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Neue DAC-Technologien

Arbiträr-Signalgeneratoren für hochwertige HF-Signale

27. September 2017, 8:30 Uhr | Von Dean Miles, Tektronix

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

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.

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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.