【摘 要】：本文根據(jù)矢量信號發(fā)生器的特點以及市場上推出大致先后順序，分別從矢量信號發(fā)生器在載頻范圍、內(nèi)置標準通信制式、調(diào)制帶寬、矢量調(diào)制質(zhì)量、內(nèi)置衰落模擬器以及射頻和基帶通道等方面介紹了各個時期矢量信號發(fā)生器的特點，以及未來矢量信號發(fā)生器關(guān)注的特性，如多基帶模塊，多信道衰落模塊等功能。

【關(guān)鍵詞】：矢量信號發(fā)生器，矢量調(diào)制質(zhì)量，調(diào)制帶寬，衰落模擬器

1. 引言

矢量信號發(fā)生器又稱矢量信號源、微波矢量信號源。近年來隨著通信產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，所用頻段和調(diào)制帶寬不斷增加，多載波和多標準通信制式共同使用，針對移動通信手機和基站設(shè)備的測量需求，矢量信號發(fā)生器應(yīng)運而生，并快速發(fā)展起來。同時，隨著國防領(lǐng)域的技術(shù)提升，新體制雷達以及高速跳頻通信信號的模擬需求不斷增加，傳統(tǒng)微波信號源是無法實現(xiàn)復雜電磁環(huán)境多輻射源信號的產(chǎn)生需求，如果采用多臺信號發(fā)生器通過功率合成器獲得測量信號，顯然既浪費資源，使用起來也不方便。隨著各種應(yīng)用的需求，矢量信號發(fā)生器在性能和功能等方面都得到了很大升級，如增加了射頻通道、基帶模塊、衰落模擬模塊等，使其在3G、4G基站驗證測試以及國防、航空航天等科研領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。

2. 矢量信號發(fā)生器結(jié)構(gòu)及原理

矢量信號發(fā)生器通常由基帶信號產(chǎn)生單元、載波產(chǎn)生單元、矢量調(diào)制單元等組成，原理框圖如圖1所示。基帶信號單元主要是采用兩個DAC 經(jīng)基帶成型濾波器創(chuàng)建I和Q兩路基帶信號；載波產(chǎn)生單元是用來產(chǎn)生連續(xù)載波信號；矢量調(diào)制單元首先將載波信號進行90º相移得到兩路正交的載波信號，然后分別與兩路基帶信號進行調(diào)制，再相加得到矢量調(diào)制信號，常見的矢量調(diào)制方式有：BPSK、QPSK、PSK、QAM、FSK、MSK等，可用于GSM、NADC、CDMA等通信制式。

圖1、矢量信號發(fā)生器原理框圖

R&S、Agilent、Anritsu、NI、IFR、Advantest幾家著名儀器公司都供應(yīng)性能不同的各種頻段的矢量信號發(fā)生器，例如R/S 公司的SMXX系列、Agilent的PSG系列和MXG系列、Anritsu公司的MG8XXA、MG37XX系列、NI的PXI系列等等，以下是矢量信號發(fā)生器的關(guān)鍵功能，分別進行闡述。

2.1 頻率范圍

各家根據(jù)自己的特長推出各自性能突出的產(chǎn)品，總體來講矢量信號發(fā)生器的射頻頻率上限分為1GHz、2GHz、4GHz、6GHz、20GHz、30GHz和44GHz等。Agilent公司的8267D矢量信號發(fā)生器頻率可達44GHz,R&S公司的SMW200A也可以達到40GHz的頻率范圍。

2.2 基帶帶寬

各種類型的矢量信號發(fā)生器都配備任意波形發(fā)生器作為數(shù)字調(diào)制源，任意波形發(fā)生器在原理上可仿真任何現(xiàn)實環(huán)境的復雜信號，但是受限于高速高比特的DAC，內(nèi)置的基帶帶寬無法實現(xiàn)當前的超寬帶信號產(chǎn)生需求，，目前最高帶寬的矢量信號源是SMW200A，內(nèi)置基帶提供160MHz和16位分辨率。矢量信號源往往提供外調(diào)制功能，以解決內(nèi)置基帶帶寬不夠的問題，借助外基帶產(chǎn)生器產(chǎn)生超寬帶信號。SMW200A可以提供高達2GHz的外調(diào)制帶寬。

2.3 基帶個數(shù)和通道個數(shù)

隨著MIMO技術(shù)、陣列信號和抗干擾技術(shù)的研究，多基帶多通道的矢量信號發(fā)射器營運而生，代表產(chǎn)品為SMW200A，可以實現(xiàn)2路RF通道和4路基帶通道的同時輸出。

2.4 信道衰落

衰落是無線通信中非常普遍的現(xiàn)象，對接收機的影響非常大，造成衰落的原因多種多樣，而衰落現(xiàn)象會直接導致：接收信號失真、信號強度快速變化、出現(xiàn)隨機調(diào)頻、回波、引入誤碼等。在進行接收機性能測試時，必須在衰落的環(huán)境中進行測量才能獲得對其性能進行全面的衡量，那么能夠產(chǎn)生衰落信號，模擬真實無線傳輸環(huán)境也是對測試測量儀器的重要要求。

本文根據(jù)市場常用矢量信號發(fā)生器的性能提升和性能變遷，將矢量信號發(fā)生器分為三代，分別介紹其在矢量調(diào)制信號產(chǎn)生方面的性能特點。

3. 第一代矢量信號發(fā)生器概況

在上個世紀七八十年代第一代矢量信號發(fā)生器就已經(jīng)有了相當?shù)膽?yīng)用。此時的矢量信號發(fā)生器的特點主要有：

• 頻率范圍：載頻頻率上限通常分為1GHz、2GHz、3GHz、4GHz和6GHz，最高的可以達到6.4GHz，在相當長一段時間完全能滿足第二代、第三代通信發(fā)展的需求。

• 標準通信制式：這時矢量信號能涵蓋各國TDMA和CDMA系統(tǒng)的通信標準，TDMA系統(tǒng)包括GSM、DECT、NADC、PDC、PHS等，CDMA系統(tǒng)有CDMA2000和WCDMA。

• 調(diào)制帶寬：在矢量調(diào)制部分，最重要的參數(shù)就是IQ調(diào)制器的帶寬，這個參數(shù)決定了數(shù)字調(diào)制信號的符號速率。第一代的矢量信號發(fā)生器內(nèi)置的基帶帶寬可以達到30MHz。

• 個性設(shè)置調(diào)制參數(shù)：矢量信號發(fā)生器除了具有標準通信制式的矢量信號輸出，還具有個性設(shè)置矢量調(diào)制主要參數(shù)功能，設(shè)置矢量調(diào)制參數(shù)主要包括調(diào)制方式、濾波器、符號率等。其中調(diào)制方式包含BPSK、QPSK、OQPSK、PI/4DQPSK、8PSK等，QAM調(diào)制包括16QAM、32QAM、64QAM、256QAM，此外還包括MSK、FSK和ASK等。濾波器則包括升余弦濾波器（或稱奈奎斯特濾波器、RC濾波器）、根升余弦濾波器（或稱根奈奎斯特濾波器、RRC濾波器）、高斯濾波器（GAUSS）等。

• 信號產(chǎn)生通道：此時的矢量信號發(fā)生器的射頻通道為單通道模式，而外調(diào)制IQ產(chǎn)生器的通道一般只有兩個通道，即I通道和Q通道。

• 矢量調(diào)制誤差：矢量調(diào)制誤差是衡量矢量信號產(chǎn)生質(zhì)量的主要因素，直接標志矢量信號是否滿足要求。第一代的矢量信號發(fā)生器的誤差矢量幅度（EVM）一般在3%左右，相位誤差為1°。

第一代矢量信號源的代表是SMIQ。

4. 第二代矢量信號發(fā)生器

第二代矢量信號發(fā)生器除了具有第一代矢量信號發(fā)生器的各種性能外，相對與第一代矢量信號發(fā)生器在載頻、調(diào)制帶寬、數(shù)字調(diào)制信號誤差等方面都有了較大的改進，不僅能滿足通信系統(tǒng)的需求，更能夠滿足用戶的多種需求。第二代矢量信號發(fā)生器的特點主要有：

• 頻率范圍：載波頻率上限有了很大的提高，包括20GHz、30GHz、44GHz，不但滿足第二、第三代甚至第四代等各種通信標準的需要，同時也為其他行業(yè)如雷達、衛(wèi)星通信等行業(yè)提供了可靠的矢量信號產(chǎn)生需求。

• 標準通信制式：第二代矢量信號發(fā)生器在第一代矢量信號發(fā)生器的基礎(chǔ)上新增了TD-SCDMA、IEEE802.11a/b/g/n、IEEE802.16、WLAN等新標準通信制式的通信，每種格式都可以由用戶設(shè)置，獲得最佳的波形因子和負載序列。

• 調(diào)制帶寬：第二代矢量信號發(fā)生器的內(nèi)置基帶信號調(diào)制帶寬可以達到80MHz，而外接基帶信號輸入則帶寬可以達到160MHz，從而大大提高了調(diào)制信號的符號速率。

• 實時模式：E4438C的實時模式（Real Time）建立模擬標準通信信號的時間很短，對于較長幀的信號，E4438C大約僅需要幾秒鐘。同時E4438C的矢量調(diào)制器具有100MHz的高取樣率和16位的ADC和DAC，使得無需使用多個波形重建濾波器，加快了信號的模擬產(chǎn)生。

• 矢量調(diào)制信號誤差：第二代矢量信號發(fā)生器在矢量調(diào)制信號質(zhì)量誤差方面有了較大的改進，對于標準通信制式EVM優(yōu)于在1.2%，相位誤差為0.8°。

第二代矢量信號發(fā)生器的代表為Agilent的E4438C和E8267D。

5. 第三代矢量信號發(fā)生器

第三代矢量信號發(fā)生器在載波頻率上限上沒有太大的提高，與第二代基本持平，滿足射頻測試的需求。但是在多射頻通道、調(diào)制帶寬、操作便捷直觀、場景模擬等方面有了很大的提高，其模塊化設(shè)計還可以配裝各種選件，更加適合各種3G、4G基站驗證測試以及國防、航空航天科研、生產(chǎn)、調(diào)試等現(xiàn)場、實驗室等場所的多種需求。下文列舉了第三代矢量信號發(fā)生器的主要特點：

• 可選擇第二條射頻通道，2個內(nèi)置基帶模塊和4個衰落模擬器模塊，從而可實現(xiàn)單臺儀器上，產(chǎn)生兩個完整的矢量信號，并可輕松實現(xiàn)2×2、8×2 TD-LTE的MIMO場景信道模擬，或者LTE-Advanced載波聚合模式下的2×2 MIMO場景模擬。

• 支持外接射頻信號發(fā)生器實現(xiàn)第3、4通道的矢量信號產(chǎn)生，滿足對于WLAN測試需要的3×3 MIMO或者LTE-FDD中4×4 MIMO等應(yīng)用。

•  支持所有重要的數(shù)字標準。尤其是LTE、LTE-Advanced、3GPP FDD/HSPA/HSPA+、GSM/EDGE/EDGE Evolution、TD-SCDMA、CDMA2000/1xEV-DO、WiMAXIEEE802.16和WLAN IEEE 802.11a/b/g/n/ac。模擬整個物理層，以及大多數(shù)標準的信道編碼。這些數(shù)字通信標準選件均為儀器內(nèi)置，所有操作和配置都在儀器界面上簡單、快速地完成，無需外部電腦。這樣可以簡化調(diào)試，節(jié)省時間。

• 儀器還預置了各種通信標準的測試模式以及其衰落模擬場景。對于LTE和WCDMA等基站一致性測試，提供測試向?qū)Чδ?，用戶只需幾步配置，即可根?jù)3GPP的規(guī)范自動配置好所有參數(shù)，大大簡化了測試，也保證了參數(shù)的正確性。

• 內(nèi)置衰落模擬器：內(nèi)置衰落模擬器模塊，能夠同時模擬多達16條衰落通道，逼真模擬室內(nèi)衰落場景，同時可以直接根據(jù)預定義的設(shè)置，選擇所有主要標準要求的衰落場景。除了普通的有Raleigh、Rice或純Doppler衰落的多徑場景外，還能夠模擬在最新標準中規(guī)定的動態(tài)場景，諸如生-滅（birth-death），移動傳播和高速列車場景。也可人工設(shè)置所有參數(shù)，這可方便實現(xiàn)用戶特定的衰落配置。

• 調(diào)制帶寬：內(nèi)置基帶信號調(diào)制帶寬160MHz，在此帶寬內(nèi)的帶寬內(nèi)調(diào)制頻響可以達到±0.05dB。外調(diào)制帶寬可達2GHz。

• 便捷直觀的操作：方便、直觀的操作界面，使用觸摸屏，可以節(jié)省按鍵空間同時增大屏幕顯示，框圖式菜單結(jié)構(gòu)，用戶可以方便直觀地配置信號，并通過視圖觀測生成信號的整個流程。

第三代矢量信號發(fā)生器的代表為R&S公司的SMW200A。

6. 小結(jié)

矢量信號發(fā)生器正以快速發(fā)展的勢頭迎接各類通信信息發(fā)展的需求，從矢量信號發(fā)生器發(fā)展的軌跡我們可以看到，調(diào)制帶寬和基帶性能是矢量信號發(fā)生器進展的主要脈絡(luò)，頻率范圍越來越適應(yīng)了國防領(lǐng)域的需求。各個階段的矢量信號發(fā)生器都首先內(nèi)置標準通信制式，并隨著通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展、及時更新補充新通信標準，自動配置好各個參數(shù)，大大簡化測試步驟，同時保證參數(shù)的正確性，可以便捷地應(yīng)用于各種現(xiàn)場測試。新一代的矢量信號發(fā)生器更配置兩個射頻通道，4個獨立基帶模塊，可在單臺儀器同時產(chǎn)生最多4路獨立的矢量信號，滿足建立有用信號加上干擾信號等復雜場景的需要，同時內(nèi)置衰落模擬器，模擬多條衰落通道，能夠逼真模擬場景，便于實驗室特定用戶配置的科研應(yīng)用。

參考文獻：

[1] ROHDE & SCHWARZ Co. Operating Manual for R&S SMIQ
[2] Agilent Technologies，Data Sheet for E8267D Vector Signal Generator.
[3] Agilent Technologies，Operating Manual for E4438
[4] ROHDE & SCHWARZ Co. Vector Signal Generator R&S SMU200A Operating Manual
[5] ROHDE & SCHWARZ Co. Vector Signal Generator R&S SMW200A Technical Overview
作者：李文意  北京無線電計量測試研究所
注：文章發(fā)表于《國外電子測量技術(shù)》2015年第3期