Neue DAC-Technologien Arbiträr-Signalgeneratoren für hochwertige HF-Signale

Erzeugung von Mikrowellensignalen

Warum diese Fortschritte in der DAC-Technologie so entscheidend sind, wird deutlich, wenn man die Herausforderungen bei der Erzeugung von komplexen Mikrowellensignalen betrachtet. Ein übliches Verfahren, um komplexe Si­gnale zu erzeugen, besteht darin, ein Trägersignal mit der von einem Überlagerungsoszillator (LO) erzeugten Frequenz mittels eines Vektor-Modulators zu modulieren. Dies ist im Prinzip eine Hardware-Implementierung der folgenden trigonometrischen Formel:

I cos omega subscript C t plus Q sin omega subscript C t equals A sin left parenthesis omega subscript C t plus capital phi right parenthesis

Mit omega subscript C equals 2 pi f subscript C, A equals square root of I squared plus Q squared end root und capital phi equals tan to the power of negative 1 end exponent Q over I

Diese Formel lässt sich relativ einfach in eine Hardware implementieren, wenn die folgende Gesetzmäßigkeit genutzt wird:

sin omega subscript C t equals cos left parenthesis omega subscript C t plus pi over 2 right parenthesis

Durch die Verschiebung der Phase des Trägersignals um 90 Grad lassen sich der Sinus- und der Cosinus-Term der oben dargestellten Gleichung aus einer einzigen Sinus-Quelle produzieren. Die I- und Q-Terme ergeben dann die entsprechenden In-Phase- und Quadratur-Basisband-Signale. Diese Terme können die Amplitude und Phase des Trägersignals auf jeden beliebigen Wert einstellen, was damit die Implementierung jeder beliebigen Modulationsart erlaubt.

Hochfrequenz-Modulation

Für Hochfrequenz- und Mikrowellenanwendungen erfolgt die Erzeugung von I- und Q-Signalen normalerweise mit AWGs, die in ihrem Kern mehrere synchronisierte DACs enthalten. Bild 1 zeigt einen Zwei-Kanal-AWG, der das I- und Q-Signal an einen Vektor-Signalgenerator (VSG) liefert.

Ein großer Nachteil dieses Verfahrens ist der Verlust in der Signalmodulationsqualität wegen der Phasen- und Amplituden-Unsymmetrie bei den I- und Q-Si­gnalen, sowie wegen des Leckstroms des Überlagerungsoszillators (LO). Die Ursache sind die Hardware-Beschränkungen des Vektor-Modulators, die durch eine Reihe von Kalibrieroperationen einigermaßen kompensiert und korrigiert werden können. Da immer mehr Geräte benötigt werden, können Kosten und Komplexität bei großen mehrkanaligen Hochfrequenz-Systemen eine entscheidende Rolle spielen.

Ein Beispiel sind supraleitende Quanten-Bit-Controller-Systeme (qubit): Die Frequenz der Signale für die Erregung von qubit-Resonatoren erfordert eine sehr feine Einstellung. Dadurch benötigt jeder Hochfrequenzkanal einen VSG mit einem unabhängigen abstimmbaren LO und zwei AWG-Kanälen. Zusätzlich beschränkt die LO-Streuung den Dynamikbereich in gepulsten Signalanwendungen, wo ein stabiles, hohes On-Off-Verhältnis erforderlich ist.