Signalgeneratoren AWG und DDS sind auf einer Hardware-Plattform vereint

Moderne Messaufgaben sind auf HF-Signalquellen angewiesen. Bisher waren die Hardwaresysteme für klassische Speichersignale (AWG) und dynamisch berechnete Sinusträger (DDS) getrennt. Eine neue Gerätegeneration vereint beide Technologien auf einer Plattform. Sieben Anwendungsbeispiele im Detail.

DDS (Direct Digital Synthesis) ist eine effiziente Methode, bei der Sinussignale kombiniert und manipuliert werden, um unterschiedlichste Signalformen, Frequenz-Sweeps, Rampen, Modulationen und Referenzsignale zu erzeugen. Diese hohe Flexibilität macht die DDS-Technologie für zahllose technische Anwendungsbereiche hochinteressant.

Bisher ließen sich Signalgeneratoren, die auf der DDS-Technologie basieren, im Allgemeinen in zwei Gruppen einteilen: Zum einen einfache, kostengünstige Geräte, die zur Erzeugung einkanaliger, periodischer Signale bis etwa 10 MHz dienen. Zum anderen hochpreisige Tischgeräte (Benchtop-Instrumente), die ein oder zwei Signale bis in den GHz-Bereich ausgeben können.

Eine optionale DDS-Funktion

Spectrum Instrumentation hebt die Signalerzeugung mit DDS nun auf eine völlig neue Stufe. Das Unternehmen bietet für alle seine 77 unterschiedlichen Arbiträr-Signalgeneratoren (AWGs) ab sofort eine optionale DDS-Funktion an, die sich durch ein einfaches Firmware-Update implementieren lässt. Dieses Upgrade ermöglicht die Erzeugung von Multi-Tone-DDS-Signalen im synchronen Mehrkanalbetrieb mit Frequenzen von bis zu 3,9 GHz.

Im DDS-Modus können die AWGs bis zu 64 einzelne Sinussignale (Töne) pro Kanal erzeugen. Frequenz, Amplitude und Phase jedes einzelnen Tons lassen sich mit einfachen Steuerbefehlen innerhalb weniger Nanosekunden dynamisch anpassen. Dedizierte Befehle für Frequenz- und Amplitudenverläufe in Kombination mit Befehlssequenzen erlauben die problemlose Erzeugung komplexer Signalfolgen, Sweeps oder fein abstimmbarer Referenzsignale. Diese schnell und flexibel generierbaren Signalformen bilden die Basis für zuverlässige Tests in den unterschiedlichsten Branchen. Dazu gehören Nachrichtentechnik, Medizintechnik, Laser- und Quantenforschung, Radar und Lidar, Ultraschall und Sonar, Automotive, Luft- und Raumfahrt, automatisierte Testsysteme (ATE), Halbleiterprüfung, Faseroptik sowie die Materialwissenschaft.

Generatoren im DDS-Modus

Die Arbiträr-Signalgeneratoren (AWGs), betrieben im DDS-Modus, eignen sich für automatisierte, computergesteuerte Testumgebungen und werden in drei gängigen Bauformen angeboten:

• PCIe-Karten zur nahtlosen Integration in handelsübliche Desktop-PCs.

• PXIe-Module zum Einstecken in Industrie-Standard-PXIe-Chassis.

• LXI-Standalone-Geräte, die über ein einfaches Ethernet-Kabel in jedes Netzwerk eingebunden oder direkt mit einem Laptop verbunden werden können.

Dank dieser drei Formfaktoren und der insgesamt 77 verfügbaren Modellvarianten findet sich für nahezu jede Applikation das passgenaue Instrument, ganz gleich, welche Anforderungen an Kanalzahl, Speichertiefe und Bandbreite gestellt werden.

An der Spitze des Portfolios steht die Serie 63xx (22 Modelle). Sie bietet bis zu 16 vollsynchronisierte Kanäle, analoge Bandbreiten von bis zu 3,9 GHz und Ausgabe-Abtastraten (Sample Rates) von bis zu 10 GS/s bei einer vertikalen Auflösung von 16 Bit. Auf einem einzigen Kanal können bis zu 64 DDS-Töne simultan erzeugt werden. Diese High-End-Geräte eignen sich ideal für anspruchsvolle Anwendungen in der Telekommunikation (inklusive 5G), für Radar- und Lidar-Systeme, in der Luft- und Raumfahrt sowie für komplexe Aufgaben in der allgemeinen Prüf- und Messtechnik.

Die Serie 66xx (23 Modelle) bedient vor allem das Marktsegment im oberen Megahertz-Bereich. Sie bietet einen bis 32 Kanäle, eine Bandbreite von bis zu 400 MHz und Abtastraten von bis zu 1,25 GS/s, ebenfalls bei einer Auflösung von 16 Bit. Hier sind bis zu 20 DDS-Töne pro Ausgangskanal möglich. Instrumente dieser Baureihe bilden beispielsweise seit Jahren das messtechnische Rückgrat in der weltweiten Quantenforschung und kommen bei der Steuerung diverser Quantencomputer zum Einsatz.

Für den universellen Labor- und Industrieeinsatz ist die Serie 65xx (32 Modelle) konzipiert. Sie zeichnet sich durch ihre besonders kompakte PCIe-Bauform (Kartenlänge von nur 168 mm) aus. Einzelne Karten bieten einen bis acht Kanäle, während sich komplette, synchronisierte Systeme auf bis zu 80 Kanäle kaskadieren lassen. Diese Serie liefert analoge Bandbreiten von bis zu 60 MHz und Ausgaberaten von bis zu 125 MS/s bei einer Auflösung von 16 Bit. Bis zu 16 DDS-Töne stehen hier pro Kanal zur Verfügung.

Dank dieser Eigenschaften eignen sich die Modelle zur Ansteuerung ganzer Sensor-Netzwerke oder zur Automatisierung von Filter- und Verstärkertests. Auch in der Entwicklung medizinischer und industrieller Sensoren spielen sie ihre Stärken aus, da die hochflexiblen DDS-Frequenzquellen dabei helfen, Resonanzfrequenzen präzise zu lokalisieren oder unerwünschte Systemdriften dynamisch zu kompensieren.

Bei AWG und DDS sind zwei Welten vereint

Durch die Kombination aus klassischem AWG-Modus (der exakten Wiedergabe beliebiger, zuvor in den Speicher geladener Signalformen) und dem DDS-Modus (der dynamischen Erzeugung berechneter Sinussignale) in ein und demselben Gerät zählen die Generatoren von Spectrum Instrumentation zu den vielseitigsten Signalquellen auf dem Markt. Die Instrumente lassen sich jederzeit nahtlos zwischen AWG- und DDS-Betrieb umschalten.

Für die DDS-Funktionalität steht Anwendern zusätzlich die grafische Bedienoberfläche DDS Control zur Verfügung. Hier lassen sich die Einstellungen für die verschiedenen Sinusträger intuitiv über Regler anpassen und detaillierte Parameter in einer übersichtlichen Listenansicht verwalten – eine aufwendige Eigenprogrammierung kann somit komplett entfallen.

Die gesamte AWG-Produktfamilie teilt sich, genauso wie die 159 verschiedenen Digitizer (A/D-Wandlerkarten) von Spectrum, ein durchgängiges, einheitliches Software-Toolkit. Dieser Ansatz vereinfacht Upgrades, den Wechsel zwischen verschiedenen Hardware-Modellen und die Integration in bestehende Testsysteme massiv. Alle Produkte bieten native Software-Unterstützung für Windows und Linux, umfangreiche Programmierbeispiele für gängige Sprachen wie Python, MATLAB, C++ und LabVIEW sowie eine extrem leistungsstarke Python-API. Neben kostenfreien Software- und Firmware-Updates profitieren Kunden von einem lebenslangen technischen Support, der direkt von den Entwicklungsingenieuren des Unternehmens geleistet wird.

Sieben Anwendungsbeispiele aus drei Frequenzwelten

Die Flexibilität der DDS-Technologie (Direct Digital Synthesis) zeigt sich besonders dann, wenn unterschiedlichste Branchenanforderungen auf eine einzige Hardware-Plattform treffen. Die folgenden Beispiele veranschaulichen typische DDS-Signalformen im GHz-, MHz- und kHz-Bereich:

1. Intermodulations-Test (IMD) [GHz-Bereich]

• Signalform: Durch die Überlagerung zweier DDS-Sinussignale (z. B. 1,664 GHz und 1,667 GHz) entsteht eine Schwebung (Two-Tone-Signal).

• Anwendung: Dieses Signal eignet sich ideal zur Messung von Intermodulationsverzerrungen (IMD) bei HF-Verstärkern. Nichtlinearitäten im Prüfling erzeugen unerwünschte Mischprodukte. Der IMD-Pegel beschreibt das Verhältnis der Leistung dieser Störprodukte zur Leistung des gewünschten Ausgangssignals in Dezibel (dB). Je niedriger der Wert, desto besser die Performance.

2. Radar-Simulation: Frequenz-Sweeps [GHz-Bereich]

• Signalform: Ein Radarimpuls mit 1 GHz Trägerfrequenz und einem linearen Frequenz-Sweep (Chirp) von 5 MHz. Dabei ändert die DDS die Frequenz während der 10 µs langen Impulsdauer linear von 997,5 MHz auf 1.002,5 MHz.

• Anwendung: Komplexe Radar- und Elektroniksimulationen in der Luft- und Raumfahrt. Insbesondere dann, wenn das Systemverhalten bei mehreren unabhängigen Radarquellen gleichzeitig getestet werden muss.

3. Automotive: Funkschlüssel-Test [MHz-Bereich]

• Signalform: Ein digital codiertes, frequenzmoduliertes DDS-Signal (FSK), das definierte Frequenzsprünge zwischen 433,88 MHz und 433,97 MHz ausführt.

• Anwendung: Funktionstests und Verifikation von Funkschlüsseln (Keyless Entry/Go) für die Zentralverriegelung von Pkw und Lkw im ISM-Band.

4. Nachrichtentechnik: Quadraturmodulation [MHz-Bereich]

• Signalform: Die I- und Q-Komponenten eines 100-MHz-Trägers werden durch ein 10-MHz-Basisband-Datensignal phasenmoduliert. Es entsteht ein QPSK-Signal (Quadrature Phase Shift Keying). Die Kombination erzeugt Phasenverschiebungen von jeweils 90 Grad, wodurch vier mögliche Zustände abgebildet werden.

• Anwendung: Generierung komplexer, digitaler Modulationsarten zur Verifikation von Datenkommunikationssystemen.

5. Quantencomputing: Laser-Steuerung [MHz-Bereich]

• Signalform: Bis zu 20 simultane DDS-Sinusträger, die in Frequenz und Phase hochdynamisch verändert werden.

• Anwendung: Diese HF-Signale steuern akusto-optische Modulatoren (AOMs). So lassen sich aus einer einzigen Laserquelle mehrere, vollständig steuerbare Laserstrahlen erzeugen. Diese Laserstrahlen fangen und halten einzelne Ionen (Atome), welche im Quantencomputer als Qubits die eigentlichen Rechenoperationen ausführen.

6. NVH-Tests: Vibrationsprüfung [kHz-Bereich]

• Signalform: Ein langsam ansteigender Sinus-Sweep von 20 Hz bis 20 kHz. Mit der DDS-Funktion lassen sich bis zu 16 Sweeps mit unterschiedlichen Frequenzbereichen parallel ausgeben.

• Anwendung: Diese Signale steuern elektrodynamische Schwingungsprüfstände (Shaker) für Vibrationstests von Automobil- oder Flugzeugteilen. So lassen sich mechanische Resonanzen und Materialermüdung identifizieren. Der parallele Multi-Tone-Sweep bietet einen massiven wirtschaftlichen Vorteil: Mit zehn simultanen Sweeps, die jeweils ein Zehntel des Frequenzbereichs abdecken, schrumpft die teure Prüfzeit auf ein Zehntel.

7. Energietechnik: Fehlersimulation im Stromnetz [kHz-Bereich]

• Signalform: Simulation eines dreiphasigen Stromnetzes mit einem Phasenkurzschluss. DDS ermöglicht es, neben reinen Sinuskurven auch komplexe, nicht-sinusförmige Signalverläufe, wie etwa den exponentiell abklingenden Kurzschlussstrom, präzise nachzubilden.

• Anwendung: Sichere Laborprüfung von Fehlererkennungsschaltungen und Netzschutzrelais durch die exakte Simulation von Spannungs- und Stromwandlersignalen.

Ein Fazit

Der Schritt, klassische Arbiträr-Signalgeneratoren per einfachem Firmware-Update um eine vollwertige DDS-Funktionalität zu erweitern, eröffnet Anwendern in Prüf- und Entwicklungslaboren völlig neue Möglichkeiten. Anstatt für die Wiedergabe von Speichersignalen (AWG) und die dynamische Erzeugung von Sinusträgern (DDS) in getrennte Hardware investieren zu müssen, vereinen die Instrumente von Spectrum Instrumentation nun beide Welten auf einer Plattform.

In Kombination mit den unterschiedlichen Formfaktoren (PCIe, PXIe, LXI), einer einheitlichen Software-Architektur und einer intuitiven Bedienoberfläche entsteht so eine enorm flexible Lösung. Ganz gleich, ob es um die Ansteuerung von Quantencomputer-Lasern, um Radar-Sweeps oder einfache Resonanzprüfungen geht, ein moderner Signalgenerator passt sich den komplexen Anforderungen der heutigen Hochfrequenz-Messtechnik nahtlos an. (heh)

Erweiterte Funktionen

Arbiträrgeneratoren 63xx von Spectrum mit DDS-Option

* Oliver Rovini ist Technical Director Spectrum Instrumentation. Greg Tate ist Sales Manager Asia Spectrum Instrumentation.

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