過去二十多年來，訊號產生器的設計方式很多，要選擇哪種端視主要的用途或公司的預算而定。一般來說，訊號產生器的用途分為三類，包括元件測試如放大器、接收器測試及進行功能測試時用的模擬發射器。上述所有應用都須要使用能經過設定，快速從一個頻率跳到下一個頻率的訊號產生器，以提高生產的產出速度，或提升截頻(Frequency Agile)之無線電系統測試能力。
過去二十多年來，訊號產生器的設計方式很多，要選擇哪種端視主要的用途或公司的預算而定。一般來說，訊號產生器的用途分為三類，包括元件測試如放大器、接收器測試及進行功能測試時用的模擬發射器。上述所有應用都須要使用能經過設定，快速從一個頻率跳到下一個頻率的訊號產生器，以提高生產的產出速度，或提升截頻(Frequency Agile)之無線電系統測試能力。
然而，如果待測物是跳頻雷達，因跳頻速率非常快速，加上還有伴隨而來的穩定時間等問題，要找到能支援這種跳頻方式(Hopping Pattern)的訊號產生器，在市面上的選擇可能比較有限。
事實上，如果這套雷達測試系統只須進行簡單的頻率調變(FM)，或是做為快速跳頻的本地振盪器(LO)使用，這類的訊號產生器產品還算好找。不幸的是，這種訊號產生器無法產生最新的無線或軍事通訊標準所需的複雜調變訊號，因而必須採購兩台或更多台訊號產生器，根據應用的需求來執行不同的任務，但如此一來，也就會增加不少支出和支援成本。
值得高興的是，隨著技術的進步，一種新的合成式儀器架構正在興起，即使不能滿足百分之百的需求，也可以滿足大部分應用的需求，同時適用於研發部門、生產線及軍用的大型自動化測試系統。以下將探討這種包含任意波形產生器(AWG)加上向量式升頻轉換器(Vector Up-converter)的新型合成式儀器(SI)的訊號產生器，如何能應用在這些所有的用途上，且絲毫不減其性能或彈性。
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| 圖1 合成式儀器的功能區塊圖 |
合成式儀器應用多元
在談論什麼是合成式儀器的訊號產生器之前，先簡單地介紹合成式儀器。根據合成式儀器工作小組(Synthetic Instrument Working Group)的定義，合成式儀器為結合硬體與軟體模組，以組成足以提供與傳統儀器同等功效的儀器(圖1)。由美國國防部、國防部的主要承包商及供應商聯合參與成立的合成式儀器工作小組，其任務是要開發模組間使用介面的標準，讓不同廠牌的產品與模組間能相容互通，以延長測試系統的使用年限，且更容易升級。就訊號產生器這個例子而言，這些模組會包含一台向量式升頻轉換器、任意波形產生器及基頻訊號產生軟體，而這些軟體可以安裝在一部個人電腦上，或是內建在任意波形產生器中。
減輕購置成本
合成式訊號產生器的主要優點是可以提供工程師選擇性能的彈性，以符合待測物的需求。舉例來說，如果要測試的所有標的物都是窄頻和低頻的裝置，這樣的彈性可以讓測試工程師選用較便宜的任意波形產生器和射頻(RF)升頻轉換器；而當公司所開發的新產品需要更寬的頻寬或在更高的頻率下運作時，也只須要將任意波形產生器或向量式升頻轉換器加以升級即可。如此一來，就只須要採購目前所需的測試性能，可節省公司不少購置設備成本。
既有方式難兼顧
瞭解合成式訊號產生器的定義之後，下一個問題是：「它對提升速度有何幫助？」
事實上，傳統訊號產生器訂定的速度規格為：由一個頻率調到下一個頻率，且頻率和振幅皆達到穩定狀態所需的時間。目前最常見的訊號產生器是採用以釔、鐵和石榴石(YIG)調諧的振盪器，它也是切換速度的限制所在。這類型訊號產生器的一大好處是可以選擇內建I/Q調變器和任意波形產生器，在內部產生複雜的基頻調變訊號。儘管這些年來，這類型儀器的切換速度已經提升不少，但目前買得到的產品仍只能達到一百至二百微秒的速度。這樣的性能對商業界的無線通訊產業來說雖然夠用，但對頻率變動快速的雷達來說，卻還是有限。
另一種設計是採用分段式合成器(Banded Synthesizer)，可以藉由執行一連串的相乘、相除運算及將高性能本地振盪器的頻率加倍等動作來達到所需的基本頻率。這種方法可以提高切換速度到低於一微秒。對許多雷達或甚至一些先進的作戰型無線電系統如Link-16來說，速度也許夠快，然而，這種設計卻無法提供新式數位通訊需要的彈性調變類型。
要解決這種似乎有些矛盾的問題，方法之一，可能是使用超寬頻寬的任意波形產生器，搭配含超寬頻調變器的向量式升頻轉換器。而合成式儀器則能滿足使用者的需求，在切換速度與頻率的要求上都有所發揮。
驗證Link-16遊刃有餘
Link-16是一個很好的例子，可以說明合成式儀器如何在今日複雜的調變需求中，同時克服切換速度與彈性的挑戰。
Link-16是一種特殊的無線網路，運用頻率(通道)快速變動的方法來避免干擾或壅塞，非常類似於廣泛使用的藍牙(Bluetooth)網路。產生Like-16波形的困難點在於它的切換速度必須達到次微秒的水準，以及編碼資料所需的最小頻移鍵控(MSK)調變能力。目前可用的訊號產生器多半無法同時提供這樣的性能，客戶必須使用客製化的訊號產生器，或採用黃金射頻樣品(Golden Radio)的方式來測試其設備Link-16無線電系統。
不過，這兩種選擇不是太過於昂貴，就是支援非常有限，或是無法提供夠高的測試準確度比(Test Accuracy Ratio)，不足以驗證出無線電系統的運作效能。與藍牙不同的是，Link-16的跳頻序列是由安全的加密單元(Cryptographic Unit)來決定，它會告訴無線電系統要調到哪個頻率來接收下一個資料訊息。這項額外的需求更加迫使無線電系統的製造商必須採用黃金射頻樣品方法，或必須使用客製化的訊號產生器以為測試設備的一環。這樣一來，當要做為一般用途使用時會變得更加複雜。
隨著技術的進步，如今己可運用合成式訊號產生器，解決這個極為複雜的問題。而隨著合成式儀器陸續問世，將進一步解決如調變格式、頻率變動、介面加密和其他棘手的難題。以下為各項需求之因應之道。
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| 圖2 已問世之合成式訊號產生器 |
目前市面上已問世之微波合成式儀器之訊號產生器如圖2所示，該產品乃由必要的合成式模組所組成，並包含任意波形產生器，可用以產生1.25 GSa/sec(500MHz)的波形，並搭配選購的直接波形產生序列控制功能(Direct Sequencing)，能由外部控制記憶體序列的播放順序。另外，還有向量式升頻轉換器，其調頻範圍介於250kHz至20GHz之間，外部I/Q輸入頻寬最高達1GHz，都讓開發人員的工作負擔減輕不少。
未來可望大量運用
雖然Link-16在說明如何產生複雜的訊號上，可能是一個極端的例子，但商業界的無線通訊產業似乎也不斷加入新的調變格式和頻率通道，以滿足無線通訊應用持續成長的需求。
切換速度一直是評量訊號產生器的一項重要指標，新的合成式訊號產生器不失為可以考慮的一種新典範。目前，如果需要的只是窄頻的射頻能力，則合成式解決方案可能會比傳統的訊號產生器昂貴。然而，隨著高性能的數位類比轉換器(DAC)不斷進步中，且價格也持續下降，這種產品終將會普及到每位工程師手上，或廣泛使用在生產作業上。
(本文作者任職於安捷倫)