Signal-Quellen, von NF bis HF

Signal-Generatoren - Typen und Einsatzbereiche

Wozu Signal-Quellen?

Signal-Generatoren (Signal-Quellen) werden in der Test- und Prüftechnik sowie im Produkt-Design eingesetzt. Sie liefern ein definiertes (Test-)Signal, mit dem ein Prüfling stimuliert wird. Damit kann das Verhalten des Prüflings untersucht werden, indem sein Ausgang bzw. seine "Reaktion" auf das Test-Signal überwacht und gemessen wird. Der Signal-Generator muss dazu ein stabiles und "sauberes" Signal liefern. Um im Test eine realistische Simulation der späteren Anwendungs-Realität zu schaffen, soll das Test-Signal des Generators zudem dem späteren "echten" Signal so nahe wie möglich kommen bzw. den relevanten Signal-Frequenzbereich abdecken.

Bei den ersten Signal-Generatoren, die in den späten 1930-Jahren entwickelt wurden, stand die Erzeugung eines möglichst perfekten Sinus-Signals im Vordergrund. Die Technologie hat sich inzwischen in großen Schritten weiterentwickelt und verändert. So kamen zu Beginn noch Röhrenschaltungen, später analoge Transistorschaltungen zum Einsatz. Außerdem wurden neben dem Sinus häufig weitere Signalformen für Test-Zwecke benötigt, wie zum Beispiel Rechteck, Sägezahn/Rampe bis hin zu Arbiträr-Signalen. Die heute vorherrschende Synthese-Technik heißt DDS (Direct Digital Synthesis). Bei der DDS liegen die Signale zunächst digital vor und werden über D/A-Wandler und glättende Filterschaltungen ausgegeben. Dadurch, dass die Signalformen digital im Speicher des Generators abgelegt sind, können auch arbiträr-Signale schnell und einfach erzeugt werden. Es können in einer Anwendung zum Beispiel sogar Test-Signale mit einem Oszilloskop erfasst, als Datensatz gespeichert und dann als Arbiträr-Signal geladen und wieder ausgegeben werden. Auf diese Weise wird ein Test-Signal generiert, das dem "echten" Signal gleicht, das später am Prüfling anliegt oder in dem für den Test definierte Fehler enthalten sind.

Arten von Signal-Quellen

Handelsübliche Signal-Generatoren lassen sich abhängig vom Frequenzbereich und den erzeugten Signalen unterteilen.

HF-Quellen: Bei den meisten Geräten für den HF-Bereich ist das Test-Signal ein Sinus. Der Frequenzbereich dieser Geräte reicht hinauf bis einige GHz (Modelle Keysight N9310A, Rigol DSG800 Serie, Siglent SSG3000X Serie) bis hin zu 67 GHz (Ceyear-1465 Serie) und mehr. Bei dieser Geräte-Kategorie spielen neben den gängigen Modulationen wie AM, FM, ØM oder Puls-Modulation auch Vektor-Modulationen wie PSK, QAM, FSK, ASK eine wichtige Rolle. Hinzu kommt das Wobbeln (Sweep) bei dem die Frequenz des Signals zwischen zwei definierbaren Werten zyklisch variiert.

Die klassischen NF-Signal-Generatoren arbeiten dagegen in Frequenzbereichen weit unter 1 GHz (zum Beispiel Keysight Trueform Serie bis 120 MHz, Rigol DG Serie bis 350 MHz, Siglent SDG Serie bis 500 MHz). Sie liefern je nach Modell verschiedene Signalformen, wobei die meisten Hersteller relativ frei zwischen drei Typen unterscheiden:

  • Standard-Signale/Funktionen ("Funktions-Generator") wie Sinus, Rechteck/Puls, Dreieck/Sägezahn/Rampe, Rauschen.
  • Feste Arbiträr-Signale ("Built-in arbitrary") wie Herzschlag, exponentieller Anstieg/Abfall, Gauss-Puls, Haversinus, Sinc etc.
  • Vom Anwender ladbare Arbiträr-Signale. Für diese Signale sind unter anderem der Speicher des Geräte (Signal-Länge), seine Sample-Rate und Auflösung wichtig. Zudem bieten viele Geräte eine Sequenzierung von Signal-Segmenten.

Auch bei den NF-Generatoren werden je nach Modell verschiedene Modulationen und Sweep-Betrieb unterstützt.

Trueform Signal-Quellen der Keysight 33600 und 33500 Serie

Keysight Trueform-Technik

Die einzigartige Trueform-Technik zum Generieren von hochpräzisen Signalformen findet man ausschließlich in den Keysight-Signalgeneratoren der Serien 33600A und 33500B. Die Trueform-Technik bietet messbare Vorteile gegenüber der herkömmlichen DDS-Technik. Diese Vorteile umfassen signifikant geringere Signal-Jitter sowie eine echte Darstellung der gewählten Signalform, also nicht nur eine Annäherung.

Vergleich der Trueform-Technik mit der PPC-Methode

Die einfachste Art, ein Signal zu erzeugen, ist es Punkt für Punkt im Speicher abzulegen und es dann über einen D/A-Wandler mit einem Takt wieder auszugeben. Nach dem Auslesen des letzten Punktes springt der Generator zurück zum ersten Punkt und beginnt den nächsten Zyklus. Diese Methode wird oft PPC (Point per Clock) genannt. Auch wenn diese Methode sehr intuitiv und einfach erscheint, hat sie doch Nachteile. Um die Frequenz bzw. Sample-Rate des Signals zu verändern, muss die Takt-Frequenz verändert werden. Ein präziser, veränderbarer Takt ist aufwändig und erhöht die Kosten und Komplexität eines Instruments. Zudem ist die schrittweise Ausgabe der D/A-Wandlung für viele Anwendungen unerwünscht, so dass weitere aufwändige Maßnahmen zum Glätten des Signals erforderlich sind. Aufgrund der Komplexität und Kosten wird die PPC-Methode daher hauptsächlich in Highend-Generatoren eingesetzt.

Vergleich der Trueform-Technik mit der DDS-Methode

DDS verwendet einen Takt mit fester Frequenz und ein einfacheres Filter-Schema. Damit ist diese Technik weniger teuer als die PPC-Methode. Bei der DDS-Methode fügt ein Phasenakkumulator seinem Output bei jedem Takt-Zyklus ein Inkrement hinzu. Der Output des Akkumulators repräsentiert die Phase der Signalform. Die Ausgangsfrequenz ist proportional zum Inkrement. So kann die Frequenz einfach verändert werden, obwohl die Takt-Frequenz fix ist. Der Output des Akkumulators wird umgewandelt von Phasen-Daten in Amplituden-Data indem er typischerweise durch eine Art Nachschlagetabelle läuft. Das Phasenakkumulator-Design erlaubt es der DDS, mit einem festen Takt zu arbeiten und dennoch Signalformen mit einer schnelleren Sample-Rate als dem Takt auszuführen. Bei der DDS wird demnach nicht jeder individuelle Punkt in der resultierenden Ausgangssignalform dargestellt. Mit anderen Worten, DDS verwendet nicht jeden Punkt aus dem Waveform-Speicher, erzeugt jedoch eine sehr gute Annäherung. Dennoch - es handelt sich um eine Annäherung, so dass die Waveform-Daten verändert sein können. DDS kann auf nicht vorhersehbare Art Aspekte des Signals auslassen bzw. wiederholen. Im besten Fall führt dies zu Jittern, im schlimmsten Fall zu kritischen Verzerrungen. Feine Details im Signal können zum Teil oder komplett verloren gehen oder verfälscht werden.

Die Keysight Trueform-Technik ist der nächste Schritt in der Signalerzeugung. Sie vereint die besten Eigenschaften aus beiden Technologien. Sie erzeugt präzise Signale mit geringem Rauschen, ohne Signalpunkte auszulassen (genau wie die PPC-Methode), jedoch zu einem vergleichbar günstigen Preis wie DDS. Trueform arbeitet mit einem patentierten, variablen Takt mit fortschrittlichen Filter-Techniken.

Verbesserte Signal-Integrität

DDS vs. Trueform, Bild 1 und 2

Bild 1 (links): Harmonische von der Trueform-Technik.
Bild 2 (rechts): Harmonische von der DDS-Technik.

Einer der wesentlichen Vorteile der Trueform-Technik gegenüber DDS ist eine bessere Signal-Integrität. Dies lässt sich in der Frequenz-Domäne nachweisen, indem man die Spektren vergleicht, und in der Zeit-Domäne durch vergleichende Jitter-Messungen. Bild 1 zeigt das Spektrum eines 10 MHz Sinus, der mit der Trueform-Technik (33500B) erzeugt wurde. Bild 2 zeigt das gleiche Signal von einem Generator mit DDS. Im Idealfall besteht ein Sinus nur aus der Grundfrequenz ohne weitere Harmonische. In der Praxis ist dies aber nicht realisierbar, so dass es das Ziel ist, die Harmonischen so gering wie möglich zu halten. An den Messergebnissen sieht man, dass bei der Trueform-Methode die zweite Harmonische >5 dB geringer ist als bei DDS. Zudem sieht man, dass bei der DDS sogar noch die vierte und fünfte Harmonische erkennbar ist. Bei den Jitter-Messungen mit einem Oszilloskop wird der Vorteil der Trueform-Technik noch deutlicher. Gemessen wurde der Jitter bei einem 10 MHz Puls-Signal. Es ist auf die steigende Flanke des Pulses gezoomt mit aktivierter Scope-Funktion "Nachleuchten"/Persistence. Mit der Histogramm-Funktion des Oszilloskops wurde der Perioden-Jitter des Signals gemessen. Die Messung der Standardabweichung ist jeweils rot markiert und repräsentiert den RMS-Jitter des Signals.

DDS vs. Trueform, Bild 3 und 4

Bild 3 (links): Jitter-Messung an einem Trueform-Signal.
Bild 4 (rechts): Jitter-Messung an einem DDS-Signal.

In Bild 3 und 4 sind die Amplituden- und Zeit-Skalierungen des Scopes beide Male gleich. Der Puls des Trueform-Generators zeigt mehr als zehn mal geringeren Jitter verglichen mit DDS. Die Verbesserung der Signal-Integrität bietet mehr Sicherheit in Ihrer Test-Anwendung. Dies ist besonders für Applikationen wichtig, in denen es um Flanken und deren Timing geht, wie zum Beispiel bei der Takterzeugung, bei Trigger- oder Kommunikationssignalen. Weniger Jitter bedeutet hier geringere Timing-Unsicherheit.

Trueform - präzise Signale mit allen Details

DDS vs. Trueform, Bild 5 und 6

Bild 5 (links): Vergleich Arbiträr-Signal - 50 kHz.
Bild 6 (rechts): Vergleich Arbiträr-Signal - 100 kHz.
(grün = DDS, gelb = Trueform).

Wie erwähnt verwendet DDS einen festen Takt und einen Phasenakkumulator. Daher kann nicht garantiert werden, dass auch wirklich jeder Punkt und jedes Signal-Detail wiedergegeben wird. Je höher die Frequenz, um so mehr Lücken entstehen im ausgegebenen Signal im Vergleich zum idealen Signal. Trueform hingegen gibt jeden Punkt wieder, unabhängig von Frequenz oder Sample-Rate. Das ist besonders dann wichtig, wenn Sie mit Signalen arbeiten, die kleine Details enthalten, die für Ihren Test jedoch essenziell sind. Als Beispiel wurde ein Arbiträr-Signal erzeugt, das aus einem Puls besteht, der wiederum sieben abfallenden Amplituden-Spikes enthält. Das Signal wurde über einen Trueform- und einen DDS-Arbiträr-Generator ausgegeben. Das Signal wurde zunächst mit 50 kHz ausgegeben und mit einem Oszilloskop dargestellt (Bild 5 - gelb = Trueform, grün = DDS). Bei 50 kHz können beide Generatoren das Signal mit den sieben Spikes recht gut reproduzieren. Beim Trueform-Generator erreichen die Spikes eine höhere Amplitude. In Bild 6 wurde die Ausgabefrequenz auf 100 kHz erhöht. Auch hier gibt der Trueform-Generator alle sieben Spikes wieder, wohingegen beim DDS-Generator diese Signaldetails komplett verloren gehen. Für Bild 7 schließlich wurde die Frequenz auf 200 MHz verdoppelt. Wieder gibt der Trueform-Generator alle sieben Spikes wieder. Der DDS-Generator zeigt nun drei Spikes. Beachten Sie, dass diese nicht an den korrekten Zeitpositionen der Spikes des Originalsignals liegen. Im Gegensatz zur Trueform-Technik, die das Signal immer korrekt wiedergibt, ist die Ausgabe des DDS-Generators verfälscht, Details gehen verloren oder werden falsch wiedergegeben.

DDS vs. Trueform, Bild 7

Bild 7: Vergleich Arbiträr-Signal - 200 kHz.

Zusammenfassung

Die DDS-Technik ist preiswert und kann für viele einfache Anwendungen ausreichend genau sein. Wenn es jedoch auf hohe Signal-Integrität ankommt, also auch kleine Signal-Details wichtig sind, und zudem ein rausch- und verzerrungsarmes Signal mit geringem Jitter benötigt wird, ist die Trueform-Technik die ideale Lösung. Die Trueform-Technik vereint die Vorteile der PPC-Methode mit dem günstigen Preis der DDS-Technik. Sie gibt Signale in allen unterstützen Frequenzbereichen punktgenau wieder, ohne dass Details verloren gehen. Eine Zusammenfassung der Eigenschaften sehen in der Vergleichs-Tabelle.

  DDS Trueform Vorteile
  Beispiel: Herkömmlicher 100 MHz Signal-Generator Beispiel: Keysight 80/120 MHz Signal-Generator  
Flanken-Jitter  200x besser
Anwender-Signal-Wiedergabe Lässt Punkte aus Wiedergabe von 100% der Punkte Exakte Signal-Wiedergabe
Total Harmonic Distortion 0,2% 0,03% 5x besser
Anti-Aliasing-Filterung  extern erforderlich immer aktiv Keine Artefakte durch Anti-Aliasing
Sequenzierte Arbiträr-Signale nicht möglich Standard  Einfaches Generieren komplexer Signal-Sequenzen

(Quellen: Unterlagen von Keysight, Wikipedia, Herstellerdatenblätter)