一种具有超低谐波失真的信号发生器及其校准方法

摘要

一种具有超低谐波失真的信号发生器及其校准方法，其包括谐波补偿单元、控制处理单元、波形生成单元和输出调理单元，其中谐波补偿单元配置有谐波校准数据；控制处理单元用于根据谐波校准数据和预设参量生成一单音信号的谐波补偿数据；波形生成单元用于生成预设参量对应的单音信号和谐波补偿数据对应的各次谐波信号，并通过在单音信号上叠加各次谐波信号以得到补偿信号；输出调理单元用于对补偿信号进行波形调理，生成输出信号。本申请技术方案提供了信号发生器的谐波补偿机制，能够有效避免信号发生器在输出高频大信号下信号失真严重的现象，有效克服了输出信号的谐波失真问题，使得信号发生器具有较高的实用价值。

说明书

技术领域

本发明涉及示信号处理的技术领域，具体涉及一种具有超低谐波失真的信号发生器及其校准方法。

背景技术

信号发生器是一种能提供各种频率、波形和输出电平电信号的设备，在测量各种电信系统或电信设备的振幅特性、频率特性、传输特性及其它电参数时，以及测量某个元器件的特性与参数时，信号发生器往往用作测试的信号源或激励源。

直接数字频率合成的信号发生器采用直接数字频率合成技术（Direct DigitalSynthesis，简称DDS），能够把信号发生器的频率稳定度、准确度提高到与基准频率相同的水平，并且可以在很宽的频率范围内进行精细的频率调节。采用DDS技术设计的信号源可工作于调制状态，可对输出电平进行调节，也可输出各种波形。

谐波失真是指纯净的单音正弦波经过一个存在非线性的系统后，产生的原单音信号整数倍频率的信号，如二次谐波是原单音正弦信号两倍频率的信号。谐波失真是由于系统中存在的有源器件导致的非线性工作特性，比如在音频应用中，通常表示为一个百分比，而在通信应用中则通常表示为dB。

信号发生器输出信号的谐波失真通常受限于内部存在的输出放大电路，输出放大电路一般采用集成的宽带放大器，由于带宽放大器多采用有源器件，使得信号放大过程呈现出非线性工作特性，那么输出信号的谐波失真会随输出信号频率和输出信号幅度的增大而增大，在输出高频大信号时谐波失真问题尤其明显。

发明内容

本申请主要解决的技术问题是如何克服现有信号发生器存在的输出信号谐波失真问题。为解决上述问题，本申请提供一种具有超低谐波失真的信号发生器及其校准方法。

根据第一方面，一种实施例中提供了一种具有超低谐波失真的信号发生器，其包括：谐波补偿单元，配置有谐波校准数据； 控制处理单元，用于根据所述谐波校准数据和预设参量生成一单音信号的谐波补偿数据；所述预设参量包括所述单音信号的频率参数和幅度参数，所述谐波补偿数据包括各次谐波的相位补偿值和幅度补偿值；波形生成单元，用于生成所述预设参量对应的单音信号和所述谐波补偿数据对应的各次谐波信号，并通过在所述单音信号上叠加所述各次谐波信号以得到补偿信号；输出调理单元，用于对所述补偿信号进行波形调理，生成输出信号；所述补偿信号中的各次谐波信号用于抵消所述输出调理单元产生的各次干扰谐波。

所述控制处理单元根据所述谐波校准数据和预设参量生成一单音信号的谐波补偿数据包括：根据所述单音信号的频率参数从所述谐波补偿数据中选择相邻的两个校准频点；对所述两个校准频点分别对应的各次谐波的相位进行线性插值，利用插值结果得到各次谐波的相位补偿值；根据所述单音信号的幅度参数调用所述两个校准频点分别对应的幅度曲线拟合函数，通过对各次谐波的幅度进行函数求解得到各次谐波的幅度补偿值；利用各次谐波的相位补偿值和幅度补偿值得到所述单音信号的谐波补偿数据。

所述输出调理单元包括输出衰减电路和输出放大电路；所述输出衰减电路与所述波形生成单元连接，用于对所述补偿信号进行波形衰减，得到衰减信号；所述输出放大电路与所述输出衰减电路连接，用于对所述衰减信号进行波形放大，得到所述输出信号。

所述的信号发生器还包括输出控制单元；所述输出控制单元与所述输出调理单元连接，用于对所述输出信号进行输出控制，以同轴传输至所述信号发生器的外部设备。

所述的信号发生器还包括输入单元和显示单元；所述输入单元与所述控制处理单元连接，用于配置生成所述单音信号的预设参量；所述显示单元与所述控制处理单元连接，用于对所述单音信号的预设参量、波形和/或谐波补偿数据进行显示。

根据第二方面，一种实施例中提供一种用于信号发生器的校准方法，所述信号发生器用于输出各种频率和幅度的输出信号，所述校准方法包括以下步骤：获取所述信号发生器输出的第一输出信号中校准频点的各次谐波分别对应的幅度，以及获取所述信号发生器输出的第二输出信号中校准频点的各次谐波分别对应的幅度；所述第一输出信号是由预设频率和预设幅度的单音信号经过波形调理后而生成得到的信号；所述第二输出信号是由叠加多个校准谐波的单音信号经过波形调理后而生成得到的信号，所述多个校准谐波包括多个幅度各不相同且相位均相同的谐波；根据所述第一输出信号中校准频点的各次谐波分别对应的幅度计算得到关于幅度的校准数据，以及根据所述第二输出信号中校准频点各次谐波分别对应的幅度计算校准频点的各次谐波分别对应的相位，并生成关于相位的校准数据； 利用关于幅度的校准数据和关于相位的校准数据形成谐波校准数据，并配置到所述信号发生器。

所述根据所述第一输出信号中校准频点各次谐波分别对应的幅度计算得到关于幅度的校准数据，包括：对所述单音信号的预设幅度和所述第一输出信号中校准频点的各次谐波分别对应的幅度进行曲线拟合，利用拟合得到的幅度曲线拟合函数作为关于幅度的校准数据。

所述根据所述第二输出信号中校准频点的各次谐波分别对应的幅度计算校准频点的各次谐波分别对应的相位，并生成关于相位的校准数据，包括：若设定所述多个校准谐波的幅度为

所述的校准方法还包括：多次不同设定所述单音信号的预设频率和预设幅度，在每次设定后对应生成关于幅度的校准数据和关于相位的校准数据。

根据第三方面，一种实施例中提供一种计算机可读存储介质，其包括程序，所述程序能够被处理器执行以实现上述第二方面中所述的校准方法。

本发明的有益效果是：

依据上述实施例提供的一种具有超低谐波失真的信号发生器，其包括谐波补偿单元、控制处理单元、波形生成单元和输出调理单元，其中谐波补偿单元配置有谐波校准数据；控制处理单元用于根据谐波校准数据和预设参量生成一单音信号的谐波补偿数据；波形生成单元用于生成预设参量对应的单音信号和谐波补偿数据对应的各次谐波信号，并通过在单音信号上叠加各次谐波信号以得到补偿信号；输出调理单元用于对补偿信号进行波形调理，生成输出信号。第一方面，由于在信号发生器中增加了谐波补偿单元，使得控制处理单元能够利用谐波校准数据产生单音信号的谐波补偿数据，为单音信号的谐波补偿提供了实现可能；第二方面，由于波形生成单元在单音信号上叠加各次谐波信号来得到补偿信号，那么就可以利用补偿信号中的各次谐波信号抵消输出调理单元产生的各次干扰谐波，从而在输出信号中尽量消除谐波失真或者具有超低的谐波失真；第三方面，本申请技术方案提供了信号发生器的谐波补偿机制，能够有效避免信号发生器在输出高频大信号下信号失真严重的现象，有效克服了输出信号的谐波失真问题，使得信号发生器具有较高的实用价值。

附图说明

图1为信号发生器的一种结构示意图；

图2为信号发生器的另一种结构示意图；

图3为用于信号发生器的校准系统的结构示意图；

图4为用于信号发生器的校准方法的流程图；

图5为校准方法的另一种流程图；

图6为校准控制装置的结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。

另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接（联接）。

实施例一、

请参考图1，本实施例中公开一种具有超低谐波失真的信号发生器，该信号发生器1包括谐波补偿单元12、控制处理单元11、波形生成单元13和输出调理单元14，下面分别说明。

谐波补偿单元12配置有谐波校准数据，谐波校准数据用于实现对信号发生器的输出信号的谐波进行补偿，使得输出的波形具有超低的谐波失真。关于如何配置形成谐波校准数据将在下文的实施例二中进行具体说明。

控制处理单元11具有数据处理能力，其与谐波补偿单元12连接，主要用于根据谐波补偿单元12中的谐波校准数据和预设参量生成一单音信号的谐波补偿数据。这里的预设参量包括单音信号的频率参数和幅度参数，谐波补偿数据包括各次谐波的相位补偿值和幅度补偿值。

需要说明的是，单音信号是指单一频率的信号形态，比如单一频率的纯正弦信号。如果用户需要信号发生器输出频率为

波形生成单元13与控制处理单元11连接，用于生成预设参量对应的单音信号和谐波补偿数据对应的各次谐波信号，并通过在单音信号上叠加各次谐波信号以得到补偿信号。

由于波形生成单元13需要利用预设参量生成单音信号，并利用谐波补偿数据生成各次谐波信号，那么可借助直接数字频率合成（DDS）技术来实现单音信号和谐波信号的生成。直接数字频率合成（DDS）是一种新的频率合成技术和信号产生的方法，具有超高速的频率转换时间、极高的频率分辨率和较低的相位噪声，在频率改变与调频时，DDS能够保持相位的连续，因此很容易实现频率、相位和幅度调制。此外，DDS技术大部分是基于数字电路技术的，具有可编程控制的突出优点。因此，这种信号产生技术得到了越来越广泛的应用，很多厂家已经生产出了DDS专用芯片（比如AD9850芯片），这种器件成为当今电子系统的首选器件。

可以理解，波形生成单元13除了具有波形的生成作用，还具有信号从数字域到模拟域的转换作用，那么叠加形成的补偿信号是模拟信号形式。

输出调理单元14与波形生成单元13连接，那么输出调理单元14用于对补偿信号进行波形调理，生成输出信号。由于输出调理单元14中存在宽带放大器等有源器件，使得输出调理单元呈现出非线性的工作特性，那么这里的补偿信号中的各次谐波信号就是用于抵消输出调理单元14产生的各次干扰谐波。

可以理解，输出调理单元14为了实现波形调理作用，应当具有对模拟信号的模拟调理功能，比如滤波、信号衰减、信号放大、幅度调节等。

在本实施例中，控制处理单元11根据谐波校准数据和预设参量生成一单音信号的谐波补偿数据包括以下过程：

（1）控制处理单元11根据单音信号的频率参数从谐波补偿数据中选择相邻的两个校准频点。比如，若单音信号的频率参数为

（2）控制处理单元11对两个校准频点分别对应的各次谐波的相位进行线性插值，利用插值结果得到各次谐波的相位补偿值。由于校准频点

（3）控制处理单元11根据单音信号的幅度参数调用两个校准频点分别对应的幅度曲线拟合函数，通过对各次谐波的幅度进行函数求解得到各次谐波的幅度补偿值。由于幅度曲线拟合函数表征的是输出信号的幅度和某个校准频点下各次谐波的幅度之间的非线性拟合关系，所以在得知单音信号的幅度参数

（4）控制处理单元11利用各次谐波的相位补偿值和幅度补偿值得到单音信号的谐波补偿数据。在单音信号配置为频率参数

比如，当信号发生器1输出频率为

在一个具体实施例中，参见图2，输出调理单元14包括输出衰减电路141和输出放大电路142，分别说明如下。

输出衰减电路141与波形生成单元13连接，用于对波形生成单元13输出的补偿信号进行波形衰减，得到衰减信号。可以理解，波形衰减的处理过程可以包括滤波、减小幅度电平等，比如采用高精度电阻来实现波形衰减。

输出放大电路142与输出衰减电路141连接，用于对输出衰减电路141输出的衰减信号进行波形放大，得到输出信号。可以理解，波形放大的处理过程可以包括增大幅度电平等，比如采用带宽放大器、三极管放大电路来实现波形放大。

进一步地，参见图2，信号发生器还包括输出控制单元15，该输出控制单元15与输出调理单元14连接（即与输出调理单元14中的输出放大电路142连接），那么输出控制单元15用于对输出放大电路142输出的输出信号进行输出控制，以同轴传输至信号发生器的外部设备。可以理解，输出控制的处理过程可包括打开/关闭输出、检测输出信号幅度等。

进一步地，参见图2，信号发生还包括输入单元16和显示单元17。那么，输入单元16与控制处理单元11连接，用于配置生成单音信号的预设参量，可以理解，输入单元16可以是键盘、旋钮、触摸屏、鼠标等部件，能够自由设置预设参量中的频率参数

进一步地，参见图2，信号发生还包括存储单元18，该存储单元18与控制处理单元11连接，用于存储一些预设参数和一些过程参数，比如存储一些关于谐波补偿单元12、波形生成单元13、输出衰减电路141、输出放大电路142、输出控制单元15的配置参数，从而便于控制处理单元11分别对谐波补偿单元12、波形生成单元13、输出衰减电路141、输出放大电路142、输出控制单元15的工作过程实施控制和监测，保证各部件的正常工作性能。

需要说明的是，参见图2，控制处理单元11和存储单元18可配合作为整个信号发生器的主控单元，实现对其他单元的配置与监控功能。波形生成单元13主要实现单音信号、各次谐波的生成和叠加，以及信号从数字域到模拟域的转换。输出衰减电路141、输出放大电路142和输出控制单元15主要实现对模拟信号的调理功能，包括滤波、幅度控制等。输入单元16和显示单元17构成了信号发生器的人机部件。此外，谐波补偿单元12配置的谐波补偿数据用于实现对输出信号的谐波进行补偿，使得输出的波形具有超低的谐波失真。

需要说明的是，在信号发生器输出单音正弦波时，输出波形包含有波形生成单元13生成的单音正弦波，单音正弦波经过输出放大电路142产生的各次谐波，以及控制处理单元11从谐波补偿单元12获取的谐波补偿数据，并通过波形生成单元13生成的各次谐波。当波形生成单元13生成的各次谐波的幅度与单音正弦波经过输出放大电路142产生的各次谐波的幅度相同，并且相位偏差180°时，产生了谐波相消，即输出放大电路142产生的谐波与波形生成单元13产生的谐波在输出端的矢量和等于0，使得输出信号具有超低的谐波失真。

需要说明的是，输出放大电路142在输出信号时所产生的谐波与输出信号的幅度和频率相关，相应地，谐波补偿单元12需要存储有不同输出信号幅度和频率下的各次谐波的数据。那么，谐波补偿单元12所存储的数据需要通过实施例二中的校准方法得到，通过校准方法得到输出信号在各幅度和各频率下的各次谐波的幅度和相位，然后计算对应的补偿值并保存到谐波补偿单元。

本领域的技术人员可以理解，在本实施例中，在信号发生器中增加了谐波补偿单元，使得控制处理单元能够利用谐波校准数据产生单音信号的谐波补偿数据，为单音信号的谐波补偿提供了实现可能。并且，由于波形生成单元在单音信号上叠加各次谐波信号来得到补偿信号，那么就可以利用补偿信号中的各次谐波信号抵消输出调理单元产生的各次干扰谐波，从而在输出信号中尽量消除谐波失真或者具有超低的谐波失真。此外，本申请技术方案提供了信号发生器的谐波补偿机制，能够有效避免信号发生器在输出高频大信号下信号失真严重的现象，有效克服了输出信号的谐波失真问题，使得信号发生器具有较高的实用价值。

实施例二、

请参考图3，本实施例中提供一种用于信号发生器的校准系统，该校准系统2包括信号发生器21、信号分析仪22和校准控制装置23。

信号发生器21用于输出各种频率和幅度的输出信号，且结构和具体功能可以参考实施例一中的信号发生器1。

信号分析仪22与信号发生器21通过同轴线缆进行信号连接，用于对信号发生器输出的同轴信号进行信号分析，得到同轴信号中单音信号的幅度和各次谐波的幅度。信号分析仪22可以采用频谱分析仪等设备，可以测量信号的功率（幅度）、频率、带宽等，甚至可以对信号进行各种调制解调分析。

校准控制装置23与信号发生器21、信号分析仪22进行通信连接，用于控制信号发生器21以预设频率和预设幅度产生输出信号，以及从信号分析仪22获取测量的幅度数据，根据幅度数据生成谐波校准数据并下发至信号发生器21。比如，校准控制装置23采用计算机、工作站、微控制器、移动电子终端等设备。

可以理解，在测试测量领域，信号发生器（包括任意波形发生器、射频信号源、矢量信号发生器等）用来产生各种频率、各种波形形状的信号，其中往往包含模拟信号通道和数字信号通道，而模拟信号通道中设有大量的模拟器件，比如放大器、滤波器、混频器等等，由这些模拟器件构成的模拟电路的幅度—频率响应曲线（简称为幅频特性响应）一般都是不平坦的，并且会随着环境的改变（温度、湿度等）发生改变，因此需要预先获取各个频率点上的谐波补偿数据，从而对输入信号或者输出信号的幅度、相位等参数进行相应的补偿，以达到信号精确产生的目的，则可以将这个过程称之为信号发生器的校准过程。

为帮助技术人员更好地理解图3中校准系统2的工作原理，本实施例中还公开一种用于信号发生器的校准方法，该校准方法主要在图3中的校准控制装置23上进行应用。

请参考图4，请求保护的校准方法包括步骤S310-S330，下面分别说明。

步骤S310，获取信号发生器21输出的第一输出信号中校准频点的各谐波分别对应的幅度，以及获取信号发生器21输出的第二输出信号中校准频点各次谐波分别对应的幅度。

在本实施例中，第一输出信号是由预设频率和预设幅度的单音信号经过波形调理后而生成得到的信号；第二输出信号是由叠加多个校准谐波的单音信号经过波形调理后而生成得到的信号，这里的多个校准谐波包括多个幅度各不同且相位均相同的谐波。此外，信号发生器21能够配置出多个不同的校准频点，且每个校准频点对应有多个谐波（即各次谐波）。还需要注意的是，校准频点的各次谐波可作为多个校准谐波以用于叠加在单音信号上。

可以理解，若设置单音信号的预设频率为

步骤S320，根据第一输出信号中校准频点各次谐波分别对应的幅度计算得到关于幅度的校准数据，以及根据第二输出信号中校准频点各次谐波分别对应的幅度计算校准频点的各次谐波分别对应的相位，并生成关于相位的校准数据。

可以理解，参见图3，信号发生器21的输出信号的各次谐波的幅度可以通过信号分析仪22（比如频谱分析仪）直接测量得到，但是各次谐波的相位无法直接测量，而是需要通过间接测量来换算得到。步骤S330，利用关于幅度的校准数据和关于相位的校准数据形成谐波校准数据，并配置到信号发生器。具体地，图2中的校准控制装置23将形成的谐波校准数据下发至信号发生器21，并存入信号发生器21中的谐波补偿单元（比如图1中的谐波补偿单元12）。

在一个具体实施例中，上述的步骤S320中，根据第一输出信号中校准频点的各次谐波分别对应的幅度计算得到关于幅度的校准数据，包括：

对单音信号的预设幅度和第一输出信号中校准频点的各次谐波分别对应的幅度进行曲线拟合，利用拟合得到的幅度曲线拟合函数作为关于幅度的校准数据。

需要说明的是，图2中的校准控制装置23可进一步地根据输出信号的原有幅度，在输出幅度范围内选择若干个幅度进行各次谐波幅度的校准。在输出信号的频率为

在一个具体实施例中，上述的步骤S320中，根据第二输出信号中校准频点的各次谐波分别对应的幅度计算校准频点的各次谐波分别对应的相位，并生成关于相位的校准数据，包括：

（1）若设定多个校准谐波的幅度为

（2）将校准频点的各次谐波分别对应的幅度

（3）将校准频点的各次谐波分别对应的相位相加180°后得到关于相位的校准数据。

需要说明的是，为了得到谐波的相位

由此可得，

还需要说明的是，以上求解得到两个具有镜像关系的

当然，还可以通过DAC产生一个幅度为

比如图3，校准控制装置23设置通过信号发生器21中的波形生成单元在原单音正弦波上叠加幅度为

进一步地，参考图5，请求保护的校准方法还包括位于步骤S330之后的步骤S340，说明如下。

步骤S340，多次不同设定单音信号的预设频率和预设幅度，在每次设定后对应生成关于幅度的校准数据和关于相位的校准数据。

由于步骤S310-S330完成了输出频率为

实施例三、

在实施例二中公开的用于信号发生器的校准方法的基础上，本实施例中公开一种校准控制装置。

请参考图6，校准控制装置4主要包括存储器41和处理器42。其中，存储器41作为计算机可读存储介质，用于存储程序，该程序是实施例二中用于信号发生器的校准方法S100-S300对应的程序代码。

处理器42与存储器41连接，用于执行存储器41中存储的程序以实现用于信号发生器的校准方法。处理器42实现的功能可以参考实施例二中的校准控制装置23，这里不再进行详细说明。

本领域的技术人员可以理解，本实施例中的技术方案通过对输出信号的各次谐波的幅度和相位的校准，在信号发生器生成的单音正弦信号上叠加对应的各次谐波，使得输出信号具有超低的谐波失真。并且，还实现了通过测量叠加不同相位的谐波后的谐波幅度来推导计算谐波相位。此外，通过将输出信号的幅度与对应的各次谐波的曲线拟合成多项式方程，以方程系数作为校准数据进行保存，如此极大减小了谐波校准数据的数据量。

本领域技术人员可以理解，上述实施方式中各种方法的全部或部分功能可以通过硬件的方式实现，也可以通过计算机程序的方式实现。当上述实施方式中全部或部分功能通过计算机程序的方式实现时，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器、随机存储器、磁盘、光盘、硬盘等，通过计算机执行该程序以实现上述功能。例如，将程序存储在设备的存储器中，当通过处理器执行存储器中程序，即可实现上述全部或部分功能。另外，当上述实施方式中全部或部分功能通过计算机程序的方式实现时，该程序也可以存储在服务器、另一计算机、磁盘、光盘、闪存盘或移动硬盘等存储介质中，通过下载或复制保存到本地设备的存储器中，或对本地设备的系统进行版本更新，当通过处理器执行存储器中的程序时，即可实现上述实施方式中全部或部分功能。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。