【摘 要】：本文根據(jù)矢量信號(hào)發(fā)生器的特點(diǎn)以及市場(chǎng)上推出大致先后順序，分別從矢量信號(hào)發(fā)生器在載頻范圍、內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)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(gè)時(shí)期矢量信號(hào)發(fā)生器的特點(diǎn)，以及未來矢量信號(hào)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(hào)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(hào)發(fā)生器又稱矢量信號(hào)源、微波矢量信號(hào)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(biāo)準(zhǔn)通信制式共同使用，針對(duì)移動(dòng)通信手機(jī)和基站設(shè)備的測(cè)量需求，矢量信號(hào)發(fā)生器應(yīng)運(yùn)而生，并快速發(fā)展起來。同時(shí)，隨著國防領(lǐng)域的技術(shù)提升，新體制雷達(dá)以及高速跳頻通信信號(hào)的模擬需求不斷增加，傳統(tǒng)微波信號(hào)源是無法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜電磁環(huán)境多輻射源信號(hào)的產(chǎn)生需求，如果采用多臺(tái)信號(hào)發(fā)生器通過功率合成器獲得測(cè)量信號(hào)，顯然既浪費(fèi)資源，使用起來也不方便。隨著各種應(yīng)用的需求，矢量信號(hào)發(fā)生器在性能和功能等方面都得到了很大升級(jí)，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(yàn)證測(cè)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(hào)發(fā)生器結(jié)構(gòu)及原理

矢量信號(hào)發(fā)生器通常由基帶信號(hào)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(hào)單元主要是采用兩個(gè)DAC 經(jīng)基帶成型濾波器創(chuàng)建I和Q兩路基帶信號(hào)；載波產(chǎn)生單元是用來產(chǎn)生連續(xù)載波信號(hào)；矢量調(diào)制單元首先將載波信號(hào)進(jìn)行90º相移得到兩路正交的載波信號(hào)，然后分別與兩路基帶信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，再相加得到矢量調(diào)制信號(hào)，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(hào)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(hào)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(hào)發(fā)生器的關(guān)鍵功能，分別進(jìn)行闡述。

2.1 頻率范圍

各家根據(jù)自己的特長(zhǎng)推出各自性能突出的產(chǎn)品，總體來講矢量信號(hào)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(hào)發(fā)生器頻率可達(dá)44GHz,R&S公司的SMW200A也可以達(dá)到40GHz的頻率范圍。

2.2 基帶帶寬

各種類型的矢量信號(hào)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(shí)環(huán)境的復(fù)雜信號(hào)，但是受限于高速高比特的DAC，內(nèi)置的基帶帶寬無法實(shí)現(xiàn)當(dāng)前的超寬帶信號(hào)產(chǎn)生需求，，目前最高帶寬的矢量信號(hào)源是SMW200A，內(nèi)置基帶提供160MHz和16位分辨率。矢量信號(hào)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(hào)。SMW200A可以提供高達(dá)2GHz的外調(diào)制帶寬。

2.3 基帶個(gè)數(shù)和通道個(gè)數(shù)

隨著MIMO技術(shù)、陣列信號(hào)和抗干擾技術(shù)的研究，多基帶多通道的矢量信號(hào)發(fā)射器營(yíng)運(yùn)而生，代表產(chǎn)品為SMW200A，可以實(shí)現(xiàn)2路RF通道和4路基帶通道的同時(shí)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(duì)接收機(jī)的影響非常大，造成衰落的原因多種多樣，而衰落現(xiàn)象會(huì)直接導(dǎo)致：接收信號(hào)失真、信號(hào)強(qiáng)度快速變化、出現(xiàn)隨機(jī)調(diào)頻、回波、引入誤碼等。在進(jìn)行接收機(jī)性能測(cè)試時(shí)，必須在衰落的環(huán)境中進(jìn)行測(cè)量才能獲得對(duì)其性能進(jìn)行全面的衡量，那么能夠產(chǎn)生衰落信號(hào)，模擬真實(shí)無線傳輸環(huán)境也是對(duì)測(cè)試測(cè)量?jī)x器的重要要求。

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

3. 第一代矢量信號(hào)發(fā)生器概況

在上個(gè)世紀(jì)七八十年代第一代矢量信號(hào)發(fā)生器就已經(jīng)有了相當(dāng)?shù)膽?yīng)用。此時(shí)的矢量信號(hào)發(fā)生器的特點(diǎn)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(dá)到6.4GHz，在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間完全能滿足第二代、第三代通信發(fā)展的需求。

• 標(biāo)準(zhǔn)通信制式：這時(shí)矢量信號(hào)能涵蓋各國TDMA和CDMA系統(tǒng)的通信標(biāo)準(zhǔn)，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(gè)參數(shù)決定了數(shù)字調(diào)制信號(hào)的符號(hào)速率。第一代的矢量信號(hào)發(fā)生器內(nèi)置的基帶帶寬可以達(dá)到30MHz。

• 個(gè)性設(shè)置調(diào)制參數(shù)：矢量信號(hào)發(fā)生器除了具有標(biāo)準(zhǔn)通信制式的矢量信號(hào)輸出，還具有個(gè)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(hào)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(hào)產(chǎn)生通道：此時(shí)的矢量信號(hào)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(gè)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(hào)產(chǎn)生質(zhì)量的主要因素，直接標(biāo)志矢量信號(hào)是否滿足要求。第一代的矢量信號(hào)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(hào)源的代表是SMIQ。

4. 第二代矢量信號(hào)發(fā)生器

第二代矢量信號(hào)發(fā)生器除了具有第一代矢量信號(hào)發(fā)生器的各種性能外，相對(duì)與第一代矢量信號(hào)發(fā)生器在載頻、調(diào)制帶寬、數(shù)字調(diào)制信號(hào)誤差等方面都有了較大的改進(jìn)，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(hào)發(fā)生器的特點(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)的需要，同時(shí)也為其他行業(yè)如雷達(dá)、衛(wèi)星通信等行業(yè)提供了可靠的矢量信號(hào)產(chǎn)生需求。

• 標(biāo)準(zhǔn)通信制式：第二代矢量信號(hào)發(fā)生器在第一代矢量信號(hào)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(biāo)準(zhǔn)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(fù)載序列。

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

• 實(shí)時(shí)模式：E4438C的實(shí)時(shí)模式（Real Time）建立模擬標(biāo)準(zhǔn)通信信號(hào)的時(shí)間很短，對(duì)于較長(zhǎng)幀的信號(hào)，E4438C大約僅需要幾秒鐘。同時(shí)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(gè)波形重建濾波器，加快了信號(hào)的模擬產(chǎn)生。

• 矢量調(diào)制信號(hào)誤差：第二代矢量信號(hào)發(fā)生器在矢量調(diào)制信號(hào)質(zhì)量誤差方面有了較大的改進(jìn)，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)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(hào)發(fā)生器的代表為Agilent的E4438C和E8267D。

5. 第三代矢量信號(hào)發(fā)生器

第三代矢量信號(hào)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(cè)試的需求。但是在多射頻通道、調(diào)制帶寬、操作便捷直觀、場(chǎng)景模擬等方面有了很大的提高，其模塊化設(shè)計(jì)還可以配裝各種選件，更加適合各種3G、4G基站驗(yàn)證測(cè)試以及國防、航空航天科研、生產(chǎn)、調(diào)試等現(xiàn)場(chǎng)、實(shí)驗(yàn)室等場(chǎng)所的多種需求。下文列舉了第三代矢量信號(hào)發(fā)生器的主要特點(diǎn)：

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

• 支持外接射頻信號(hào)發(fā)生器實(shí)現(xiàn)第3、4通道的矢量信號(hào)產(chǎn)生，滿足對(duì)于WLAN測(cè)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(biāo)準(zhǔn)。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(gè)物理層，以及大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)的信道編碼。這些數(shù)字通信標(biāo)準(zhǔn)選件均為儀器內(nèi)置，所有操作和配置都在儀器界面上簡(jiǎn)單、快速地完成，無需外部電腦。這樣可以簡(jiǎn)化調(diào)試，節(jié)省時(shí)間。

• 儀器還預(yù)置了各種通信標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試模式以及其衰落模擬場(chǎng)景。對(duì)于LTE和WCDMA等基站一致性測(cè)試，提供測(cè)試向?qū)Чδ埽脩糁恍鑾撞脚渲茫纯筛鶕?jù)3GPP的規(guī)范自動(dòng)配置好所有參數(shù)，大大簡(jiǎn)化了測(cè)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(shí)模擬多達(dá)16條衰落通道，逼真模擬室內(nèi)衰落場(chǎng)景，同時(shí)可以直接根據(jù)預(yù)定義的設(shè)置，選擇所有主要標(biāo)準(zhǔn)要求的衰落場(chǎng)景。除了普通的有Raleigh、Rice或純Doppler衰落的多徑場(chǎng)景外，還能夠模擬在最新標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的動(dòng)態(tài)場(chǎng)景，諸如生-滅（birth-death），移動(dòng)傳播和高速列車場(chǎng)景。也可人工設(shè)置所有參數(shù)，這可方便實(shí)現(xiàn)用戶特定的衰落配置。

• 調(diào)制帶寬：內(nèi)置基帶信號(hào)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(dá)到±0.05dB。外調(diào)制帶寬可達(dá)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(shí)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(hào)，并通過視圖觀測(cè)生成信號(hào)的整個(gè)流程。

第三代矢量信號(hào)發(fā)生器的代表為R&S公司的SMW200A。

6. 小結(jié)

矢量信號(hào)發(fā)生器正以快速發(fā)展的勢(shì)頭迎接各類通信信息發(fā)展的需求，從矢量信號(hào)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(hào)發(fā)生器進(jìn)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(gè)階段的矢量信號(hào)發(fā)生器都首先內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)通信制式，并隨著通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展、及時(shí)更新補(bǔ)充新通信標(biāo)準(zhǔn)，自動(dòng)配置好各個(gè)參數(shù)，大大簡(jiǎn)化測(cè)試步驟，同時(shí)保證參數(shù)的正確性，可以便捷地應(yīng)用于各種現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。新一代的矢量信號(hào)發(fā)生器更配置兩個(gè)射頻通道，4個(gè)獨(dú)立基帶模塊，可在單臺(tái)儀器同時(shí)產(chǎn)生最多4路獨(dú)立的矢量信號(hào)，滿足建立有用信號(hào)加上干擾信號(hào)等復(fù)雜場(chǎng)景的需要，同時(shí)內(nèi)置衰落模擬器，模擬多條衰落通道，能夠逼真模擬場(chǎng)景，便于實(shí)驗(yàn)室特定用戶配置的科研應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

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[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(jì)量測(cè)試研究所
注：文章發(fā)表于《國外電子測(cè)量技術(shù)》2015年第3期