2021年03月11日 | 射频技术 - 信号发生器基础指南 第一部分

使用可靠的信号源消除测试结果中的不确定性和疑虑，更快地进入市场是一场激烈的角逐。为了赢得胜利，您需要拥有无可置疑的测试结果。这就是选择合适的仪器至关重要的原因。

本白皮书以信号发生器为主题，分为两部分。在本文中，我们将帮助您 深入了解信号发生器的射频技术指标，以便您在使用信号发生器时能够做出正确选择。

在本文的第 1 部分，主要介绍信号发生器及其射频技术指标，如功率、精度和速 度。我们将在第 2 部分中探讨更高级的功能，如调制、频谱纯度和失真。 相关阅读：

是德科技：射频基础知识第2部分-信号发生器基础指南zhuanlan.zhihu.com

第 1 节 关键属性 - 了解信号发生器的组成部分以及它相比其他信号源的独特之处。探索信号发生器的类型 和关键技术指标。
第 2 节 功率 - 了解平均功率、包络功率和峰值包络功率之间的区别，以及适用于高/低输出功率的测量 应用。
第 3 节 精度 - 对您的测量结果充满信心。了解为什么精度很重要，以及需要注意哪种类型的精度。
第 4 节 速度 - 对制造业来说，速度就是生命。更快进入市场，击败竞争对手。学习如何查看技术指 标。紧跟技术脚步，不要落伍。

第 1 节 — 关键属性

信号发生器种类繁多，它们拥有不同的外形，可以提供不同的功能。

图 1-1. Keysight PXIe 矢量信号发生器和分析仪。

外形：您需要的是台式仪器还是模块化仪器？

台式是许多信号发生器的传统外形。它是我们通常在工作台和机架上看到的典型框式仪 器。这种仪器配备前面板显示器和控件，能让您快速、轻松地设置和调试故障。台式信号发生器具有全面的功能，覆盖射频到微波以及模拟到矢量的范围。

图 1-2. N5182B MXG X 系列射频矢量信号发生器

另一种正在迅速普及的形式是 PXIe。PXIe 信号发生器的外形紧凑，因此通常用于需要 多个通道的应用中。第三代 PCIe 现在支持最高 24 GB/s 的系统带宽，从而提升了高性 能应用（例如采用 FPGA 流处理 streaming 方式将 I/Q 数据传输给基带发生器，或数 字预失真应用等）的测试吞吐量。PXIe 信号发生器使用的应用软件与台式信号发生器相 同，在从产品开发到制造和支持的全过程中保证了测量一致性和兼容性。

模拟、矢量和捷变信号发生器

信号发生器也根据能力进行了分类。最早的信号发生器，譬如用于测试声音设备的信号 发生器，是模拟信号发生器。模拟信号发生器的基本功能是提供连续波（CW）正弦信 号。现代的模拟信号发生器也能够进行幅度、频率、相位和脉冲调制。当今模拟信号发 生器的最大频率接近 70 GHz。

矢量信号发生器则是更新一代的信号发生器，能够进行复杂的正交幅度调制（QAM）。 矢量信号发生器采用内置正交（也称为 IQ）调制器来生成复杂的调制制式，如正交相移 键控（QPSK）和 1024 QAM。

快速扫描频率和幅度列表的能力是一个重要的属性，特别是在制造测试中。捷变信号发 生器的初衷是提高速度。这类信号发生器能够快速改变信号的频率、幅度和相位。这一 功能非常适用于大批量的无线器件测试。

图 1-3. 一个 32-QAM 调制信号。

关键技术指标概览

要为工作任务选择合适的信号发生器，您需要对性能技术指标有所了解。技术指标代 表的是信号发生器的能力，其中关键的三点是频率、幅度和频谱纯度性能。我们来分别 看一看。

频率

频率技术指标定义的是信号发生器的范围、分辨率、精度和切换速度。

• 范围指的是信号发生器可以输出的最大和最小输出频率。

• 分辨率是最小的频率变化。

• 精度是信号源的输出频率与设定频率的接近程度。

• 切换速度指的是输出稳定到所需频率的快慢程度。

图 1-4. 具有频率和幅度读数的频谱分析。

功率

功率技术指标包括范围、分辨率和切换速度。

• 范围指信号发生器的最大和最小输出功率之间的差。信号发生器的输出衰减器的设 计决定了它的范围是多大。输出衰减器允许信号发生器输出极小的信号，用来测试 接收机的灵敏度。

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• 信号源的分辨率表示可能的最小功率增量。

• 切换速度衡量的是信号源从一个功率电平变换到下一个功率电平的快慢程度。

图 1-5. 功率输出范围和输出精度示意图。

频谱纯度

频谱纯度技术指标包括相位噪声、杂散和谐波性能。

• 频谱纯度指的是输出信号的理想程度。完美的信号发生器会产生一个单一频率的 正弦波，没有噪声的存在。然而，信号发生器由非理想元器件制成，因此会产生 噪声和失真。

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• 相位噪声是正弦波中随机频率波动的结果，通常是由系统中不完美的振荡器引起。

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• 杂散是非随机的或确定性的信号，它是在混合和分割信号以获得载波频率时造成 的。这些信号可能与载波存在和谐或不和谐的关系。

图 1-6. 信号纯度测量。

谐波是在基频的整数倍处出现的杂散。谐波杂散是由信号发生器中所用元器件的非线性特征引起的。倍频器是产生大范围频率和输出功率所需用到的非线性组件。

次谐波是频率低于基频的杂散。信号源中用来扩展频率输出的倍频器是次谐波的主要来源。

图 1-7. 杂散测量

第 2 节 — 功率

信号发生器可以为各种元器件和系统测试应用提供精准而稳定的测试信号。信号发生器 有一个重要的技术指标，那就是输出功率范围。在接收机灵敏度测试中，信号发生器通常 需要输出低至 -120 dBm 的信号，在射频功率放大器测试中，信号发生器通常需要输出 高达 +20 dBm 的信号。它们需要在满足关键技术指标（如精度、频谱纯度和噪声）的同 时实现这一宽动态范围。

功率有几种类型，包括平均功率、包络功率和峰值包络功率。在详细了解每一种功率之 前，我们首先来了解一下功率的基础知识。

什么是“功率”？

功率是能量传输的速率，测量单位为瓦（W）。一瓦等于一秒钟内传输的一焦耳能量。

在直流（DC）中，功率是电压和电流的乘积。在交流（AC）中也是如此，但是对于 交流而言，电压和电流的变化会导致瞬时功率发生变化。

信号发生器的输出功率是指输出的平均功率。要得到平均输出功率，我们只需要将 P 曲线下的面积求积分，如图 2.1 所示。

图 2-1. 直流和低频功率测量。

关于 dB 和 dBm 的探讨

如果没有对 dB 标度进行探讨，那么关于功率的讨论就不能称之为完整。dB 代表分贝， 用于表示对数标度的比率。将比率转换为 dB 可以采用下面的公式：

其中，P0 是参考功率电平，P 是感兴趣的功率电平。如果 P0 是 1 mW，您将得到 dBm。 换句话说，dBm 是取 1 mW 做基准值。

为什么要使用 dB 和 dBm？当我们要表达非常大或者非常小的值时，dB 和 dBm 非常 有用。例如，10,000,000,000 的比率可以表示为 100 dB，而 0.000 000 000 1 的 比率则可以表示为 -100 dB。

使用 dB 的另一个优势是，它能够让您轻松计算总的系统增益或损耗。您只需对增益做 加法，对损耗做减法即可。这样做非常方便，特别是当您的射频系统中有多级放大器和 衰减器时。

什么是平均功率？

“平均功率”一词通常用于射频和微波系统，与之相对的是瞬时功率。瞬时功率变化 得太快，因此没有意义。平均功率是在具有最低频率分量的时间段内传递的平均能量。 功率传输始终是一个正值，不像电压和电流（可以在正负值之间波动）。

了解包络功率和峰值包络功率

在表征射频功率放大器时，您需要了解各种操作条件下的功耗。图 2.3 所示为高频调制 信号的功率测量。

包络功率是通过对一个时间段内的功率取平均值来确定的，这个时间段比具有最高调制 频率的时间段长，但比载波周期短。包络功率让您可以检查调制或瞬变条件对功耗的影 响。由于电池供电的移动器件内采用了许多射频功率放大器，因此这一点尤其重要。峰 值包络功率（PEP）是最大包络功率，它是表征发射机的重要参数之一。

图 2-3. 高频调制信号的电压包络和功率包络。上图是调制信号的电压包络。左下方图中的绿色部分是信号的瞬时功率，红色是平均功率。右下方图中红色曲线的是包络功率。

了解功率技术指标

谈到功率技术指标时，许多信号发生器的产品资料中会列出功率输出范围、分辨率和适 用的频率范围。有几点需要注意：

• 输出幅度受频率范围和工作温度的影响。

• 通常会有选件可以满足更高的输出功率需求。

• 步进衰减器提供粗略的功率衰减（步长为 5 dB）来实现低功率电平。在衰减器的保 持范围（hold range）内由 ALC（自动电平控制）提供精细的功率电平调节。

• “最大输出功率”用于连续波（CW）模式。一些产品资料中列出了 I/Q 调制的最大 输出功率。对于 Keysight MXG/EXG 信号发生器而言，功率技术指标指的是 PEP。

技巧：源匹配非常重 要，因为源阻抗和负 载阻抗之间的不匹配 会改变被测器件的有 效信号输入电平。

表 2-1. Keysight MXG/EXG 信号发生器的幅度技术指标 — 最大输出功率。

有了调制之后，问题变得有点复杂

在时域和频域内，大多数数字调制信号会出现类似噪声的情况，而峰值似乎是随机 的。您如何确定在这些峰值期间信号发生器未能达到饱和状态？功率互补累积分布函 数（CCDF）曲线可以告诉我们这些峰值能达到的高度。例如，图 2.4 中的最高峰均比 （PAR）是 5.95 dB。

如果信号发生器的最大输出功率为 18 dBm，那么信号发生器的最大功率输出可设置为 12.05 dBm（18 dBm – 5.95 dB）。请记住，信号发生器的功率输出是平均功率输 出。如果将信号发生器的输出设置为高于 12.05 dBm，那么峰值会被削减。

图 2-4. Keysight N5182B 信号发生器波形实用程序的 CCDF 图。此处显示的信号波形是符号速率为 1 Msps 的 64 QAM RRC（根升余弦）基带滤波器波形。

测量应用

如果您需要的输出功率不在这个规定范围，则可以使用放大器增大输出功率，或使用衰 减器降低输出功率。但是，您需要考虑放大器的增益不确定度和衰减器的平坦度和精 度。这里有几个高输出功率和低输出功率的测试应用。

高输出功率测试应用：

1. 降低自动测试设备（ATE）系统内的切换损耗

2. 解决长电缆内的信号衰减问题

3. 高功率放大器

4. 接收机阻塞测试

低输出功率测试应用：

5. 接收机灵敏度测量

6. 作为干扰信号

第 3 节 — 精度

避免超速罚单

未雨绸缪几个月之后，暑假终于来临。您心潮澎湃，恨不得马上就到达目的地。您在黎 明时分启程，希望能够赶在别人之前到达。与此同时，您尽量不要超过 75 英里/小时的 速度限制。您的车速表就固定在 75 英里/小时的标记上。您不想开慢了，但也不愿意 冒被开超速罚单的风险，这样会毁了您的假期。当您在公路上行驶时，您有多大的把握 车速正好是 75 英里/小时？您相信车速表吗？它的精准程度如何？

精度往往会与精准度产生混淆。信号发生器的精度是它的输出值接近设定值的程度。精准度是信号发生器输出波动的程度。高精准度的发生器输出稳定，变化很小。但是，高 精准度发生器并不一定有精确的输出。左边图 3.1 所示为精度与精准度之间的区别。

图 3-1. 精度与精准度

关键的精度技术指标

精度有两个关键的技术指标，即幅度精度和频率精度。需要多大的精度取决于具体应 用。如果您是测试无线接收机的灵敏度，其精度为 ± 4dB，则需使用幅度精度为 ± 1dB 的信号源，以便实现 4:1 的测试精度比（TAR）。

幅度精度

幅度精度是指信号发生器的输出幅度接近于设定幅度的程度。幅度精度通常在一个频率 和温度范围内指定。

由于信号发生器的输出精度会随温度的变化而降低，因此要指定温度范围。例如，当环境温度不在 20°C 至 30°C 的范围内时，N5182B的绝对电平精度会降低 0.01 dB/°C。表 2.2 所示为 N5182B MXG 信号发生器的幅度精度技术指标。

表 3-1. N5182B MXG 信号发生器的精度技术指标

技巧：为了提高进入被 测器件的信号精度，我 们可以在被测器件与测 试系统连接之处执行平 坦度校正。执行平坦度 校正可以消除由电缆和 切换损耗引起的误差。

幅度平坦度

幅度精度会影响信号发生器的频率扫描能力。在测试滤波器和功率放大器时通常 会用到频率扫描。幅度从一个频率到另一个频率的改变越小，输出就越平坦。从 一个频率变换到另一个频率时幅度的变化称为平坦度。虽然平坦度与幅度精度密 切相关，但它们并不相同。平坦度技术指标比幅度精度技术指标更为严格，它通 常是参考启动频率的幅度。图 3.2 对这一点进行了说明。

图 3-2. 幅度精度与平坦度之间的比较。

改善精度以提高良率

接收机灵敏度测试需要用到具有精确输出功率的信号源。接收机灵敏度测试可以确 定接收机是否能够检测到超过指定功率电平的弱信号。例如，4G 手机接收机的指定 灵敏度水平为 -110 dBm。如果接收机不能检测到功率电平为 -110 dBm 或更高的信 号，那么这样的接收机将不会被采用。

我们用 4G 接收机做为示例，来看一下较差的精度对测试良率的影响。假设有一个信号 发生器，它的幅度精度为 ±5 dB。为避免过度接受（或误报）的情况出现，我们把信号 发生器的输出设置为 -115 dBm。功率电平为 -115 dBm 时，信号发生器的输出功率 将在 -110 dBm 到 -120 dBm 之间变化。在图 3.3 中可以看到，使用此信号发生器的 话，您会无意中拒绝具有临界性能的四个完好的接收机。

理想的信号发生器

图 3-3 较差的幅度精度对测试良率的影响

要提高测试良率，您只需使用更精确的信号发生器。使用幅度精度技术指标为 ±1 dBm 的信号发生器，我们把它的输出设置为 -111 dBm。图 3.4 可见，之前测试过的同样六 台接收机中的四台现在通过了灵敏度测试。通过使用更精确的信号源，我们将误报减少 了 75%。

更精确的信号源的成本可能会更高。然而，从长远来看，提高良率将使投资成本更快地 得到回报。

图 3-4. 提高幅度精度对测试良率的影响。

频率精度

号发生器的频率精度受两个主要因素的影响，即参考振荡器的稳定性和信号源自上一 次校准以来的时间。虽然温度和线路电压也会对频率稳定性造成影响，但其影响要比老 化效应的影响低几个量级。因此，要注意的关键技术指标是参考振荡器的老化率。

信号发生器中使用的典型参考振荡器具有每年 0.152 ppm 的老化率。具有该参考振荡 器的 10 GHz 信号发生器如果在过去一年未曾校准，则其频率精度为 ±1.52 kHz。算法如下：

频率精度（Hz）= 输出频率（Hz）x 老化率（ppm/年）x 自上次校准以来的时间

= 10 GHz x 0.152 ppm/年 x 1（年）

= 1.52 kHz

表 3.2. N5182B MXG 信号发生器的精度技术指标。

频谱是一种有限的资源

蜂窝 4G 信道间隔很窄，难以增加数据带宽。因此，4G 接收机必须能够在抑制来自相邻信道干扰的同时处理弱信号。邻道选择性（ACS）测试测量的是接收机在其指定信道接收信号，并且同时拒绝相邻信道的强信号的能力。

这个测试用到了两个信号发生器。第一个信号发生器以高出接收机灵敏度的信道内频率输入测试信号。第二个信号发生器输出一个相邻信道信号。信道外信号的输出增加，直到接收机的灵敏度降低到规定的水平。

在 ACS 中，测试的频率精度和干扰信号很重要。较差的频率精度会使得信号之间以及信号与滤波器之间不是距离太近就是距离太远。例如，假设您想在两个 200 MHz 中心频率的信号之间设置 1 KHz 的间隔，而信号源的老化率为 ±1 x 10-6/年。那么， 信号源的频率误差将会是 200 MHz x 1 x 10-6，即 ±200 Hz。于是，该间隔可能是 600 Hz 到 1400 Hz 之间的任何一个值，如图 3.5 所示。

最好的情况是，这样会导致误报；而最坏的情况是，这样会导致漏报不符合标准的接收机。

图 3-5. 频率精度对相邻信道选择性测试的影响。相对于两个相邻信道之间的 1 kHz 间隔，我们知道它的间隔从 600 Hz 到 1400 Hz 不等。

第 4 节 — 速度

您的上级向您走来。他看起来忧心忡忡。他靠到了您的办公桌上。他刚刚与负责制造的 副总裁开完会。副总裁希望制造费用降低 25%，而您的上级要在本周末之前交出一份提 案。上级需要您的帮助。

测试不是一个增值活动，就如同质量控制中的检查一样。在理想的情况下，产品在制 造完成后应当按设计意图起作用。但是，事情从来就不是理想的。因此，我们仍然需 要测试。

而测试需要花钱，很多很多钱。测试的时间越短，测试的成本就越低。因此，信号发生器的测试速度在制造中非常重要。那么，什么才是快速的信号发生器？

快速的信号发生器能让您迅速地从一个频率切换到另一个频率，从一个幅度切换到另一个频率，或者从一个波形切换到另一个波形。速度以毫秒为单位。图 4.1 所示为 N5182B MXG 信号发生器的频率切换速度技术指标。

表 4.1. N5182B MXG 信号发生器的切换速度技术指标。

1. 从接收到 SCPI 命令或触发信号至达到最终频率的 0.1 ppm 或 100 Hz 以内的时间，取两者 中的较大值。

2. 在内部通道校正功能开启时，利用列表模式和 SCPI 模式所缓存的频率点测得的频率切换速度 < 1.3 ms。SCPI 模式下的起始频率点的频率切换时间 < 3.3 ms（测量值）。仪器将自动缓 存最近使用的 1024 个频率。单纯的幅度变化不会影响测量速度。

3. 技术指标仅在状态寄存器更新关闭时适用。为遵守出口管制要求，达到最终频率 0.05% 范围内 的连续波切换速度应为 190 µs（测量值）。

影响速度的因素

切换速度受变化类型和命令来源的影响。技术指标中的时间指的是发送一个命令之后， 信号发生器的输出稳定下来所需的时间。显示的速度指标针对的是最坏的情况。典型的 切换时间最多会再快 40%。

图 4-1. 列表扫描配置表

当信号发生器设置为一个新频率时，频率合成器会把输出更改为所需频率。然后，输 出放大器将会调整功率电平，使得输出功率在新频率下保持不变。实际上，频率切换需 要频率合成器和输出放大器同时做出改变，这就是频率切换通常比幅度切换慢的原因。

在进行切换时，命令处理占用了大部分的时间。图 4.2 所示为处理一个 SCPI 命令请求 的时间分量。

为了加快切换速度，请使用列表/步进扫描模式，而不是发送单独的 SCPI 命令。在扫 描模式下，频率、功率和波形状态已预先获知，并且下载到了信号发生器中的非易失性 存储器中。信号发生器能够接连不断地对状态进行排序。扫描模式下的典型切换时间为 600 μs 至 800 μs，而 SCPI 模式下的切换时间为 2 ms。

某些信号发生器提供了高速切换选件。例如，N5182B 具有 UNZ 选件，可提供亚毫秒 级的切换速度，非常适用于进行大批量生产的测试环境。

图 4.2. 信号发生器中的 SCPI 命令处理时间

从什么时候开始,测试速度对无线制造变得如此重要

就在不久之前，只需要减少测试点的数量就能缩短测试时间。如今这种策略不再奏 效。现在，由于现代无线器件中内置了更多功能，因此需要对它们进行更多测试。连 接功能在扩展，不仅包括语音，还包括各种数据连接，如 RFID、蓝牙（Bluetooth®）、 LTE、UWB 和 5G。这些模式需要在多个通道上以不同的功率电平，使用真实波形进行 测试和验证。您也在不断寻找提高测试吞吐量以降低成本的方法。要实现这一点，您需 要提高速度。

这里有几个制造场景，其中速度起着很关键的作用：

• 广播接收机测量 — 包含广播信号接收机的无线器件，广播信号包括调频立体声、GPS 或要求性能验证的数字视频。在某些情况下，这可能是简单的接收机灵敏度测量， 而在其他情况下，可能需要进行误码率（BER）测量。无论是哪一种情况，都需要 对频率、幅度和波形进行快速切换。

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• 多波形测试 — 许多自动测试程序需要多个波形，例如，通过具有不同波形类型的放大器测量失真或验证可变自适应数据速率系统（如 8PSK 和 QPSK）的功能性。

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• 增益压缩测试 — 可以通过改变输入功率来测量放大器的增益压缩。通过使用迭代测量来放大具体的增益压缩点，可以对精确的增益压缩点（如 1 dB 增益压缩）进行测量。

图 4-3. 一个复杂的射频设计验证测试系统。

先进的电子战

电子战（EW）指的是利用电磁频谱来阻止雷达感测和无线通信，并防止这些攻击。为 了设计高效发挥作用的电子战系统，测试用的信号必须要能够准确、可重复地再现实际 电子战环境。多发射机环境的仿真对于确保逼真的和有代表性的测试至关重要。这种多 发射机环境通常采用复杂的大型定制测试系统来进行仿真，而这些测试系统主要是用于 系统验证和认证阶段。

电子战系统的验证和认证十分受制于使用逼真的信号环境进行测试。由于加入了高保真 发射机来提高密度，电子战测试的逼真度也随之增加。除了发射机保真度和密度之外， 平台移动、发射机扫描模式、接收机天线模型、到达方向以及多径和大气模型都会提升 测试电子战系统在真实条件下的能力。

电子战系统现在设计用于在每秒 800 万到 1000 万个脉冲的密集环境内使用精确的测 向和脉冲参数来识别发射机。现代频谱环境中存在成千上万个发射源，有射频，有无线 器件，还有成百上千的雷达威胁，它们会在背景信号和噪声中产生每秒几百万个雷达脉 冲。威胁频谱的概述如图 4.3 所示。

图 4-4. 电子战仿真中使用的威胁频谱示例

总结

无线器件中集成了越来越多的功能，需要在更多条件下进行具有更多设置的测试。 无线器件包含多个无线标准、多个频段和多个天线。这给验证和生产测试带来了巨 大的挑战。测试工程师一直在寻找提高测试吞吐量和降低成本的方法。一旦配备了 快速切换功能，在大多数情况下，这些信号发生器能在不到 1 毫秒的时间内切换频 率、幅度或波形。

第 1 部分的结论

本文第 1 部分的内容到此结束。我们希望您对信号发生器的基本技术指标有了 很好的了解。在第 2 部分中，我们将讨论更多高级主题，如调制、频谱纯度、失 真和软件。学习不同类型的调制方案，并对谐波和杂散做更深入的了解。我们将分享为什么失真并不总是一件坏事，以及如何使用最新软件来提高您的工作效率。