Durch die Vielseitigkeit lässt sich ein auf SIFI-III-basierender Generator mit vier Kanälen und 5 GHz in zahlreichen industriellen Anwendungen wie der Quantum-Computing-Technologie aber auch in der Forschung und Entwicklung sowie im Ausbildungsbereich einsetzen. 

Die Frage nach dem richtigen Messgerät ist recht einfach zu beantworten, wenn es nur um die Analyse geht. Ob Oszilloskop, Multimeter oder Spektrum-Analysator, die Entwickler und Anwender erwarten ein Resultat auf dem Display und erhalten das bei dieser Art von Messtechnik auf eine schnelle, komfortable Weise. Anders sieht es auf der Generatorseite aus. Hier muss ein Gefühl dafür entwickelt werden, was mit welcher Performance und Leistungsstärke benötigt wird. Der Bedarf kann von einem simplen niedrigfrequenten Signal bis zu einem hochkomplexen breitbandigen und digital modulierten Signal gehen, und es muss auch erst ein Gefühl für den richtigen Pegel entwickelt werden, um zu vermeiden, dass das Entwicklungsobjekt ungewollt zerstört wird. Es werden hierbei unterschiedliche Generatorvarianten angeboten, die die Auswahl erschweren. Jeder Generatortyp, ob HF-, Arbiträr- oder Funktionsgenerator, hat dabei seine jeweiligen Vorteile, aber auch Nachteile. Rigol hat mit seinem neuen Modell DG70004 ein Gerät auf den Markt gebracht, das alle Generatortypen ineinander vereint und diese Frage nicht mehr aufwirft. Dieser Generator zählt zu Rigols neuer StationMax-Reihe, zu der bereits das 3- oder 5-GHz-Oszilloskop der Serie DS70000 vorgestellt wurde. 
 

Die Plattform 

Der Generator DG70004 verfügt über vier unabhängige Kanäle und basiert auf der neuen SIFI-III-Plattform. Er arbeitet mit dem Android-Betriebssystem und besteht aus einem Einheitsgenerator (WGU), was einer Kombination aus einem Wellenformgenerator und einem arbiträren Funktionsgenerator entspricht. Die Verarbeitung wird in der Signalprozesseinheit (SPU) umgesetzt, bei der die Abtastrate je nach Funktion eingestellt und kontrolliert wird und das Signal entweder als reale arbiträre Wellenform oder als IQ-moduliertes Basisband erzeugt und bei der eingestellten Frequenz bis 5 GHz ausgegeben wird. Der arbiträre Funktionsgenerator arbeitet mit der Direkten Digitalen Synthese (DDS), bei der das Ausgangssignal durch direkte digitale Frequenzsynthese aus einer sehr stabilen Referenz (Oszillator) phasenstabil gewonnen wird. Dabei wird das Signal durch eine digitale 16-Bit-Sequenz über einen Digital/Analog(DA)-Wandler erzeugt. Die Sequenzen, zum Beispiel für ein Sinussignal, sind als Tabelle hinterlegt. Die Referenz ist dabei mit 10 MHz festgesetzt und bildet unter anderem den Takt für den DA-Wandler. Durch die Referenz werden durch Teiler und Vervielfacher weitere Frequenzen erzeugt, die jede für sich als Referenz für weitere einstellbare Vervielfacher-Schleifen dient. Diese Vervielfacher-Schleifen erstellen weitere Grob- und Feinreferenzen. Die Frequenzen werden mit der Auflösung der Feinfrequenzen ausgegeben. Der DA-Wandler setzt die digitalen Werte in analoge Spannungswerte um, die dann einem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) zugeführt werden. Die Frequenzauflösung der Feinfrequenz hängt hierbei vom eingesetzten Mikroprozessor ab. Die Fein- und Grobreferenzfrequenzen werden je nach Wunschfrequenz mit der VCO-Frequenz aufaddiert und der Ausgangsbaugruppe zugeführt. Der Takt der Abtastrate kann von 2,5 bis 6 GHz und zwischen +2 dBm und +8 dBm ausgegeben werden. 

Erweiterung ohne Hardware-Tausch

Das DG70004 ist so konzipiert, dass es zukünftig in mehreren Entwicklungsschritten erweitert werden kann, ohne dass die Hardware ausgetauscht werden muss. Zum Beispiel werden in einem zukünftigen Entwicklungszyklus wesentliche Zusatzfunktionen eines Funktionsgenerators hinzukommen und die Synchronisationsfähigkeit von einer noch höheren Kanalanzahl mit mehreren DG70004 ausgebaut werden, um eine Multikanallösung für zum Beispiel Qubit-Anwendungen zu realisieren. 

Signalgeneration mit variablen ­Abtastrate für beliebige Wellenformen

Neben der DDS-Technologie nutzt die brandneu integrierte Plattform SIFI III auch eine Signalgeneration mit einer variablen Abtastrate für die Ausgabe der beliebigen Wellenformen. Sobald bei dieser Ausgabeform die Abtastrate geändert wird, ändert sich die Periode und Zeiteinheit des Signals, ohne dass sich die Kurvencharakteristik ändert, da die Anzahl der Abtastwerte gleichbleibt. Durch diese Maßnahme lassen sich beliebige Wellenformcharakteristiken mit einer deutlich verbesserten Qualität mit weniger unerwünschten Signalverzerrungen und besserer Jitter-Qualität erzeugen. Es können ARB-Signale bis zu 1,5 Gigapunkte/Kanal und einer Abtastrate von 5 GSa/sek. und interpoliert bis zu 10 GSa/sek. für reelle Signalerzeugung und bis zu 12 GSa/sek. erzeugt werden. Nicht nur zeitlich lassen sich sehr lange und hochgenaue Signale erzeugen, sondern auch in der Amplitude, da die vertikale Auflösung 16 Bit beträgt. 

Touch-Bildschirm mit 15,6 Zoll

Durch den Touch-Bildschirm mit 15,6 Zoll sind alle Signalkomponenten gut visuell dargestellt, damit der Anwender genau weiß, was an dem Generator ausgegeben wird. Diesen kann man bei Bedarf mit einem automatisch einstellbaren Neigungswinkel auf die gewünschte Position abändern. Auf dem Hauptdisplay sind mehrere Fenster gleichzeitig darstellbar, falls unterschiedliche Funktionen bei den jeweiligen Kanälen ausgegeben werden. Neben dem Hauptbildschirm ist ein kleinerer 3,5-Zoll-Touch-Screen angebracht, um die Bedienung neben den traditionellen Tasten zu erleichtern. 

Synchronisierung der Kanäle mit Zeitabweichung von 10 psek

Jeder der vier TX-Ausgänge besteht aus einem AC-Ausgang und je einem positiven und einem negativen DC-Ausgang, die über einen SMA-Anschluss an das Messobjekt angeschlossen werden können. Der AC-Ausgang besteht aus einem Einzelausgang, bei dem das Signal in dBm ausgegeben wird. Die analoge Bandbreite kann an diesem Ausgang von 10 MHz bis 5 GHz betragen. Über die DC-Ausgänge kann man zum einen differenzielle Signale und zum anderen jeweils das positive oder das negative DC-Signal in Volt ausgeben. Zusätzlich lässt sich das Gerät bei den DC-Ausgängen zwischen einem verstärkten Signal DC_Amp oder einem Signal mit einer hohen Bandbreite (DC_HBW) schalten. Als Beispiel liegt die maximale analoge Bandbreite von 3 dB bei DC_Amp bei 1,3 GHz (6 dB: 2,6 GHz) und bei DC_HBW bei 2 GHz (6 dB: 4 GHz). Die maximale Amplitude liegt bei DC_Amp allerdings bei 1.000 mVpp (differenziell: 2.000 mVpp) und bei DC_HBW bei 700 mVpp (differenziell bei 1.400 mVpp). Die hohe Bandbreite ermöglicht bei diesem Gerät auch eine sehr kurze Anstiegs-/Abfallzeit von <110 psek. und eine Generierung von sehr schnellen Bitraten bis zu 1,25 Gbit/sek. Somit lassen sich Hochgeschwindigkeitsdaten oder Pulse erzeugen, die sich auch für sehr schnelle Taktsignale eignen. Die vier Kanäle können beim DG70004 mit einer minimalen Zeitabweichung von 10 psek. hochgenau synchronisiert werden. Zusätzlich lässt sich das Gerät mit anderen DG70004 auf eine Kanalanzahl von bis zu 224 Kanälen synchronisieren. Damit lassen sich Hochgeschwindigkeitssignale für eine sehr hohe Kanalanzahl umsetzen.  

Die hohe Auflösung bietet dem Anwender die Möglichkeit, das gewünschte Signal in sehr feinen Auflösungsabstufungen auszugeben. Wenn als Beispiel ein Signal mit 10 Vpp ausgegeben wird, dann wird dieser Spannungswert in 65.536 Stufen unterteilt, was einer Auflösung von 152 µV entspricht. Durch die feine Abstufung wird aber nicht nur die vertikale Auflösung erhöht, sondern es lassen sich auch bezogen auf die Geschwindigkeit mehr Werte in kürzerer Zeit abändern, als es zum Beispiel bei einem 14-Bit-Generator der Fall wäre. Der DG70004-Generator hat die Möglichkeit, auf der Rückseite pro Kanal zwei Marker-Signale auszugeben. Auf der einen Seite reduziert sich die Auflösung pro aktivierten Marker um ein Bit, aber auf der anderen Seite ist ein Marker ein sehr nützliches Werkzeug. Die Marker-Ausgänge können digitale Pulse, das heißt die logischen Zustände „0“ und „1“ pro einzelnen Abtastwert ausgeben, um zum Beispiel ein anderes Gerät zu einem speziellen Zeitpunkt des Ausgangssignals zu triggern. Der minimale Offsetabstand zwischen Marker 1 und Marker 2 beträgt 2 nsek. 

Ausgabe Arbiträre-, Inphase-, ­Quadratur-, IQ- und Standardsignale in Kombination über eine Sequenz 

Das heißt hier kann man einzelne Sequenzen mit unterschiedlichen Wellenformen belegen oder Untersequenzen erstellen, die wiederum auch unterschiedliche Wellenformen beinhalten. Die oben beschriebenen Marker lassen sich auch auf einzelne Sequenzen legen. Die komplette Sequenz kann man auch, wenn notwendig, mit unterschiedlichen Trigger-Methoden auslösen. Diese Methode eignet sich, um in integrierte Schaltungen komplexe Signalformen nach Bedarf und mit dem benötigten Timing einzuspeisen. Es können über 16.000 Sequenzen oder über 16.000 Untersequenzen erzeugt werden. Neben einer kontinuierlichen Ausgabe kann man die Ausgabe der Sequenzen auch zwischen 1 und über 209.000 Wiederholungen einstellen. Auf der Rückseite des Gerätes ist ein Signalpattern-Eingang integriert. Hier lassen sich bis zu 8 Bit eingeben. Mit diesen 8 Bit lassen sich bis zu 256 bestimmte Positionen in der Sequenz belegen, um ein vielseitiges Sequenzsprungverfahren mit einem externen digitalen 8-Bit-Pattern umzusetzen. Durch den großen Bildschirm ist eine einfache Darstellung über das Sequenzinterface möglich, um die Einstellung schnell, einfach und mit einer guten Übersicht umzusetzen. 

IQ-Basisband-Bandbreiten bis zu 1,5 GHz

Um einen Empfänger als Ganzes oder um dessen Einzelkomponenten zu testen, ist es notwendig, das zu empfangende Signal einwandfrei nachzustellen. Hier wird eine besondere Flexibilität eingefordert, da neben der komplexen digitalen Modulation die Übertragung auch immer breitbandiger wird. Das DG70004 bietet die Möglichkeit, IQ-Basisband-Bandbreiten bis zu 1,5 GHz zu erzeugen und eine digitale Aufwärtswandlung von analogen IQ-Basisbanddaten auf einen gewünschten Träger zu realisieren. Für den Test eines Senders ist es wichtig, ein hochgenaues Signal mit einem sehr hohen störungsfreien Dynamikbereich (Spurious-Free-Dynamic-Range, SFDR) zu erzeugen, um unerwünschte Effekte bei der Empfängereinheit zu vermeiden und den Sender nach realen Gegebenheiten zu testen. Die SFDR liegt bei dem DG70004 bei -70 dBc und wird durch die sehr hohe Anzahl an Abtastpunkten mit bis zu 1,5 Gigapunkten erreicht, was auch dazu führt, dass sehr lange Basisbandsignale über eine gewisse Zeitdauer erzeugt werden können. Auch IQ-Signale kann man mit dem Sequenzer nach Wunsch aufteilen und triggern, um solche Baugruppen zu einem bestimmten Zeitpunkt mit unterschiedlichen Signalprofilen zu testen. Bei der Verwendung des Sequenzers und des Sequenzsprungverfahrens kann zum Beispiel ein sehr schnelles Frequenzsprungverfahren mit modulierten Signalen über einen breitbandigen Bereich erzeugt werden, wie es zum Beispiel bei Bluetooth im ISM-Band von zum Beispiel 2,4 GHz und 2,5 GHz realisiert wird. 

Datenübertragung via integrierter USB-3.0-High-Speed- und Ethernet-Schnittstelle

Das IQ-Signal kann dabei entsprechend gestaltet werden. Auch auf der Seite des Transmitters lassen sich Komponententests durchführen. Hier können zum Beispiel der Inphase- und der Quadraturpfad nach den jeweiligen Komponenten, wie dem Verstärker oder dem Bandpassfilter, in den analogen I- und Q-Eingang des Generators eingespeist und auf eine Trägerfrequenz aufmoduliert werden, die mit dem Spektrum-Analysator gut vermessen werden kann. Jeweilige negative Einflüsse der Baugruppen können dadurch schnell entdeckt und beseitigt werden. In dem Gerät lassen sich auch *.csv-Dateien importieren, die kundenspezifisch erstellt wurden. 

Für die schnelle Datenübertragung zum PC sind eine USB-3.0-High-Speed-Schnittstelle und eine Ethernet-Schnittstelle integriert. Falls eine Remotesteuerung benötigt wird, kann man das Gerät auch über Web-Control bedienen. Für den Anschluss eines externen Monitors oder eines Beamers für Präsentationszwecke wurde eine HDMI-Schnittstelle integriert.  

Autor
Boris Adlung, Rigol Technologies Europe