被广电禁播的网络剧:信号的产生1

一、概述

何谓信号以及如何对其进行表征呢？最简单而有用的定义如下：信号是随时间变化的电压（或电流）。为了表征信号，直观而又精确的概念就是定义信号的波形。通过想象一支记录笔以与信号电压成比例的方式上下移动，在与笔移动相垂直的方向平稳拉动的纸带上绘出曲线，就不难直观的得到波形的图像。下图示出一种典型的周期波形及其大小。

信号源是根据用户对其波形的命令来产生信号的电子仪器。信号源用来满足在工程和科学工作中用特性为已知的信号激励电路或系统的经常性需要。

二、信号波形的种类

大多数信号都可分为两大类，即周期信号和非周期信号。周期信号具有重复的波形：记录笔在画出信号波形的一个周期之后，仍处在与起始相同的垂直位置，然后再精确重复相同的画线，正弦波是人们最熟知的周期信号。相反，非周期信号的波形不重复，人们最熟知的非周期信号是随机信号。信号源既可以产生周期信号，也可以产生非周期信号，甚至有时产生两种信号。

1. 基本周期信号波形------正弦波
   
   正弦曲线是电学中最常用的信号。为了确定对正弦波进行表征的一些特性，可以考察它的最简单的数学表示形式：
   S（t）=Asin（2πft）
   式中s代表信号，为时间的函数；
   T为时间，单位为秒；
   A为信号的峰值幅度，单位为伏特（V）或安培（A）；
   F为信号频率，单位为赫兹（Hz）。
   根据这个表达式，可以定义出正弦波的一些重要特性（或参数）。
   相位：即正弦函数的幅角2πft。它随时间线性增大，这一关系不像普通信号那样可以直接观察。出于数学原因，相位用弧度（2π=360°）加以测量。然而，两个正弦波可以通过记下它们的相位差来进行比较。相位差表现为波形之间的时移。（如下图示）
   
   波形u（t）比波形s（t）滞后90°（π/2弧度），此外还具有不同的幅度。
   周期：重复波形之间的时间τ或一次波形循环的时间。由于正弦波每360°便重复，故周期正好是相位增大2π弧度所需的时间：2πfτ=2π，因此周期τ=1/f。
   频率：每秒的循环周数或τ的倒数，即频率f=1/τ。术语“赫兹”（Hz）表示周期/秒。
   幅度：描写正弦波瞬时最大偏离零的系数A，因为正弦函数的幅值是±1。
   将正弦波作为基础波形加以研究的主要原因是，其它波形（周期或非周期波形）都可以由具有不同频率、幅度、相位的正弦波组合而成。
   当波形是周期波形时，存在以下重要关系：波形由频率为基频整数倍（所谓谐波）的正弦波分量组成，基频是信号周期的倒数。例如，周期为0.001s的对称方波由频率为1000Hz（基频）、3000Hz、5000Hz等的正弦波组成，所有谐波均为1000Hz基频的奇数倍。只要方波是对称的，这一关系便存在，否则组合中还会出现偶数倍谐波。
   
   作为更为直观的方式，可以用图形说明复合周期信号是如何由谐波相关的各种正弦波组成。下图示出当越来越多的对称方波的正弦波分量被组合时所得到的波形。其中（a）只存在基波和3次谐波，非正弦波已经粗略的显现出近似的对称方波；图（b）中增加了5次谐波和7次谐波，而图（c）中则存在直到13次的所有奇次谐波，合成波形显然更接近方波形状。
2. 复合周期信号波形
   除正弦波之外的其它波形也十分有用，下图给出了其中最常见的几种波形。
   
   脉冲波形：脉冲波形（图a）的突出特点是最大电平（波形的组成部分2和4）是恒定幅度和“平直”幅度。“上升沿”（1）将负电平连接到下一个正电平，而“下降沿”（3）则做相反连接。
   上升时间，下降时间：边沿的持续时间分别称为“上升时间”（T1）和“下降时间”（T3）。波形的一个周期τ由边沿时间和电平时间之和构成。波形的频率是1/τ。理想的脉冲波形具有零上升时间和零下降时间，但用实际电路并不能实现这一点。脉冲波形形成时，随着增添的谐波数量增加，近似的上升时间和下降时间变得更短，但要实现零上升时间和零下降时间需要无限多个谐波和无限多个频率。此外，促使这些边沿时间大于现有电路能够达到的时间往往还有更重要的工程原因：为短上升时间和下降时间所需的较高频率的正弦波分量通常就是干扰能量的来源，因为它们很容易“泄露”到附近的装置中。因此，应慎重对待上升时间，将它限制到恰好满足特定应用所要求的时间。
   占空比：常常称为“占空因数”，占空比是脉冲波形的另一个重要参数。占空比被定义为周期的正部分与整个周期之比。对于图a所示波形，占空比为（1/2T1+T2+1/2T3）/τ。具有50%占空比以及相同的上升时间和下降时间的脉冲波形是称之为“方波”的重要特殊情况。它只由基频正弦波和奇次谐波组成。
   三角波形：三角波形（图b），理想的三角波由连在一起的线性正斜率时段（1）和负斜率时段（2）组成。当两个时段的时间相等时，这样的波形称为对称波形。像方波一样，对称三角波只由基频正弦波和奇次谐波组成。
   非对称三角波常常称为“锯齿”波。锯齿波常用作时域示波器的的水平驱动波形。时段2代表显示信号的工作迹线，时段1是电子束回扫迹线。在诸如此类的应用中，最重要的问题是三角波的线性，即波形的各时段紧密接近精确直线的程度。
   任意波形：“任意”一词并不是一个包括所有尚未讨论的波形类型的包罗万象的术语。确切的说，它是数字信号产生技术在仪器仪表中广泛使用的结果。它的理念是产生一个由用户对其一个周期形状加以定义的周期波形。这类定义可以采用数学表示式，但更为普遍的是以一组如图（c）中波形上的点所示取样点的形式进行定义。用户可以用图形编辑功能如显示屏和鼠标器来定义这些点，或者，可以从相连接的计算机下载一组取样值。提供的取样点越多，可以定义的波形越复杂。重复速率（即频率）和幅度也可以由用户控制。在一组取样点送入仪器的存储器之后，电子电路便通过这组数据产生平稳、反复重复的波形。
   这类用户定义的波形的一个重要实例是，用来对病人监护仪和类似医用设备进行测试的各种心电图波形的合成。

三、如何产生周期信号

   没有振荡器便不会有周期信号产生，某些信号发生器直接利用由振荡器产生的波形。然而，许多信号发生器是利用信号处理电路来产生它们的输出，这些信号处理电路由固定频率的精密振荡器同步，这类振荡器属于合成器。 

1. 振荡器
   电子振荡器的主要任务就是将直流能量变换为周期信号。任何振荡器电路都属于以下两大类：带滤波反馈的交流放大器；阈值判决电路。
   反馈振荡器：反馈技术是历史上最早采用的技术，且至今仍然是最常见的振荡电路形式。下图示出反馈振荡器所需最低限度的组成部分。放大器的输出加到对频率1滤波网络上。网络的输出再与放大器的输入端相连。在某些条件下，放大器的输出信号经过滤波网络之后，如果将所呈现出的信号加到放大器的输入端，便会产生输出信号。由于反馈连接，信号被馈至输入端，这意味着该电路能无限期地维持特定输出信号，这就构成一个振荡器。放大器与滤波器的电路组合称为反馈环路。 为了理解这种组合是如何产生振荡的，可以设想在放大器的输入处断开环路，这称为开环状态。开环电路在放大器输入处开始，而在滤波器输出处结束。为了使闭环电路在某个频率f0上产生持续信号，开环电路必须满足一下条件：
   • 经过开环电路的功率增益（放大器功率增益乘以滤波器的功率损耗）在f0上必须为1。
   • 在f0上的总开环相移必须为0（或360°，720°等360°的整数倍）。
   这两个条件只不是前面有关问题，即环路必须在放大器的输入处产生用来维持放大器输出的信号的正式表述。条件①和条件②分别规定了在输入处所需信号的幅度和相位。
   反馈振荡器通常被设计成使放大器特性不随频率迅速改变。开环特性（功率增益和相移）受滤波器的特性支配，它们决定了如何满足有关条件。因此，振荡频率可以由改变滤波器的一个或多个元件进行“调谐”。下图给出一个由增益恒定的放大器和变压器耦合的谐振式滤波器形成的环路。在谐振频率处，放大器的10dB增益与滤波器的10dB损耗相匹配（只有在谐振频率处成立，而在其它各处，开环电路具有净损耗）。同样，滤波器的相移在谐振频率处为0，所以，当环路闭合时，组合电路将在滤波器的谐振频率上产生振荡。改变滤波器的电感或电容将移动它的谐振频率。这就是闭环电路产生振荡的原理，在此仍然要满足前述振荡条件。
   
   只用所示的理想元件来完全满足第一个条件是不切实际的。环路增益即使稍小于（或稍大于）1，振荡的幅度也将随时间减小（或增大）。实际上，为了确保启动振荡，环路增益被调到稍大于1。然后，当振荡幅度达到所要求的电平时，某些非线性机理将使增益降低。普通的机理是放大器中的饱和现象。下图是说明饱和现象的放大器输入—输出特性的曲线图。直到输入信号的某个电平（无论正电平或负电平），放大器都具有由其特性曲线的斜率代表的恒定增益。超出该电平后，视放大器情况，增益以不同程度突然下降到0。放大器的工作局部进入饱和区，所以，在一个周期内的平均功率增益为1。显然，这意味着波形失真将引入输出：波形顶部变得平直。然而，这个失真的某些部分可以用反馈滤波器从外部输出信号中除去。
   
   第二个条件对理解滤波器的品质因数Q在确定振荡器的频率稳定性中所起的作用方面特别重要。Q是储存在谐振电路中的能量相对于被耗散能量的量度。这与飞轮中储存的能量与摩擦损失的关系完全相似。对滤波器而言，在谐振处其相移改变的速率与Q成正比。在工作期间，环路内可能发生微小相移。例如，放大器的转换时间可能随温度而变化，或者随机噪声可能呈矢量增加到环路信号上并使它的相位移动。为了持续满足第二个条件，振荡器的瞬时频率将发生变化，以便产生使总环路相位保持恒定不变的补偿相移。由于滤波器的相位斜率与它的Q成正比，故高Q滤波器要求较小的频移（它是无用调频），以抵消振荡器中的给定相位扰动，因此，振荡器更加稳定。
   根据以上讨论还应当明确，调谐反馈的振荡器产生的信号能量主要集中在一个频率上，只有在此处才满足振荡条件。放大器中若无产生谐波信号的失真机理（如饱和），则所有能量都会集中在该频率上。这样的信号是有适度失真（通常比基频低20～50dB）的正弦波。
   可调谐LC振荡器（见下图）
   
   Q1、Q2差动放大器的输入端是Q2的基极，输出端是Q1的集电极。无论在放大器内还是在经过分压器C1—C2的反馈路径内，都有近似为0的相移，所以满足前面给出的相移条件②。同样存在着超过条件①的足够可资利用的增益。因此，该电路将在（或十分接近）CL滤波器的谐振频率1/(2π)处产生振荡。使振荡幅度稳定所需的限幅机构可以从为Q1周密安排的集电极电流中找到。几乎恒定在大约-V/Re上的总辐射极电流在两个晶体管之间切换，形成各自的方波电流。方波电流的基频分量与LC滤波器（或储能电路）的阻抗之乘积可加以控制，使Q1的集电极电压始终不饱和。这在降低滤波器的电阻性加载，以获得最大Q值和频率稳定性方面也很重要。另一个特点是在Q2的集电极上的R0两端获取输出信号。在此处与LC滤波器之间有极好的隔离，从而将在振荡器上加电抗性负载时可能发生的频移减至最小。自然这个信号是方波。如果这样还不能令人满意，则可从Q2的基极获得幅度小的正弦波。
   晶体振荡器（见下图）
   
   利用石英晶体作为反馈滤波器的另一类简单实用的振荡器中，放大器是数字倒相器，最好是COMS制成的倒相器。Rb是将倒相器加偏置到工作区以便启动振荡所需要的。右侧虚线框中示出的晶体的等效电路与C1和C2一起形成π型网络。该电路只在略高于晶体的串联谐振处起振，在此，晶体的电抗为感抗。π型网络的相移约为180°，在附加上倒相器的180°相移之后，开环便满足振荡的相位条件。电容器要做得尽可能大，同时仍超过增益条件①。这两种情况都会降低晶体上的加载（因而提高频率稳定性），并限制倒相器输入端的电压摆幅。自然，幅度限制是数字倒相器的内在特点。由于输出是逻辑电平，故这个电路及类似电路常用于计算机的时钟电路。
   阈值判决振荡器
   下图(a)是这类振荡器的基本形式。它产生周期波形的方式与反馈振荡器的方式截然不同。能产生时变电压（或电流）的电路，如RL充电电路从某个初始状态开始工作。这个电路并不真正属于振荡电路。当它发生变化时，其瞬时状态由找寻某个阈值条件如电压电平的检测器进行监视。当检测器判定已达到阈值时，检测器便起作用并将电路恢复到它的初始状态。检测器也复原，另一个周期开始。有时会存在两个检测器，时变电路在两个状态之间来回变动。
   图（b）所示电路，当一开始加上电源时，开关打开，电容器C开始通过电阻器R充电，其电压按熟悉的指数方式上升（图c）。这个上升的电压由电容器电压变成等于参考电压（或阈值电压）时便起作用的比较器监视。发生上述事件时，比较器立即将开关闭合，使C几乎在一瞬间放电。然后C又重新开始充电。这些动作决定了振荡器的周期。振荡再有R和C之值以及+V与阈值电压之比决定的频率上周期性重复。很显然，这样的波形不是正弦波，而是由具有RC电路的指数充电特性的重复时段构成。
   当需要从甚低频（mHz）到数兆赫兹的非正弦波时，常常采用阈值判决振荡器。阈值判决振荡器的频率不及优良反馈振荡器的频率稳定。但是通过仔细设计，可以在温度和电源的大变化范围内将频率变化维持到小于1%。
   
2. 合成器
   尽管有两类采用了术语合成器的信号发生器，但它们共用的技术是利用频率固定的振荡器使产生输出信号的各种信号处理电路同步。振荡器按不同情况称为“参考”或“时钟”。后一个术语来源于计算机，它的频率精度和稳定度直接影响发生器输出的质量。
   频率合成器
   这类信号发生器的突出特点是频率的多方面适用性：输出频率有极多的选择余地，每个频率都“锁定”到参考振荡器上。合成器的输出频率可以表示为有理数乘以参考频率：
   fout=m/n X fref
   式中，m、n为整数；fout为合成器的输出频率；fref为参考振荡器的频率。
   合成器的输出波形通常是正弦波，在较低频率上用方波输出也很流行。
   任意波形合成器
   在这项技术中，某个所需波形的完整周期被定义为代表时间上均匀相隔的波形取样值的数列。将这些数据储存到读写存储器中，然后由参考数据确定间隔依顺序反复读出。数列必须以某种方式变换成一系列电压值。实现这一变换的器件便是数---模转换器（DAC）。该器件的功能是使它的数字输入将加权电流切换接入公共输出节点。
   例如，在0～99十进制DAC中，十位数可以切换增量10mA，个位数则切换增量1mA。因此数字输入68将引起输出电流6 X 10+8 X 1=68mA。DAC电流输出变换成电压，经滤波、放大并用作发生器输出。由于采用了取样数据技术，故对波形的复杂性存在限制。也就是说，各种不同的波形曲线必须都能用现有的样本数量表示。依据在实施技术时所用数字硬件的速度，对波形的频率同样也存在限制。
   当唯一需要的波形是波形样本永久储存在只读存储器中的正弦波时，便会发生应用这项技术的特殊情况。

四、信号质量问题

同其它电子装置一样，信号源因其电路不完善也会遇到信号质量恶化问题。大多数信号质量问题都是由噪声、失真和处理信号的电路中有限带宽的影响三者作用的结果。

1. 信号质量问题的类型
   噪声：这个包罗万象的术语包括伴随信号的各种不同类型的外来能量。能量可能附加到信号上，类似于音频信道的叠加，或者它可以通过对信号调制来施加影响。具有叠加性质的噪声包括热噪声和有源器件（例如晶体管）噪声以及像电源交流哼声那样的离散信号。特别是，受到设计人员称之为“尖叫声”的离散、非谐波杂散信号的干扰。最难控制的噪声是对信号进行调制的噪声。这类噪声作为相位调制左右着信号，即“相位噪声”。它引起信号频谱展宽，在信号源用在发射机和接收机场合时可能带来问题。
   失真：由于传递函数（使输入与输出相关的特性）中存在着一定的非线性，故放大器和其它信号处理电路将使通过它们的信号的波形略微发生畸变。对于正弦信号，这意味着失去纯正弦曲线形状，而信号的谐波与信号一起出现。对于三角波形，会出现线性恶化。然而，脉冲信号源有时却有意利用非线性（饱和）放大器来改善信号源的上升时间和平直度性能。
   带宽限制：没有那个实际电路具有通常在基础分析中所假定的无限大带宽。真实电路如信号源输出放大器只具有有限通带。在真实电路的通带内，增益和信号延时均随频率而变化。当复合信号通过这样的电路时，各信号分量的相对幅度和相对时间位置都会改变。这便引起信号波形的形状改变。这类变化的常见例子是紧接方波上升沿和下降沿之后出现的阻尼振荡（振铃）。
2. 制造商的技术指标
   由于没有能产生完全稳定、无噪声波形的理想信号源，信号源的制造商要对他们的产品作出评估，其中包括缺陷和不足，故必须说明仪器的实际性能，以便用户理解详情。他们以技术指标的形式向客户提供了一系列限制，若干参数因为经常被利用而成为以定量方式说明信号源产生的波形质量的标准化参数。
   频率精度：射频和音频振荡器的频率通常由机械方式改变的电容器控制。频率和电容之间的关系被记录成度盘校准，且可以计读和设定到优于1%。然而，另一些因素通常却会降低这个精度。制造公差、元件老化和环境温度是主要因素。
   幅度精度：输出波形的幅度通常用V或dBm（以1mW功率为参考的dB数）表示。幅度的技术指标会在大范围内变化。可以预料，较昂贵的仪器一般将给出较精密的数字。往往比音频信号源更贵的射频信号发生器一般也具有更好的技术标准。某些信号发生器具有计读输出幅度的仪表和将仪表设定到标准电平的微调控制旋钮。另一些发生器则具有数字读出和维持幅度不变的自动电路。通常有一个可转接的衰减器按10dB（或更小）的步长来降低输出电平。输出电平的精度在宽频范围和在较大的衰减值时会变坏（这在数据单中称为“平坦度”）。这两种效应主要由衰减器中的寄生阻抗引起。输出电平用置于发生器输出端的标准电阻性负载规定。标准电阻性负载对于射频信号源通常为50欧姆，但若信号源用于视频场合则也可能是75欧姆。
   通常音频振荡器在输出端也有步进衰减器，但步进之间的电平用未经校准的电位器设定。随频率变化的平坦度和衰减器的精度一般都做了规定，标准负载为600欧姆。
   频率稳定度：理想的正弦波是无噪声的，且无论频率还是幅度都绝对恒定不变。自然，非理想振荡器与此不符。稳定度反映了非理想振荡器接近理想振荡器的程度。依据显著的频率变化的时间量级是几分钟还是几分之一分钟，稳定度进一步分类为长期稳定度和短期稳定度。长期频率稳定度的实例是“预热漂移”，这是一种电感器和电容器在电路功耗加热数分钟或数小时期间，通常因它们的尺寸变化而引起的频率变化。这类稳定度用诸如“加电后30分钟变化小于10kHz”这样一类术语来规定。另一方面，短期稳定度则是受具有较高频率含量的一些物理因素如随机噪声、电源纹波和颤噪声的影响，这些因素导致输出信号的快速频率变化。短期因素的影响依据有效值进行组合，然后表示为振荡器的频率调制（FM）。这类技术指标的一个典型例子是“小于10Hz rms 偏离的交流哼声和噪声”。
   谐波失真：为了努力获得理想的正弦波信号，可以用它的谐波失真来反映其接近理想信号的程度。“谐波”是具有为基本信号频率整数倍的频率的正弦波。若正弦波伴有一些它的谐波，则最终得到的波形便不再是正弦波形，亦即出现了失真。随着谐波项的数目和幅度的增加，失真亦增大。谐波失真的大小通常用两种方法之一加以规定。较少使用的方法是对任何谐波项给出一个上限，例如所有谐波项均小于-80dBc意味着每项谐波低于“载波”或输出信号不大于80dB。这个技术指标的缺点是可能存在大量谐波项，因而总谐波能量可能很大。更常见的是，制造商将所有谐波的能量进行组合，并将有效值表示为基频的百分数，如“谐波失真小于0.5%”。在后一种情况下，输出中的残余噪声有时加到谐波能量上，给出噪声加失真的技术指标。