信号源在射频测试领域是极为常用且关键的设备。它具备自行调节信号的频率、功率以及调制样式的功能，广泛应用于芯片测试、整机测试以及电磁兼容（EMC）测试等，几乎所有射频测试都离不开它的支持。下面我们将先对模拟信号源进行介绍，随后再深入探究矢量信号发生器。
一、模拟信号源
1. 什么是模拟信号源
尽管如今手机和 5G 通信广泛采用数字调制技术，但纯模拟信号在许多场景中仍不可或缺。在芯片基础指标测试方面，如增益、线性度和带宽的测量，模拟信号源发挥着重要作用；对于 ADC 模数芯片和老式模拟接收机的测试，它同样是关键工具；并且在所有 EMC 抗干扰测试中，模拟信号源也占据着地位。另外，在航空和军工雷达的部分应用场景中，模拟源也是选择。与矢量信号源相比，模拟信号源有两大显著优势：一是体积小、价格低；二是输出信号更为纯净，频谱质量更高。
2. 信号源三大指标
频率指标：涵盖和输出频率、频率的准确性、稳定性以及调频后达到稳定所需的时间。频率精度指的是设置某一频率（如 1GHz）时，实际输出是否恰好为该设定值；频率漂移则是开机一段时间后，频率出现的偏移程度；建立时间是指改变频率后，信号达到稳定状态所需的时长。
功率电平指标：包括功率范围，即能输出的弱和强信号的功率值；功率精度，也就是设置某一功率（如 -10dBm）时，实际输出功率与设定值的偏差。此外，功率线性度以及多次输出功率的一致性也非常关键。
频谱干净度（信号纯净程度）：信号源会产生各种多余杂波，其优劣主要通过以下几个方面来衡量。相位噪声表现为信号瞬时频率的抖动，噪声过大时会干扰通信；宽带底噪是仪器自带的连续噪声基底；谐波是在 2 倍、3 倍主频处出现的多余信号；杂散则是各种随机出现的零散干扰信号。总体而言，在信号纯净度方面，模拟信号源通常优于矢量信号源。
3. 连续波（CW）信号
连续波（CW）信号是所有射频信号源基础的信号形式，它是不带任何调制的纯载波。CW 信号仅有频率和输出功率两个可调参数。优质的 CW 信号具有干净、无杂波的特点，在许多场景中都有重要用途，例如替代设备里的本振以及测试模数转换器（ADC）等。在测试过程中，若需要不断改变信号的频率或功率，可以采用列表模式或扫频模式。列表模式能够在提前设定的多组参数之间来回切换；扫频模式则可使频率或功率在设定的区间内连续变化。
4. 基础模拟调制
模拟信号源能够生成三种基本的模拟调制信号，即调幅（AM）、调频（FM）和调相（PM）。尽管如今数字调制信号广泛应用，但模拟调制在各类通信设备中仍然大量使用。调频（FM）常用于很多手持对讲机，它具有较强的抗噪声能力，即使搭配非线性功放，信号失真也较小；调幅（AM）则是航空通信统一采用的调制方式，同时部分 EMC 测试也规定使用调幅信号。
5. 基础脉冲调制
脉冲调制属于一类特殊的模拟调制方式。绝大多数模拟信号源可以通过控制射频载波的通断，按照设定的时间间隔输出基础脉冲信号。这种脉冲内部的射频载波保持不变，频率、功率和相位在整个过程中都不会发生变化，即无调制脉冲。模拟信号源依靠内部脉冲模块，默认输出固定间隔和固定脉宽的脉冲；部分机型还能够读取自定义参数列表，或者外接外部脉冲信号，从而灵活改变脉宽和脉冲间隔。然而，如果要生成时序更复杂、带调制的脉冲（如线性调频脉冲、多相位脉冲），则需要使用矢量信号源。矢量信号源生成脉冲的方式更为多样，它可以通过内置脉冲源、外部触发输入等方式，还能编辑一长串脉冲序列并存储为任意波形文件直接输出。
二、矢量信号发生器
1. 什么是矢量信号
普通模拟信号仅关注信号幅度的大小，属于单一标量；而矢量信号同时包含幅度和相位两个信息，是复数形式的信号。例如，可以设置 4 种信号状态（符号），它们的幅度相同，但相位各不相同。每一组幅度和相位的搭配，都能对应一组的 2 比特数据。在发射时，通过切换这四种组合，就可以传递不同的比特信息。目前，几乎所有数字通信制式，如 4G LTE、5G NR、各类 WiFi（802.11）、蓝牙等，都采用矢量调制技术。而且，为了传输更多比特，实际通信中会使用远多于 4 种的信号状态。由于矢量信号同时携带幅度和相位信息，因此矢量信号源需要一长串幅度和相位数据才能生成对应的信号。通过基础三角换算，幅度和相位可以转换成 IQ 两路信号，其中 I 路为同相实部信号，Q 路为正交虚部信号。使用 IQ 来描述矢量信号，能够极大地简化数字调制信号的生成与分析工作。
2. 聊聊 IQ 信号
矢量信号源依靠 IQ 数据来生成矢量信号，输入 IQ 数据有以下几种方式：
仪器内部实时生成 IQ 数据：在自定义数字调制、GPS 卫星导航信号等场景中，仪器能够当场实时计算出 IQ 波形，通常会搭配循环码或者伪随机码使用。
仪器内部预生成 IQ 数据：对于 4G、WiFi 等通信制式，仪器不会实时计算 IQ 数据，而是会提前按照帧、子帧周期计算好一段 IQ 数据，并进行循环输出。
导入外部 IQ 波形文件：可以使用软件或 MATLAB 提前编写好 IQ 数据，并将其存储为任意波形（ARB）文件，然后导入信号源进行播放。
外部设备直灌 IQ 数据：外接模拟或者数字设备，能够实时向信号源传输 IQ 信号。业内常说的基带，指的就是还没上变频到射频的原始 IQ 信号。
3. 信号源带宽
矢量信号源的带宽是指它能够不失真输出的信号频宽，单位为 Hz，这一参数由仪器的硬件设计决定。例如，要输出 10MHz 带宽的 LTE 信号，信号源的带宽至少要大于或等于 10MHz。老款矢量源的带宽大多在几十到一两百 MHz 之间；而 5G NR、新一代 WiFi 等新技术需要几百 MHz 甚至接近 1GHz 的大带宽。在选型时，带宽是一个关键指标，不仅要满足当下的测试需求，还需要预留一定的余量以适配后续的新项目。
4. 信号源带内平坦度
生成宽带矢量信号存在一个难点，即在宽频带内或者切换输出频率时，要保证信号功率均匀稳定。平坦度指的是调制信号在整个带宽内，各处幅度的起伏大小。信号带宽越宽，就越难保证平坦度；如果平坦度较差，信号中各处的功率会忽高忽低，接收机在解调时会出现严重的调制误差。目前有两种平坦度校准方案：一是外接设备单独校准，这种方法每次更换频率都需要重新进行校准流程，非常耗时；二是仪器内置功率检测与自动补偿电路，这是目前的主流方案，速度快，并且在切换频率时也能持续维持平坦度。此外，信号从信号源输出后，线缆和测试夹具也会破坏到达被测件的信号平坦度。我们可以导入自定义频响补偿数据，仪器会实时修改基带 IQ 信号，以抵消链路带来的幅度和相位偏差。补偿参数一般通过矢量网络分析仪测量 S 参数、功率计或者频谱仪采集得到。
5. 矢量信号发生器适用场景
只要需要矢量调制信号，就离不开矢量信号源。它在无线通信、数字广播电视、GPS 等卫星导航系统测试中都有广泛应用。同时，矢量信号源能够生成复杂脉冲和带调制脉冲信号，还支持多路信号同步输出，可用于仿真 MIMO 多天线、波束成形系统。此外，矢量信号源还有一大优势，即可以人为叠加各类信号损伤，如噪声、干扰信号、信道衰落等，模拟真实的空中环境，从而充分验证接收机的实际工作性能。
6. 矢量信号发生器内部三大模块
矢量信号源主要由基带模块、IQ 调制模块和射频模块三大部分组成。基带模块负责内部生成 IQ 数据，或者读取外部导入的 IQ 波形文件；IQ 调制模块将基带 IQ 信号上变频，转换成射频信号；射频模块则用于设置输出信号的频率、功率等射频参数。需要补充的是，矢量信号源虽然也能输出 AM、FM 等纯模拟调制信号，但与专用模拟信号源相比，其输出信号的频谱纯净度会稍差一些。
7. 基带部分
基带是指还没经过 IQ 调制器升频成射频信号的原始 IQ 数据。获取基带 IQ 数据有以下几种途径：
外部实时输入：模拟或者数字格式的 IQ 信号可以直接送入仪器。
任意波形 ARB 文件导入：可以通过网线、U 盘 把波形文件存储到仪器的波形内存中，文件可以在仪器操作界面设置调制参数后直接生成。
仪器内部实时生成：内置实时波形发生器，能够按需输出一段连续的 IQ 数据。单路基带同一时间只能处理一组 IQ 数据源；不少矢量信号源配备多路基带，各路可以单独输出信号，也能叠加合成一路。
7.1 IQ 输入与输出
在大部分测试场景中，可以通过 ARB 波形文件产生矢量信号，也能外接模拟或数字 IQ 信号给信号源。例如，外部基带任意波形发生器可以输出 IQ 信号给本仪器；或者把现场采集存储好的 IQ 数据流输入信号源，回放复现当时的射频信号。模拟 IQ 信号一般使用 BNC 接口，数字 IQ 则使用专用高速接口。矢量信号源的主要功能是输出射频信号，但大多数机型也能通过这些接口，直接对外输出基带 IQ 原始信号。
7.2 ARB 任意波形文件
ARB 文件中存储的是提前计算好的 IQ 数据，而不是仪器现场实时生成的。顾名思义，ARB 文件具有极高的自由度，只要将对应的 IQ 数值写入文件，就能生成任意样式的信号。然而，它的短板是受内存限制，波形的总长度以及能连续输出的信号时长，取决于仪器波形内存多能存储多少组 IQ 数据。ARB 文件有两种制作方式：一种是使用编程工具手动计算 I、Q 数值，但这种方法门槛较高，需要精通信号处理和对应调制标准，并且费时费力；另一种是使用仪器厂商配套的上位软件，该软件带有可视化界面，只需填好调制参数就能一键生成波形，这也是常用的方式。此外，也可以在仪器本机直接生成 ARB 文件，不用外接电脑，在信号源屏幕界面选择调制制式、设置各项参数，就可以直接生成波形。生成好的波形既可以立刻播放，也能存储为文件后续调用。像 4G、5G、WiFi 这类通信标准都有固定的帧结构，波形的单元就是一帧或子帧。信号源播放波形有多种模式，如只播放、无限循环播放、收到外部触发再播放等。很多测试需要同步信号来标记波形播放进度，这可以通过标记信号（Marker）实现。Marker 是一路对外触发输出，例如每帧开头输出一个脉冲，告知接收机当前帧已经开始。Marker 一般通过 BNC 线连接被测设备。
7.3 实时信号生成
ARB 文件能够生成复杂的标准信号，但数据固定、持续时间较短，大多只有几秒以内。矢量信号源还有另一种模式 —— 实时信号生成。操作流程为：先选定调制方式（如 FSK、PSK、QAM 等），设置符号速率、滤波等参数，再配置发送比特流。比特来源有三种：导入比特文件、固定循环码（如 01 交替）、伪随机码（PRBS）。PRBS 看起来杂乱无章，但实际上是有规律、会循环的固定序列。在实时模式下，仪器一边计算 IQ 数据一边输出，不用提前存储整段波形，不受内存长度限制，可以持续输出超长信号，占用内存也很小。其典型的用途是误码率测试，即发送已知比特序列，让接收机统计收错比特的比例。实时生成还有一大重要用途是仿真卫星导航系统（GNSS），如美国的 GPS、俄罗斯的格洛纳斯（GLONASS）、中国的北斗等，这类系统能为设备提供定位和授时信号。在测试导航接收机时，矢量源需要长时间仿真多颗卫星同时发出的信号。导航接收机搜星锁定信号往往需要几分钟，完整的跟踪测试甚至要连续进行几小时、几天。而且导航卫星不是静止定点卫星，每颗卫星信号都会实时动态变化，信号强弱会改变，还会产生多普勒频移（频率偏移）。如果只用短短几秒固定的 ARB 波形文件，顶多只能测试一下接收机灵敏度这类简单的射频指标，根本无法完成完整的导航测试。但实时生成模式不同，只要输入卫星轨道、当前时间、接收机位置等参数，矢量源就能无限持续输出贴合真实环境的多星混合导航信号，完整模拟整套卫星星座。
8. IQ 调制器
矢量信号源依靠 IQ 调制器将 I、Q 两路基带信号转换成射频信号。IQ 调制的原理是将信号分成独立的 I 支路和 Q 支路两路，分别与本振信号混频；其中 Q 支路的本振相位偏移 90°。90° 的相位差使得 I、Q 两路信号相互正交、互不干扰，叠加输出后不会互相串扰。接收机端会反向执行这套流程，分离还原出原始的 I、Q 数据。
9. 射频模块
IQ 基带只承载调制波形信息，不包含信号频率和输出功率参数，这部分由射频模块负责设置。射频模块的功能包括：设定输出射频信号的频率和功率；支持 AM、FM、PM、基础脉冲等各类模拟调制；可按设定列表跳频 / 跳功率，或进行连续扫频、扫功率。
10. 信号失真模拟
除了基带、IQ 调制器和射频三大基础模块外，多数矢量信号源机型还内置信号损伤叠加功能。可以人为地给信号叠加各类真实信道缺陷，如信道衰落、多种噪声、外部干扰、IQ 通路失真等。这些损伤模拟了真实空中、线缆传输带来的信号失真效果，在射频设备研发、整机测试、故障调试中非常关键。矢量信号源能模拟四种主流基带信号失真：
加性高斯白噪声（AWGN）：AWGN 用于模拟现实环境中普遍的噪声。“加性” 表示噪声直接叠加在有用信号上，在基带端添加噪声比在射频端操作更简单，调节精度也更高；“白噪声” 意味着全频段内噪声功率均匀，每个频点的噪声大小一致；“高斯” 表示噪声幅度随时间变化符合正态分布（钟形曲线）。仪器可以精准设定噪声大小，自由控制信噪比（SNR），多用于接收机灵敏度测试、误码率测试等场景，还能单独输出纯噪声信号，其带宽和功率均可自定义。
连续波（CW）干扰信号：矢量信号源还能生成连续波干扰，即不带任何调制的单频载波。主要用于接收机阻塞测试，验证接收机在旁边存在干扰信号时，能否正常接收和解调有用信号。这个干扰频点可以设置在有用信号相邻频段，也能直接落在有用信号带宽内部；干扰功率也能自由设置，与有用信号形成任意功率差。如果不使用仪器内置功能，就需要额外增加一台信号源才能输出干扰；而在基带内部直接生成 CW 干扰，频点和功率调节更精细，还无需额外增加一套射频硬件设备。
脉冲噪声：AWGN 噪声幅度只是小幅随机起伏，不会完全消失；而脉冲噪声是一阵一阵爆发式的干扰，断断续续出现。现实中脉冲噪声来源众多，如汽车火花塞打火、各类电机运转产生的无意干扰，以及雷达、部分数字信号主动发射的脉冲能量等。矢量信号源可以自定义脉冲噪声的脉宽、脉冲个数和脉冲间隔，并叠加到基带信号中。与添加高斯白噪声同理，依靠仪器内置脉冲噪声功能，不用额外设备就能模拟真实复杂的干扰环境，方便接收机测试。
相位噪声：相位噪声是指信号频率在短时间内出现微小随机抖动。理想无抖动的固定频率信号，在频谱上是一根干净的细谱线，在时域上是平滑稳定的正弦波；一旦存在相位噪声，频谱会向两侧长出拖尾，时域波形会出现晃动。完全无相位噪声的设备是不存在的，但相位噪声过大就会引发各类故障。
