采用基于SMC的任意波形发生器生成I/Q信号的优势

另外，要选择中心抽头的二次绕组变压器。将中心抽头连接到模拟输出模块上(如NI PXI-6704的16-bit模拟输出模块)，可以在平衡信号上加一个直流偏置。因为大多I/Q应用都需要±1.5 V的直流偏置，所以在PXI-6704的输出端使用一种电阻性的分压电路，降低其±10 V的输出电压，从而确保可以在较小的电压范围内实现满幅的16-bit幅度控制。

因为中心抽头的前后两段绕组很少相同，所以要在电路中加入一个旁路电容，将中心抽头连接到交流地，从而维持变压器的平衡。完整的电路如图4所示。

图4. 利用中心抽头的射频变压器、分压电路和电容，采用单台AWG生成差分信号。

插入损耗和阻抗不匹配使得变压器输出端的信号幅度比AWG输出端的期望幅度要小。如果插入损耗在预期频率范围内为一常量，则可以用一个电阻对其进行模型近似。将该电阻加到变压器的输入阻抗上，在变压器输出端计算有效阻抗。NI-FGEN驱动函数使用该值来调整NI 5421的输出电压，从而补偿变压器与NI 5421的50 Ω输出阻抗之间的阻抗不匹配。

用于改善频谱纯度的数据插值

I/Q信号发生应用对信号发生器的频谱纯度提出较高的要求。为了最小化数模转换信号重构时的镜像失真，NI 5421发生器采用数字滤波器和模拟滤波器的组合，对通带平坦性、相位线性性和镜像抑制进行优化。

DAC的采样频率最低必须是期望生成的模拟信号带宽的两倍。尽管理论上采样频率f_s最低是信号带宽f_o的两倍，但是输出信号中，|f_o ± nf_s|上也会出现镜像成分，如图5所示。这些镜像成分会降低信号的频谱纯度，因此必须采用低通滤波器滤除。

图5. 数模转换信号重构时将生成非预期的采样镜像成分

为了理解信号插值及其对频谱纯度的影响，不妨假设有三个不同的模拟滤波器，它们的截止频率和阶数都不相同。图6中给出了这三个滤波器及其采样镜像。 "模拟滤波器1"是理想的模拟滤波器。因为该滤波器的衰减非常陡峭，所以实现成本最高，而且需要大量的电路板空间。另外，它还无法实现I/Q应用中所需的通带平坦性。模拟滤波器2则是一个更实用的滤波器，但是它无法衰减fs附近的镜像成分。模拟滤波器中，其截止频率后的衰减程度和截止频率前的平坦性，这两个度量之间存在一种平衡关系；因此，如何设定理想的滤波器参数很大程度上取决于DAC的采样速率和生成的波形频率。要想只用一个模拟滤波器来实现可变的采样频率和输出信号频率，并满足各种严格的性能要求，这几乎是不可能的。

模拟滤波器另外一个关键的指标是群延时，即有限时间长度的信号(如脉冲信号)通过模拟滤波器所需的时间。具有线性群延时的理想滤波器中，信号中的所有频率成分都具有相同的延时，所以输出信号的相位不会失真。

第三个滤波器即模拟滤波器3，其截止频率比前面两个滤波器都要高得多。因为截止频率非常高，所以滤波器的通带(0到0.43f_s)非常平坦。f_s和2f_s处的镜像成分落在了滤波器3的通带内，所以根本就没有衰减，但是可以采用数字插值滤波器减轻这种现象。

图6. 必须滤除采样镜像成分以改善频谱质量，但是必须考虑不同的滤波器实现。

为了简化模拟滤波器的要求，并在一系列采样速率和输出频率上得到较好的结果，NI 5421设备使用半带有限脉冲响应数字滤波器，以2倍、4倍或8倍的采样频率(f_s)在波形的每两个采样值间插入1个、3个或7个值。因此，有效采样速率等于原采样频率的2倍(2f_s)、4倍(4f_s)或8倍(8f_s)。接着，DAC内部就以该有效采样速率运行——特别地，数据是以该速率从内存中读到DAC上。

图7中，采用2倍插值的滤波器，将DAC的有效采样速率提高到2f_s。第一组重构镜像位于|2f_s ± f_o|频率上，落入了滤波器2的止带范围。

图7. 插值操作提高了采样速率，将镜像成分移至更高频率上。

这样，模拟滤波器2可以方便地滤除数字信号发生中的所有镜像成分，如图7中的频率域和图8中的时间域所示。

图8. 时间域上，插值操作可以平滑其它一些尖锐的采样阶跃。

使用2倍插值滤波，将DAC的有效采样速率提高到2f_s，可以更好地去除镜像成分，并生成频谱纯度更好的信号。然而，若将插值滤波器提到4倍上，则能进一步改善输出信号。

图9中显示了采用4倍插值操作和有效采样频率为4f_s的DAC后，信号的镜像情况。镜像成分被移到4f_s上，而4f_s大于滤波器3的截止频率。NI 5421中所使用的这种配置，可以去除频谱镜像，并且具有最平坦的通带特性。这种配置已经接近于理想的由数字方式生成频谱纯净的波形的方法了。NI 5421的通带(40MHz)平坦度可以达到±0.25 dB，1MHz上总的谐波失真可以达到-75dB。