在電子工程與測試測量領域，精準復制真實場景信號是進行設備性能測試、系統仿真和故障診斷的關鍵。泰克AFG31000系列信號發生器憑借其寬頻帶覆蓋、高精度輸出和豐富的調制功能，成為工程師在信號仿真與測試中的核心工具。本文將詳細介紹如何利用該系列信號發生器復制復雜場景信號，并探討其在不同領域的應用與優化技巧。

一、信號特性分析：復制真實信號的基礎
在開始信號復制前，必須全面了解待仿真信號的特性。以下是關鍵參數分析：
1. 頻率特性
基頻范圍：確定信號的主頻率成分，例如射頻通信中的載波頻率（如2.4 GHz Wi-Fi信號）或音頻信號中的基頻（20 Hz~20 kHz）。
頻譜分布：分析信號是否存在諧波、雜散或噪聲，這對高精度復制至關重要。例如，在電機控制測試中，可能需要模擬包含多次諧波的驅動信號。
2. 幅度與時間特性
峰峰值（Vpp）與有效值（RMS）：根據應用場景選擇合適的幅度單位。例如，醫療設備中的生物電信號通常為微伏級（μV），而工業控制信號可能為伏特級（V）。
上升/下降時間：對于脈沖信號或瞬態信號，邊沿的陡峭程度直接影響測試結果。例如，高速數字通信中的脈沖信號需要納秒級邊沿控制。
3. 調制類型與參數
模擬調制：AM（幅度調制）、FM（頻率調制）、PM（相位調制）的調制深度、調制頻率及載波與調制信號的關系。
數字調制：如QAM（正交幅度調制）、PSK（相移鍵控）等，需要解析調制格式和符號率。
4. 噪聲與失真
真實信號中往往存在白噪聲、相位噪聲或非線性失真，通過信號發生器內置的噪聲發生器或失真模擬功能可增強仿真真實性。
二、信號發生器配置：分步實現精準復制
1. 基本參數設置
頻率設置：
AFG31000系列支持1 μHz至200 MHz的基頻范圍（部分型號可達1 GHz），通過前面板旋鈕或遠程控制（如SCPI命令）精確設置頻率。例如，模擬5.8 GHz雷達信號時，需確保信號發生器處于射頻模式并校準頻率精度。
幅度與偏移：
調整輸出幅度時需注意單位（Vpp、Vrms、dBm）轉換，并利用偏移功能添加直流分量。例如，模擬心電圖信號時需疊加0.5 V直流偏移以模擬人體電勢。
波形選擇與編輯：
內置波形庫包含正弦波、方波、鋸齒波等，同時支持任意波形生成（AWG）。通過USB或網絡接口導入自定義波形數據（如CSV、MATLAB導出文件），或使用內置編輯器繪制復雜波形。
2. 高級調制功能應用
模擬調制：
AM調制：設置載波頻率、調制信號頻率（如1 kHz正弦波）及調制深度（0~100%）。例如，模擬廣播電臺信號時，調制深度通常為30%。
FM調制：設定載波頻率、調制信號頻率及頻偏（如±10 kHz）。在無線通信測試中，需模擬不同頻偏下的信號質量變化。
PM調制：相位偏移與調制信號的關系，常用于雷達信號仿真。
數字調制：
AFG31000支持IQ調制，通過配置I/Q基帶信號生成復雜的數字調制信號（如16QAM、64QAM）。需注意符號率、星座圖配置及誤差向量幅度（EVM）優化。
3. 任意波形生成（AWG）實戰
波形捕獲與重現：
通過示波器捕獲真實場景信號（如電機啟動時的電流波形），保存為CSV文件后導入信號發生器。需確保采樣率與分辨率匹配，避免波形失真。
波形編輯與合成：
使用內置編輯器拼接多個波形片段，例如模擬汽車碰撞測試中的加速度脈沖序列（包含不同幅值、頻率的脈沖）。
觸發與同步控制：
設置觸發源（內部/外部）、觸發延遲和觸發模式（單次/連續），確保多臺設備同步輸出復雜信號場景。
三、典型應用場景與優化技巧
1. 通信系統測試
案例：5G基站射頻信號仿真
配置載波頻率（如3.5 GHz），啟用OFDM調制，設置子載波數量、符號率和CP長度。
添加相位噪聲以模擬實際信道環境，評估接收機靈敏度。
使用IQ調制生成多天線信號，測試MIMO系統性能。
2. 醫療設備仿真
案例：心電圖（ECG）信號模擬
生成包含P波、QRS波群和T波的標準ECG波形，頻率約0.5~40 Hz。
疊加高斯白噪聲（模擬生物電干擾），測試心電圖儀的抗噪性能。
通過調制功能模擬心率變化（如心律失常信號）。
3. 汽車電子測試
案例：車載傳感器信號仿真
生成包含正弦波+噪聲的輪速傳感器信號（頻率隨車速變化）。
模擬ABS系統觸發時的脈沖序列，測試控制單元響應時間。
使用任意波形重現碰撞測試中的加速度曲線（符合法規要求）。
四、常見問題與故障排除
1. 輸出信號失真
檢查信號發生器輸出阻抗是否與負載匹配（50 Ω/高阻模式）。
確認電纜連接是否良好，避免高頻信號衰減。
使用信號發生器的“波形整形”功能補償輸出失真。
2. 調制信號參數不準確
驗證調制深度、頻偏等參數是否按預期設置。
檢查外部調制信號源（如音頻發生器）是否與主信號同步。
3. 任意波形加載失敗
確認波形文件格式（如CSV需包含時間-幅度對）。
檢查采樣率是否超過信號發生器AWG模塊的極限（如1 GSa/s）。
五、性能優化與校準建議
1. 定期校準
使用外部頻率計和功率計校準信號發生器的頻率和幅度精度。
在射頻頻段使用頻譜分析儀驗證雜散抑制比和相位噪聲。
2. 環境控制
避免電磁干擾（EMI），將信號發生器接地并遠離大功率設備。
在高溫或濕度環境下使用時，定期清潔散熱孔。
3. 遠程控制與自動化測試
通過LAN或GPIB接口集成信號發生器到自動化測試系統，提高效率。
使用Python等語言編寫腳本，實現復雜信號序列的批量生成。

AFG31000系列信號發生器通過靈活的參數配置、豐富的調制功能和任意波形生成能力，為真實場景信號復制提供了完整的解決方案。工程師需結合具體應用場景，從信號特性分析到參數優化逐步實施，同時利用校準與故障排除技巧確保測試結果的可靠性。隨著物聯網、5G等技術的快速發展，精準信號仿真將在更多領域發揮關鍵作用。

審核編輯 黃宇