射频技术 - 信号发生器基础指南第一部分-EDA365

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射频技术 - 信号发生器基础指南第一部分

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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。
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。
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。
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。