统的性能，并对相邻信道造成干扰。带内IMD是指所需的通道带宽内出现的互调。这种失真非常不利，它既不能被过滤掉，又会对有用的信号造成干扰。带外IMD会干扰接收机内的相邻信道，因此，同样须对其进行检测和处理。
     由于使用均衡技术不能校正非线性失真，因此对元器件、子系统和系统的非线性动作进行量化检测是发射机/接收机的设计和验证过程中非常重要的环节。

    检测IMD性能
通过两个或多个测试信号激励被测件的同时，使用频谱分析仪检查其输出，可以测量IMD(见图2)。检测放大器非线性动作时，通常会执行双音频信号互调失真测量。将两个功率相等并处在被测件频率范围内的离散音频信号加载到被测件的输入端，然后测量因此产生的谐波和互调失真。通过测量产生的失真可以确定品质因素，例如三阶截获(TOI)点。当设备和系统的带宽增加时，通常使用多信号检测非线性失真。在被测件的工作频率范围内使用多音频信号可以更有效地检测被测件的工作范围，并为被测件提供更高的波峰因数信号。
     依照组成测试信号的音频信号之间的相位关系，在指定的频率范围内测量得出的IMD具有明显的区别。如图3a和3b所示，积极或破坏性地添加单个音频信号，会使复合信号时域剖面的峰均比或波峰因数完全不同。相对于使用较低峰均比的测试信号，使用较高峰均比的复合测试信号通常会使被测件在其非线性范围内产生更大的IMD。
图3a显示了所有音频信号初始相位相同时的复合测试信号，图3b显示了音频信号为随机初始相位设置时的复合信号。虽然IMD在很大程度上取决于音频信号之间的相位关系，但是，另一方面，通过一个相位组的IMD测试结果并不能预测另一个基于音频信号相位关系或复合信号峰均比的相位组的IMD测试结果。从统计意义上讲，IMD测试结果与音频信号之间的相位关系并非密切相关。因此，被测件带通中频谱成分的相位关系随着时间变化，而被测件的非线性失真特性的变化无法预测。
      通过输入测试音频信号的单一相位组测试IMD并不能提供足够的信息以充分检测被测件。在真实的工作条件下，使用被测件可能具有的所有潜在相位关系检测设备的非线性失真是不实际的，使用具有高波峰因数的复合信号测试信号相位组并仿真差设备压力条件。

    生成用于IMD测试的信号
      生成用于IMD测试的多音频信号的方法有两个。传统的方法是使用多个信号发生器——每个测试音频信号使用一个信号发生器，较新的方法是使用单一的矢量信号发生器和宽带任意基带I/Q波形发生器生成两个或多个音频信号。用于IMD测试的方法取决于多个因素，包括被测元器件或设备的特性。
      在用于测量IMD的传统设置中，使用合成器将来自独立的连续波(CW)信号发生器的两个或多个信号组合起来，创建一个多音频信号测试激励信号。使用多个隔离器确保信号发生器间不会互相干扰，从而降低了测试设备引起的IMD。典型的隔离器在逆向路径中提供20 dB的隔离，同时在正向路径中造成0.5dB~1dB的损耗。每个信号发生器输出端的放大器用于精调相关的音频信号功率，而无需改变信号发生器的电平，同时保持信号源的IMD不变。低通滤波器可以尽量减少测试激励信号的带外频谱成分。合成器能够将发生器生成的信号相加。这些合成器应具有较低的损耗、足够的隔离并对测试激励中造成的失真极少。合成器输出端的可变衰减器用于改变被测件输入端的复合信号电平，而无需手动调节每个信号发生器，从而维持源IMD不变。
      用户可以使用传统的方法生成IMD测试所需的信号，即使用多个信号发生器创建多音频IMD测试信号。这种方法非常高效，而且可以用于成本较低的连续波信号发生器。可用音频信号功率是它的主要技术优势，每个音频信号的功率都由与之对应的信号发生器和外部放大器决定。
     尽管该方法拥有诸多优点，但也存在不少缺点，即：
* 需要复杂的测试设置，如果断开连接就会造成不可重复的结果。需要使用更多的信号发生器和其他硬件，以添加额外的音频信号，从而使设置更加复杂。
* 手动完成音频信号频率和功率调整，从而产生不可重复的结果。
* 对于大多数连续波发生器来说，系统地设置每个音频信号的相位非常困难(与其他音频信号相关)。
* 大量的信号发生器及其相关的硬件均需要尽量减少测试信号IMD。还有，设置并测量被测件所需的时间极大地增加了测试成本。
       测量IMD的新型技术：通过矢量信号发生器(包括一个带有集成I/Q调制器的射频或微波信号发生器和一个基带I/Q任意波形发生器)生成多音频测试信号(见图4)。该技术可在基带I/Q任意波形发生器内生成具有基带频率的多音频信号波形(两个或多个)。使用信号发生器的内部I/Q调制器可将这些波形转换成所需的更高载波频率。
使用带有多音频信号功能的矢量信号发生器(包括任意波形发生器)可以极大地简化总体测试程序。通常所需的只是设置一些基本的波形参数，包括音频信号的数量、间隔、功率和固定或随机初始相位分布。用户可以轻松地存储测试配置以便日后回放，轻松获取可重复的测试结果。另外，矢量信号发生器的波形排序能力能够进行多个测试配置(例如，每个配置都拥有不同的相位设置)的回放。这种能力可用较少的时间完成更多测试，从而显著降低总体测试成本。
      测试工程师应注意使用矢量信号发生器会带来的问题，包括：
* 信号发生器的可用功率，按照相关的音频信号功率设置共享或分配到每个音频信号。生成的音频信号越多，每个音频信号的可用功率越少。如果特殊的被测件需要更高的音频信号功率，可以添加具有足够带宽的外部线性放大器，以增加复合多音频信号的功率。
* 由于生成多音频信号需要I/Q调制器，因此，当生成含有偶数的音频信号时，会出现少量载波馈通。优化发生器的I/Q增益和波形的I/Q便可以地减少这些问题。相对音频信号间隔受基带发生器调制带宽或I/Q调制器带宽的限制。

     结语
      以前，使用多个信号发生器生成IMD测试所需的多音频信号是射频和微波频率测试的选择。商用矢量信号发生器的出现为测试工程师提供了更多选择。使用新型Agilent MXG系列模拟和矢量信号发生器生成TOI和其他IMD失真测量所需的双音频和多音频信号使操作更简单、经济、高效。另外，Agilent ESG和PSG系列模拟和矢量信号发生器支持在射频和微波频带中进行IMD测试。■

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