مقاله

سیگنال ژنراتور RF — از صفر تا صد

«مولد سیگنال فرکانس رادیویی» (Radio Frequency Signal Generator) یا سیگنال ژنراتور RF یکی از تجهیزات بسیار مهم اندازه‌گیری و تست (Test Instrumentation) به شمار می‌آید که در حوزه تست مدارات فرکانس رادیویی و مایکروویو کاربرد دارد. در واقع می‌توان گفت که یک سیگنال ژنراتور RF یا مایکروویو، منبعی از سیگنال را در اختیار ما قرار می‌دهد که می‌توان از آن برای تست عملکرد مدار مورد آزمایش استفاده کرد. بر خلاف بسیاری دیگر از ادوات تست، سیگنال ژنراتور RF هیچ اندازه‌گیری را در مدار انجام نمی‌دهد، بلکه شرایط صحیح آزمایش را برای سایر ابزارهای سنجشی فراهم می‌آورد تا سیگنال خروجی از مدار را اندازه‌گیری کند.

سیگنال ژنراتور RF

هدف اصلی یک سیگنال ژنراتور RF این است که سیگنالی با مشخصه‌های معین (مانند دامنه، فرکانس، مدولاسیون و …) تولید کند. بنابراین این امکان وجود دارد که با نگریستن در پاسخ مدار، به نحوه دقیق عملکرد آن پی برد. معمولا از یک سیگنال ژنراتور RF همراه با سایر تجهیزات اندازه‌گیری مانند اسیلوسکوپ، «تحلیل کننده طیفی» (Spectrum Analyzer)، «توان سنج» (Power Meter)، «فرکانس شمار» (Frequency Counter) و … استفاده می‌شود.

انواع سیگنال ژنراتور RF

یک سیگنال ژنراتور RF را می‌توان به روش‌های مختلفی طراحی کرد. با وجود پیشرفت‌های تکنولوژی که در سال‌های اخیر در حوزه طراحی و ساخت مدارات الکترونیکی به وجود آمده است، تکنیک‌های مختلفی برای این کار وجود دارند. البته باید توجه کرد که اگر چه توانایی تجهیزات تست و اندازه‌گیری موجود در عصر جدید به حد قابل توجهی افزایش یافته است، اما مفاهیم اساسی در این حوزه‌ها همچنان ثابت باقی مانده است. در تصویر زیر نمایی از یک سیگنال ژنراتور RF معمولی نشان داده شده است.

سیگنال ژنراتور RF
سیگنال ژنراتور RF

در حالت کلی می‌توان گفت دو نوع سیگنال ژنراتور RF وجود دارد که در حوزه‌های مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرند. در ادامه به بررسی انواع مختلف سیگنال ژنراتور RF می‌پردازیم.

سیگنال ژنراتور RF آزادگرد

سیگنال ژنراتور RF «آزادگرد» (Free running) امروزه به ندرت مورد استفاده قرار می‌گیرد؛ زیرا فرکانس این نوع از مولدهای RF در معرض «رانش» (Drift) قرار دارند. گاهی اوقات سیگنال ژنراتورهای RF آزادگرد ساده نوع «Low End» از یک یا دو ترانزیستور استفاده می‌کردند که در این حالت سطح عملکرد بسیار معمولی داشتند، اما قیمت آن‌ها ارزان بود و به همین دلیل برای کاربران مبتدی قابل استفاده بودند. این نوع از سیگنال ژنراتورهای RF امرزوه جای خود را به انواع دیگر داده است.

سیگنال ژنراتور فرکانس رادیویی vintage
سیگنال ژنراتور فرکانس رادیویی vintage

البته به تدریج سیگنال ژنراتورهای RF آزادگرد نوع «High End» نیز توسعه پیدا کردند. این نوع از سیگنال ژنرتورهای RF این مزیت را دارند که سیگنال تولید شده توسط آن‌ها بسیار تمیز است و سطح نویز فاز در دو طرف سیگنال اصلی تقریبا برابر با صفر است، در حالی که در برخی از سایر انواع سیگنال ژنراتورهای فرکانس رادیویی سطح نویز روی سیگنال اصلی نسبتا بالا است. برخی از این سیگنال ژنراتورها از نوعی «حلقه قفل فرکانس» (Frequency Locked Loop) استفاده می‌کنند تا ابزاری برای اضافه کردن پایداری فرکانسی ایجاد کنند، البته سطح نویز فاز بسیار پایینی هنوز باقی می‌ماند. این نوع از سیگنال ژنراتورهای فرکانس رادیویی نیز امروزه رواج کمی دارند؛ زیرا عملکرد سیگنال ژنراتور RF با استفاده از تکنولوژی «ترکیب کننده‌های فرکانسی» (Frequency Synthesizer) به صورت قابل توجهی ارتقا یافته است.

سیگنال ژنراتور RF ترکیبی (Synthesized)

امروزه تقریبا تمام سیگنال ژنراتورهای فرکانس رادیویی از تکنولوژی ترکیب کننده فرکانسی یا سینت سایزرهای فرکانسی استفاده می‌کنند. استفاده از چنین تکنیکی این امکان را فراهم می‌آورد که فرکانس‌ها مستقیما از طریق یک صفحه کلید و یا کنترل از راه دور وارد شوند و نیز موجب تعیین دقیق سیگنال خروجی می‌شود. البته دقت در سیگنال خروجی تولید شده هم به اسیلاتور مرجع داخلی بستگی دارد که درجه دقت بسیار بالایی داشته باشد و هم می‌توان سیگنال را به یک فرکانس مرجع خارجی قفل کرد تا دقت به صورت فوق‌العاده‌ای بالا برود. در سیگنال ژنراتورهای فرکانس رادیویی نوع ترکیبی معمولا دو تکنیک اصلی وجود دارد که از آن‌ها استفاده می‌شود. این دو تکنیک به صورت زیر هستند:

  • ترکیب کننده حلقه قفل فاز: تکنیک «ترکیب کننده‌‌های حلقه قفل فاز» (Phase Locked Loop Synthesizer) در اکثر سیگنال ژنراتورهای فرکانس رادیویی مورد استفاده قرار می‌گیرند؛ زیرا از این طریق می‌توان سیگنال‌ها را در گستره وسیعی از فرکانس‌ها با سطح سیگنال‌های «جعلی» (Spurious) نسبتا پایین تولید کرد. تکنولوژی ترکیب کننده‌های حلقه قفل فاز تا حد زیادی بسط یافته است و در سیگنال ژنراتورهای فرکانس رادیویی مورد استفاده قرار می‌گیرد. در تصویر زیر بلوک دیاگرام ترکیب کننده‌‌ حلقه قفل فاز نشان داده شده است.
بلوک دیاگرام ترکیب کننده‌‌ حلقه قفل فاز
بلوک دیاگرام ترکیب کننده‌‌ حلقه قفل فاز
  • ترکیب کننده دیجیتال مستقیم: تکنیک «ترکیب کننده دیجیتال مستقیم» (Direct Digital Synthesizer) یا به اختصار DDS نیز در برخی از سیگنال ژنراتورهای فرکانس رادیویی مورد استفاده قرار می‌گیرد. با استفاده از این تکنیک می‌توان به آسانی به افزایش فرکانس بسیار خوبی دست یافت. با این حال، حد بالای فرکانس در تکنیک ترکیب کننده دیجیتالی مستقیم معمولا بسیار پایین‌تر از بزرگ‌ترین فرکانس مورد نیاز در سیگنال ژنراتور فرکانس رادیویی است؛ بنابراین از این تکنیک به صورت ترکیبی با تکنیک حلقه قفل فاز استفاده می‌شود تا بازه فرکانسی مورد نیاز در سیگنال ژنراتور به دست آید.

اسیلاتور مورد استفاده از هر نوع که باشد، پایداری، کنترل، دقت و نیز نویز فاز از مسایل بسیار مهم در یک سیگنال ژنراتور RF به شمار می‌آیند. امروزه برای بسیاری از الزامات دستگاه‌های سنجش، استفاده از ترکیب کننده‌های فرکانسی بدین معنی است که پایداری، کنترل و دقت در سطح بسیار خوبی قرار دارند. البته در برخی کاربردها نویز فاز می‌تواند یک مشکل باشد.

بخش‌های مختلف سیگنال ژنراتور RF

به منظور درک عملکرد یک سیگنال ژنراتور فرکانس رادیویی یا مایکروویو، دانستن بلوک‌های اساسی موجود در یک سیگنال ژنراتور امری مفید است. در یک سیگنال ژنراتور فرکانس رادیویی مدرن تعدادی مدار مهم قرار دارد که به صورت زیر هستند.

اسیلاتور: یکی از مهم‌ترین بلوک‌های موجود در یک سیگنال ژنراتور، اسیلاتور یا نوسان‌گر است. نوسان‌گر می‌توان هر کدام از انواع مختلف آن باشد، اما امروزه تقریبا در تمام سیگنال ژنراتورها اسیلاتور از نوع ترکیب کننده‌ فرکانسی است. این اسیلاتور از کنترل کننده فرمان دریافت می‌کند و در فرکانس مورد نیاز تنظیم می‌شود.

تقویت کننده: سیگنال خروجی که از مدار اسیلاتور خارج می‌شود باید تقویت شود. این کار با استفاده از یک مدار تقویت کننده مخصوص انجام می‌شود. تقویت کننده سیگنال را تا یک سطح ثابت تقویت می‌کند. یک حلقه در اطراف تقویت کننده وجود دارد که دقت سطح خروجی را در تمام فرکانس‌ها و تمام دماها حفظ می‌کند. این حلقه با دقت زیادی کنترل می‌شود؛ زیرا دقت در خروجی نهایی به آن وابسته است.

تضعیف کننده (Attenuator): یک تضعیف کننده در مسیر خروجی مولد سیگنال فرکانس رادیویی قرار داده می‌شود. دلیل این کار این است که اطمینان حاصل شود یک مقدار امپدانس مرجع دقیق به دست می‌آید. همچنین تضعیف کننده این امکان را فراهم می‌کند که سطح سیگنال ژنراتور را با دقت بالایی تنظیم کرد. به صورت خاص سطوح توان نسبی، به عنوان مثال هنگام تغییر از یک سطح به سطح دیگر، با دقت بسیار بالایی عمل می‌کنند که نشان دهنده دقت تضعیف کننده است. ذکر این نکته بسیار مهم است که امپدانس خروجی برای بالاترین سطوح سیگنال که تضعیف کمتر است، با دقت کمتری تعریف شده است. سطوح ممکن است در گام‌های افزایشی ۰٫۱ دسیبل در طول بازه تنظیم شده باشند.

کنترل: برای اطمینان از کنترل ساده و نیز توانایی دریافت فرامین کنترل از راه دور، در سیگنال ژنراتورهای فرکانس رادیویی و مایکروویو از پردازنده‌های پیشرفته استفاده می‌شود. پردازنده در سیگنال ٰژنراتور تمام ابعاد مختلف عملکرد دستگاه اندازه‌گیری را کنترل می‌کند. در سیگنال ژنراتورهای مدرن یک صفحه و پنل کنترلی نیز در اختیار کاربر قرار داده می‌شود. بلوک دیاگرام بخش‌های مختلف سیگنال ژنراتور RF مدرن با اجزای فوق در تصویر زیر نشان داده شده است.

بلوک دیاگرام سیگنال ژنراتور RF
بلوک دیاگرام سیگنال ژنراتور RF

عملکرد سیگنال ژنراتور RF

حال که با بخش‌های مختلف یک سیگنال ژنراتور RF آشنا شدیم، می‌توانیم به بررسی عملکرد آن بپردازیم. سیگنال ژنراتورهای فرکانس رادیویی و مایکروویو قادر هستند گستره وسیعی از امکانات و عملکردها را در اختیار کاربر قرار دهند. برخی از این امکانات در ادامه بررسی می‌شود:

بازه فرکانسی: در یک سیگنال ژنراتور فرکانس رادیویی و مایکروویو، بازه فرکانسی را می‌توان مهم‌ترین پارامتر در نظر گرفت. تمام فرکانس‌های احتمالی مورد نیاز کاربر باید در یک سیگنال ژنراتور RF پوشش داده شوند. به عنوان مثال هنگام تست کردن یک گیرنده در یک وسیله که ممکن است موبایل یا هر نوع گیرنده رادیویی دیگر باشد، ضروری است که بتوان نه تنها فرکانس کاری، بلکه سایر فرکانس‌هایی را بررسی کرد که باعث مشکلاتی نظیر «رد تصویر» (Image Rejection) می‌شوند.

سطح خروجی: بازه خروجی برای یک سیگنال ژنراتور فرکانس رادیویی و مایکروویو معمولا با سطح دقت نسبتا بالایی کنترل می‌شود. خروجی در دستگاه تست با یک سطح ثابت به دست می‌آید و سپس از یک تضعیف کننده متغیر درجه بالا عبور داده می‌شود. این تضعیف کننده به صورت متداوم کلیدزنی می‌شود تا بالاترین درجه دقت را ارائه کند. سرانجام بازه نهایی در بالاترین سطح توسط آخرین تقویت کننده در سیگنال ژنراتور RF محدود می‌شود. سطح متداول برای خروجی سیگنال ژنراتورهای RF معمولا از $$ – 1 2 7 d B m $$ تا $$ + 7 d B m $$ در گام‌های $$ 0 . 1 ; dB $$ است.

مدولاسیون: برخی از سیگنال ژنراتورهای فرکانس رادیویی و مایکروویو دارای اسیلاتورهای داخلی هستند که می‌توانند تکنیک مدولاسیون را روی سیگنال خروجی اعمال کنند. همچنین انواع دیگری از سیگنال ژنراتورها وجود دارند که توانایی اعمال مدولاسیون از یک منبع خارجی را نیز دارند. در حالت کلی، سیگنال ژنراتورهای مختلف توانایی‌های مختلفی دارند؛ زیرا تجهیزات اندازه‌گیری سطح بالا، توانایی‌های زیادی را از خود نشان می‌دهند.

به عنوان مثال، به دلیل اینکه روش‌های مدولاسیون برای کاربردهایی نظیر مخابرات موبایل بسیار پیچیده‌تر شده است، بنابراین توانایی‌های سیگنال ژنراتورهای RF انعطاف‌پذیری بیشتری یافته‌اند و برخی از آن‌ها حتی امکان مدولاسیون‌های پیچیده‌ مانند QPSK و QAM را نیز فراهم می‌کنند. به این نوع از سیگنال ژنراتورهای فرکانس رادیویی که از روش‌های مدولاسیون پیچیده نیز پشتیبانی می‌کنند در اصطلاح «سیگنال ژنراتورهای برداری» (Vector Signal Generators) گفته می‌شود.

بلوک دیاگرام عملکرد سیگنال ژنراتور RF
بلوک دیاگرام عملکرد سیگنال ژنراتور RF

کنترل: امروزه برای کنترل سیگنال ژنراتورهای فرکانس رادیویی و مایکروویو امکانات بسیاری قرار داده شده‌اند. اگرچه پنل کنترل قسمت جلویی دستگاه همانند قبل است، اما امکانات زیادی برای کنترل از راه دور به آن‌ها افزوده شده است. برخی از انواع تجهیزات تست آزمایشگاهی دارای امکانات استانداری مانند RS-232 و Ethernet / LXI نیز هستند. تکنولوژی‌های Rack که PXI / PXI Express از مهم‌ترین انواع آن هستند، نیز جزو سایر امکانات سیگنال ژنراتورهای RF محسوب می‌شوند. PXI مبتنی بر باس PCI است، اما به صورت اختصاصی برای تجهیزات تست توسعه یافته‌ و سازگار شده‌ است. در حال حاضر سیگنال ژنراتورهای RF مبتنی بر PXI متنوعی در بازار موجود هستند.

به دلیل اینکه بسیاری از تجهیزات تست مانند اسیلوسکوپ و تحلیل کننده طیفی دارای فرمت USB هستند، در نتیجه سیگنال ژنراتورها نیز از فرمت USB پشتیبانی می‌کنند. البته در حاضر تنوع زیادی از این نوع سیگنال ژنراتورها موجود نیست. در حالت عادی تجهیزات تست دارای USB، عملکردهای اصلی را انجام می‌دهند، اما از طریق رابط USB تغذیه می‌شوند و همچنین از توان پردازش کامپیوترهای متناظر برای ارتباط با ماشین / انسان بهره‌ می‌گیرند. با استفاده از این تکنیک، قیمت تجهیزات تا حد چشمگیری کاهش پیدا می‌کند. اگرچه تجهیزات تست USB از مزایای بسیاری برخوردار هستند، اما باید در هنگام خرید و استفاده از آن‌ها دقت کرد که آیا از دقت مورد نیاز برخوردار است یا خیر.

جاروب (Sweep): در برخی از کاربردها ضروری است که بتوان فرکانس‌های سیگنال ژنراتور RF را جاروب کرد. اگر به این امکان نیاز داشته باشیم، آن‌گاه لازم این که مشخصه‌های سیگنال ژنراتور مورد نظر را چک کرد؛ زیرا تمام سیگنال ژنراتورهای RF این امکان را ندارند. البته این امکان نیز وجود دارد که از طریق برنامه نویسی به تدریج فرکانس خروجی را افزایش داد.

سیگنال ژنراتورهای فرکانس رادیویی و مایکروویو به صورت گسترده در آزمایشگاه‌های تست و برای کار کردن با انواع تجهیزات مورد استفاده قرار می‌گیرند. این تجهیزات تست را می‌توان در اکثر کاربردها مانند تجهیزات مخابرات سلولی، گیرنده و فرستنده تلویزیونی و رادیویی و محصولات بی‌سیم مانند بلوتوث، WIFI و سایر استانداردها به کار برد. به دلیل گسترش تعداد وسایلی که از سیگنال‌های رادیویی و مایکروویو استفاده می‌کنند، کاربردهای سیگنال ژنراتور RF هر روز در حال افزایش است.

نوشته های مشابه

دیدگاهتان را بنویسید

دکمه بازگشت به بالا