矢量信號發生器

矢量信號發生器是為不斷滿足通信技術發展的數位化需求而出現的新型信號發生器，它將通信中的數字調製技術引入信號發生器技術領域，為通信設備的測試提供了必要的條件。

基本介紹

• 中文名：矢量信號發生器
• 類型：一種信號發生器
• 用途：整機測試以及整部件級的測試
• 套用領域：通信測試領域

基本概念

在通信領域，由於通信業務的增長每一天都有更多的用戶需要占用新的頻譜，而可用的頻譜資源是有限的，因此必須儘可能提高系統單位頻寬傳輸的信息量。數字調製與模擬調製技術相比，可帶來更大的信息容量、更好的兼容性、更高的數據保密性、更好的通信質量。因此，近年來數字調製技術在通信領域得到大量套用。矢量信號發生器就是為不斷滿足通信技術發展的數位化需求而出現的新型信號發生器，它將通信中的數字調製技術引入信號發生器技術領域，為通信設備的測試提供了必要的條件。

數字調製可以採用許多不同的形式。矢量調製是產生數字調製信號的 最佳方案。傳統的模擬調製方案使用幅度調製或者角度調製，調製器用於改變載波的角度(頻率或者相位)或者幅度，但禁止同時改變載波的角度和幅度。與傳統調製方案不同的是，矢量調製方案允許一個調製器同時控制幅度和相位。這種調製通常用I/O坐標圖來描述，因此矢量調製也被稱為I/O調製，矢量調製器也被稱為I/O調製器。

基本工作原理

最早矢量信號發生器出現於20世紀80年代，採用中頻矢量調製方式結合射頻下變頻方式產生矢量調製信號。這種方案的基本構成框圖如圖1-1所示。頻率合成單元產生連續可變的微波本振信號和一個頻率固定的中頻信號。中頻信號和基帶信號進入矢量調製器產生載波頻率固定的中頻矢量調製信號（載波頻率就是點頻信號的頻率），此信號和連續可變的微波本振信號進行混頻，產生連續可變的射頻信號。射頻信號含有和中頻矢量調製信號相同的基帶信息。射頻信號再由信號調理單元進行信號調理和調製濾波，然後被送到輸出連線埠輸出。

圖1-1 點頻矢量調製方案框圖

點頻矢量調製方案由於其調製方案簡單易行而獲得了各大儀器公司的青睞，早期的矢量信號發生器都是基於此方案設計的，甚至直到現在仍然有不少產品採用這種方案。

隨著半導體技術的發展，寬頻矢量調製器設計技術日益成熟，出現了以寬頻矢量調製器為基礎的矢量信號發生器。這種方案的基本構成框圖如圖1-2所示。由於寬頻矢量調製器工作頻率範圍的限制，實際套用中還要和射頻/微波變頻方式相結合。

圖1-2 寬頻矢量調製方案框圖

矢量信號發生器的頻率合成子單元、信號調理子單元、模擬調製系統等方面和普通信號發生器是相同的。矢量信號發生器和普通信號發生器的不同之處在於矢量調製單元和基帶信號發生單元。

1、 矢量調製單元

所謂數字調製就是將需要傳送的信息進行數字量化，轉換成一串二進制代碼，然後利用載波的某些幅度值或相位值分別代表這些代碼來傳送信息。

和模擬調製一樣，數字調製也有三種基本方式，即調幅、調相和調頻。極坐標圖中的不同調製形式如圖1-3所示，幅度是到圓心的距離，而相位是傾角。幅度調製只改變信號的幅度。角度調製只改變信號的相位。幅度調製和角度調製可以同時發生。

圖1-3 極坐標表示的調製

在數字調製中，經常用參數I和Q來描述，也就是其極坐標圖的直角坐標表示。在極坐標系中，定義I軸沿0°相位方向，Q軸則旋轉90°(圖1-4)。信號在I軸的投影就是它的I分量，在Q軸的投影就是Q分量(圖1-4)。

圖1-4 I/Q方式

I信號、Q信號、載波信號的合成是通過矢量調製器實現的。矢量調製器的原理示意框圖如圖1-5所示。一個矢量調製器通常包含四個功能單元：本振90°移相功分單元將輸入的射頻信號轉換成正交的兩路射頻信號；兩個混頻器單元將基帶同相信號和正交信號分別和對應的射頻信號相乘；功率合成單元將相乘後的兩路信號求和並輸出。一般所有輸入輸出連線埠都內部端接50Ω負載並採用差分信號驅動方式，以降低連線埠回波損耗和提升矢量調製器的性能。

圖1-5 矢量調製器原理示意圖

基帶信號通路和矢量調製器都不可能是理想的，針對不同的矢量調製器往往還需要設計不同的驅動電路，以提高矢量調製質量。常用補償有驅動增益誤差補償、驅動偏置電壓補償、IQ正交誤差補償等。需要注意的是，在使用矢量信號發生器時，如果使用儀器外部的基帶信號，也可以適當調整這些補償參數抵消外部基帶信號的誤差，以得到更高調製質量的數字調製信號。

2、 基帶信號發生單元

基帶信號發生單元用於產生需要的數字調製基帶信號，也可以將使用者提供的波形下載到波形存儲器中用於產生使用者定義的格式。基帶信號發生器通常由突發脈衝處理器、數據發生器、碼元發生器、有限衝擊回響(FIR)濾波器、數字重取樣器、DAC和重構濾波器組成（圖1-6）。

圖1-6 基帶信號發生器原理框圖

主要技術指標

矢量信號發生器除了具有普通信號發生器相同的技術指標外，一般還具有以下技術指標。

1、 調製頻寬

表示矢量信號發生器I/Q調製的頻率回響情況。一般是指在單音信號單邊帶調製情況下，載波信號功率相對未調製時載波信號功率變化在3dB範圍內的3dB頻寬。此項指標決定了矢量信號發生器所能允許輸入在基帶信號的最高頻寬。

2、 數字調製格式

PSK（相移鍵控）一般包括BPSK、QPSK、OQPSK、π/4DQPSK、8PSK、16QPSK、D8PSK。FSK（頻移鍵控）一般包括2FSK、4FSK、8FSK、16FSK、MSK。QAM（正交調幅）一般包括4QAM、16QAM、32QAM、64QAM、128QAM、256QAM。

3、 矢量調製準確度

矢量調製準確度表示矢量調製信號的質量，一般有以下幾種表示方式：誤差矢量幅度、幅度誤差、相位誤差、原點偏移。圖1-7給出了這些技術指標在I/Q坐標圖中的表示。

圖1-7 EVM及其相關參數

誤差矢量幅度（EVM）：指在I/Q星座圖中，信號的實際位置（以位置矢量表示）偏離理想位置（以位置矢量表示）所造成的誤差矢量的幅度。

幅度誤差：信號的實際功率和理論功率之間的差值。在1/Q星座圖中，指信號的實際位置矢量的幅度和理想位置矢量的幅度之間的差值。

相位誤差：信號的實際相位和理論相位之間的差值。在I/Q星座圖中，指信號的實際位置矢量的相位和理想位置矢量的相位之間的差值。

原點偏移：指I/Q輸入為0時載波功率相對於I/Q輸入為滿量()時信號功率的差值。此技術指標代表了載波饋通功率的大小。

典型套用

矢量信號發生器基本套用是在通信測試領域作為簡單的數字調製信號發生設備進行整機測試以及整部件級的測試。圖1-8和圖1-9分別給出了部件測試和接收機測試的示意圖。

圖1-8 部件測試示意圖

一台高性能的矢量信號發生器還需要配備靈活的基帶信號發生器，提供產生任意波形信號的功能，這樣就可以結合計算機實現複雜的信號模擬，比如模擬複雜雷達脈衝信號、多載波信號、多徑衰落信號、頻率捷變信號等。圖1-10給出了產生複雜信號示意框圖。

圖1-9 接收機測試示意圖

利用矢量調製器的幅度控制功能，矢量調製信號發生器還可以提供寬頻的幅度調製，其3dB頻寬一般可以達到幾十兆赫，目前最高的已經達到了1000MHz以上，而普通合成信號發生器的幅度調製頻寬往往不到1MHz。

圖1-10複雜信號的產生示意圖