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信号是运载消息的工具，是消息的载体，通常包括光信号、声信号、电信号等。例如，人们在马路上遇见红绿灯，知道红灯停、绿灯行，这就属于一种光信号；下课铃声响了，同学们听到声音就知道下课时间到了，这属于声信号；生活中常需要用到的Wi-Fi信号、电话线中传播的信号都属于电信号。人们通过光信号、声信号、电信号等才能得到指示或信息。
在无线通信测试中，我们常需要用到电信号，其可以通过幅度、频率、相位等的变化来表示不同的信息。电信号又可分为模拟信号和数字信号，如图2-1和图2-2所示。模拟信号将连续变化的物理信号（比如说话的声波）直接转换为电信号的连续变化，而数字信号是不连续的、离散的信号。模拟信号和数字信号之间是可以进行转换的。例如，模拟信号经过采样、量化、编码即可转换为数字信号。
图2-1 模拟信号
图2-2 数字信号
一个完整的测试系统一般包括3部分：激励源、被测件和采集仪器。例如，工程师在研发、测试或调试电路及设备时，为测定电路的一些电参量，如频率响应、噪声系数等，都要求提供符合技术条件的电信号，此时就需要信号发生器来发出电信号，模拟在实际工作中待测设备（device under test，DUT）的激励信号。
信号发生器也被称为信号源，用于产生具有一定特性的电信号，是无线测量和测试中常用的仪表。信号发生器可以分为函数/任意波形发生器（arbitrary waveform generator，AWG）、模拟信号发生器和矢量信号发生器等。其中，函数/任意波形发生器主要用于产生通信中的基带信号和各种电气信号；模拟信号发生器主要用于生成连续波，模拟调幅、调频、调相等信号；矢量信号发生器能够生成各种数字调制信号，如无线通信中常用的四相移相键控（quaternary phase-shift keying，QPSK）信号、正交振幅调制（quadrature amplitude modulation，QAM）信号等，较先进的矢量信号发生器能产生符合无线通信协议要求的信号。随着现代信号发生技术的进步和仪器的多功能集成化，各类型的信号发生器有融合发展的趋势。
本章所述中，凡是产生测试电信号的仪器，都可以称作信号发生器。现代信号发生器大多基于数字技术，许多信号发生器既可以输出模拟信号又可以输出数字信号，但是在专业测试方案中，往往都使用专门的信号发生器，因此分成了许多类型及版本，大致包括基带信号发生器、任意波形发生器、模拟信号发生器和矢量信号发生器等。
在有的工程场合，对信号发生器会有更多类型的细分，表2-1所示为几种常见的信号发生器及其特点和应用。
表2-1 几种常见的信号发生器及其特点和应用
基带信号发生器（baseband signal generator，BSG）的主要作用是产生基带调制信号，如幅移键控（amplitude-shift keying，ASK）信号、相移键控（phase-shift keying，PSK）信号、频移键控（frequency-shift keying，FSK）信号、QAM信号等。此外，基带信号发生器还被广泛应用作矢量信号发生器中的基带发生单元。为什么要对基带信号进行调制之后再发射？通常原始电信号具有频率很低的频谱分量，由于频谱划分和天线有效收发两方面的原因，不能直接在信道中进行传输，因此需要将原始电信号转换成适合信道传输的信号，再进行传输；通过调制信号可以对多个基带信号进行频谱搬移，从而实现高效的频谱利用，传输数据量更大。扩频调制也可以扩展无线通信信号的带宽，提高抗干扰和抗衰落的能力。
首先介绍3种基本的数字调制方式，即ASK、PSK、FSK。数字信号对载波信号的振幅调制称为ASK。载波信号幅度是随着调制信号而变化的。调制信号为二进制数字信号时（即二进制数字调制时），载波在二进制控制下通断，可称为通断键控（on-off keying，OOK）或开关键控。在2ASK调制中，需要载波信号幅度的两个电平表示2个不同的符号，即0和1；在4ASK调制中，需要载波信号幅度的4个电平表示4个不同的符号，即00、01、10、11。进制越大，相同频带内可以传输的数据就越多，频带利用率越高。
数字信号对载波信号的相位偏移调制称为PSK。在二进制相移键控（binary phase-shift keying，BPSK）中，载波的相位随调制信号1或0而改变，通常1和0代表的相位差为180°。PSK又可称M-PSK或MPSK，M代表传送信号的符号类型数量。目前，PSK有BPSK、QPSK、16PSK、64PSK等，常用的是QPSK。
用数字信号去调制载波的频率称为FSK。在二进制频移键控（2FSK）中，载波频率随调制信号1或0跳变，1对应载波频率 f 1 ，0对应载波频率 f 0 。在任意波形发生器中只有一个载波频率的概念，因此另一个载波频率被称为“跳频”。跳频信号抗噪声与抗衰减的性能较好，在中低速数据传输中得到广泛应用。常用的数字调制信号波形如图2-3所示。
图2-3 常用的数字调制信号波形
用两路独立的基带信号对频率相同、相位正交的两个载波幅度进行调幅称为QAM，与3种基本数字调制方式不同的是，QAM有更多的符号，每个符号有对应的相位和振幅。一般有二进制（4QAM）、四进制（16QAM）、八进制（64QAM）等。此外，32QAM（32符号正交调幅）、π/4 DQPSK（四相差分相移键控）、MSK（最小偏移键控）等调制方式也比较常用。通信系统中通常将数字信号表示在复平面上，该复平面称为IQ平面，以直观表示信号以及信号之间的关系，称为星座图。星座图是目前数字调制中的一个基本概念，学过通信原理或者数字通信知识的读者应该知道，要将数字信号发送出去，一般不会直接发送0或者1，而是先将0, 1信号（1 bit）按照一个或者几个组成一组，比如每2 bit组成一组，即有00, 01, 10, 11，总共4种状态；如果每3 bit组成一组则有8种状态，以此类推。选择4QAM（对应前面00,…,11的4种状态）时，4QAM的4个点组成一幅4QAM的星座图，每个点与相邻的点相差90°（幅度是相同的），一个星座点对应一个调制符号，这样每发送一个调制符号，其信息量是发送1 bit的两倍，从而提高传输速率。因此，星座图的作用主要是在调制时进行符号映射，而在接收时判断发送的到底是哪个符号点，从而正确解调数据。常见的星座图如图2-4所示。
图2-4 常见的星座图
基带信号是信息传输和处理的载体，基带信号既可以由基带信号发生器产生，又可以由任意波形发生器产生，还可以由矢量信号发生器内部的基带发生单元产生。基带信号发生器中，数字方式的应用非常广泛。
在研发、生产电子产品时，其电路中会存在各种干扰和响应，包括各式各样的信号缺陷和瞬变，如过脉冲、尖峰、突变、阻尼瞬变等，如果在电路设计中不考虑这些，很有可能会带来不良影响。
通常认为信号源主要给被测电路提供所需要的已知的各种波形信号，而实际上，信号源测试中，更多时候会根据工程师的要求，仿真各种测试信号来测试DUT。
旧式的函数发生器采用模拟的方法，只能产生正弦波、三角波、方波等几种有限的波形信号，且受模拟电路温度漂移、老化等特性影响，输出信号的频率精度低，不稳定。目前，主流的任意波形发生器具备函数发生器的所有功能，可以产生正弦波、方波、三角波等基本波形信号。除此之外，任意波形发生器还可以产生模拟和数字调制信号，支持线性/对数扫频信号和脉冲串的输出。
任意波形发生器有多种应用方式。在产品的调试阶段，工程师需要测试产品的各项参数，检验产品是否符合相关的出厂标准。在这个过程中，任意波形发生器需要发出标准规定的信号，通过测量并记录DUT的响应，将测量结果与标准规定的指标进行对照，并且得出测试结论。另外，对于新开发的模块电路，需要使用任意波形发生器通过测试来确定电路的线性度和单调性等指标。在部分测试项中，任意波形发生器需要在其提供的信号中增加已知的、数量和波形可重复的失真或损伤，通过控制失真或损伤相关的参数即可对DUT进行极限/余量测试。
部分函数/任意波形发生器支持调幅（amplitude modulation，AM）、调频（frequency modulation，FM）、调相（phase modulation，PM）、FSK、ASK、双边带调幅（double sideband amplitude modulation，DSB-AM）等模拟和数字调制功能，也支持扫频功能和脉冲串输出功能，可以通过内部、外部和手动进行触发。当选择内部和手动触发源的时候，可以实现多款不同仪器之间的触发同步。部分系列函数/任意波形发生器可以将离散的数据点存放在存储器中，通过系统时钟产生读取数据的触发信号（信号处理），经过D/A和信号调整，最终生成模拟波形（信号输出）。使用这种“采样原理”理论上几乎可以生成和编辑任意类型和参数的波形。图 2-5 所示为简化的数字化任意波形生成流程。
图2-5 简化的数字化任意波形生成流程
图 2-6 所示为细化的任意波形发生器组成，其基本原理是以一定的频率、顺序从特定的波形存储矩阵中读取幅度数据，形成波形的数字序列，然后通过DAC将数字序列转换为模拟波形。一般来说，波形存储矩阵中的序列是可以通过软件方式自定义的；采样时钟发生器的频率也是可调的；有一些任意波形发生器的采样频率连续可调，有一些只能被设置为主时钟频率的若干倍。
如果任意波形发生器以采样频率 f s 去采样频率为 f o 的正弦信号数字序列，则输出的时域波形及其对应的频谱分别如图2-7和图2-8所示。其中， A 为幅度， t 为时间。
图2-6 细化的任意波形发生器组成
图2-7 时域波形
图2-8 时域波形对应的频谱
f s 和 f o 的比值越大，谐波越小；DAC的等效位越高，宽带杂散越少。在 f s 和 f o 的比值接近3 : 1的情况下，谐波已经相当可观，所以必须使用图2-8所示的 f s /2低通滤波以滤除谐波，获得一个较纯净的频率分量。
就时域波形而言，任意波形发生器的DAC输出信号主要包含 f o 、（ nf s ± f o ）（ n 是自然数）的谐波频率分量，并且有宽带杂散。和谐波有关的频率分量可以使用式（2-1）粗略计算。其中， δ ( t )为冲击函数， f 是频谱坐标。
（2-1）
除了正弦连续波信号，任意波形发生器产生的脉冲信号在测试中也有广泛应用。对脉冲信号而言，边沿转换时间是一个非常重要的指标，边沿转换时间也称为上升时间和下降时间，该指标在方波脉冲上非常明显。边沿转换时间是指电平变化量从10%转换到90%所需要的时间，有时也采用从20%转换到80%所需的时间。在现代数字电路中，边沿转换时间通常只有几纳秒甚至更短。该指标主要是由DAC的性能决定的。在高速数字系统中，如果边沿转换时间和脉冲宽度（pulse width）接近，则信号波形将发生紊乱。图2-9展示了脉冲信号边沿转换时间指标。
图2-9 脉冲信号边沿转换时间指标
传统的DAC产生的最大脉冲幅度一般为10 V左右，上升沿一般是500 ps或者以上。但是有的测试需要应用脉冲幅度为100 V～10 kV，甚至更高，并且上升沿达到100 ps量级的脉冲发生器，即高压快沿脉冲发生器。我国已经有多家单位对此开展研究，其中较为常用的架构是Marx源架构（即Marx发生器）。这是一种电压脉冲发生器，能够产生高压脉冲。这种装置利用电容器并行充电、串行放电的原理，从而将较低的直流输入电压转换为高幅度的脉冲电压。Marx发生器的基本结构通常包括以下部分。
（1）电容器：Marx发生器的主要组成部分，它们并行连接以在低压下充电。
（2）开关：每个电容器通过开关与其他电容器串联。这些开关一开始是打开的，并在触发时关闭，使电容器能串行放电。
（3）触发装置：用于控制开关的关闭时机，以确保电容器串行放电。
（4）电阻器：在电路中，电阻器被用来限制电流，以防止器件损坏。
在操作时，所有电容器在并联状态下充电。当需要产生高压脉冲时，触发装置按顺序关闭各个开关，使电容器串行放电。这种架构是由物理学家埃尔温·奥托·马克斯（Erwin Otto Marx）提出的，故称为“Marx源架构”。Marx源架构在高场强电磁效应模拟方面有重要用途，也可用于金属表面处理、污染治理、激光应用、半导体加工测试等。由Marx源架构可知，其输出波形参数可调的自由度不大，而应用场景又差别很大，故市面上缺乏通用的仪表型号，主要以针对某项应用的定制开发为主，后面会介绍典型生产企业。
任何周期性的信号都可以表示为不同频率的正弦波信号之和。正弦波（周期为 T ）的振幅通常由其峰值电压 V Peak 、峰峰值电压 V Pk - Pk 或均方根值 V RMS 来指定，如图2-10所示。测量这些值时都假定波形的偏移电压为零。
波形的峰值电压 V Peak 是波形中所有点的最大绝对值，峰峰值电压 V Pk - Pk 是最大值和最小值之差。均方根值电压 V RMS 是通过以下计算方式得到的：将波形中每个点的电压的平方相加，然后用总和除以点数，再求出商的平方根。波形的均方根值也可计算信号在一个周期的平均功率 P ，即
（2-2）
式中，
为当前系统的负载阻值。
图2-10 一个周期正弦波信号的多种振幅表示方式
波峰因数是信号幅度峰值与其均方根值之比，由于波形的不同，波峰因数会有所不同。表2-2列出了常见的波形及其均方根值。
表2-2 常见的波形及其均方根值
在任意波形发生器的选择中，以下指标是较为关键的。
就图2-6所示而言，每样值分辨率指标指波形数据和D/A的二进制位数。如某任意波形发生器的每样值分辨率为14 bit，则DAC是14 bit的。该指标越高，说明波形量化越细腻，因量化产生的杂散频谱分量越少。该指标决定了任意波形发生器能够输出的幅度分辨率，以及量化噪声。对于DAC来说，其量化噪声决定的信噪比为
SNR=6.02 b +1.76 dB （2-3）
式中， b 为DAC的位数。
可见，位数越大，量化噪声带来的信噪比越高，位数每增加1 bit，信噪比就提高约6 dB。
波形深度指波形存储器中的样值点数。现代无线通信系统中很多信号都是非周期性的，一个完整的信号序列需要较长的持续时间。波形深度越大，生成长时间复杂信号的能力越强。例如，某任意波形发生器的波形深度是8 Mpts，则说明最多存储800万个数据点。
最高采样率指DAC的最高采样速率，根据奈奎斯特定理，该指标越大，则能够产生频率越高的分量。对于宽带无线通信中的基带信号，由于其码片速率较高，对应带宽大，就必须采用具有相应采样率的任意波形发生器。需要特别指出的是，一般任意波形发生器的采样率可以在最高采样率允许的范围内设置，在目标信号和现有任意波形发生器硬件配置一定的情况下，并非将采样率设置得越高越好，因为存在以下约束关系。
采样率×波形定义时间=波形深度 （2-4）
在波形深度一定的情况下，采样率越高，则波形定义时间越短。波形定义时间短则有可能不足以完整地描述信号，所以设置采样率必须折中考虑。
由于任意波形发生器的结构特点，谐波的产生是不可避免的，故必须使用滤波器，即使如此，谐波仍然残存。总谐波失真（total harmonic distortion，THD）被定义为所有谐波分量和基波分量的功率比值。例如，某任意波形发生器的总谐波失真是0.04%，说明谐波分量功率总和是基波分量功率总和的0.04%。
时钟精度又称为时基精度，是信号源产品最重要的指标之一，它决定了信号源输出频率与理想频率之间的误差，通常以10 − 6 （百万分之一）为单位，由信号源采用的时钟振荡器的精度决定。例如，某任意波形发生器标称的出厂时钟精度为2×10 − 6 ，则意味着输出频率和理想频率之间的误差小于百万分之二。另外，时钟精度指标是会随时间的推移而恶化的，称为老化率。一般有第一年老化率和10年老化率指标，也以10 − 6 为单位。如果一款任意波形发生器标称的出厂时钟精度为2×10 − 6 ，第一年老化率为1×10 − 6 ，则出厂之后一年内能保证的时钟精度为3×10 − 6 。
垂直精度指特定频率下输出信号幅度的精度，包括增益误差和直流偏置误差两部分，一般用±( x %+ y )的形式来表示，其中 x %表示增益误差的相对值， y 表示直流偏置误差的绝对值。例如，某任意波形发生器的垂直精度为±(1%+1 mV)，表示它的输出增益误差在1%以内，直流偏置误差在1 mV以内。对于100 mV幅度的输出，其最大误差的绝对值为100 mV×1%+1 mV=2 mV；对于0 V的直流输出，其最大误差的绝对值为0×1%+1 mV=1 mV。
幅度平坦度即频率响应，与示波器的频率响应指标定义是一致的。不同的是，信号源会针对单音信号做专门的校正和补偿，因此对单音信号来说，幅度平坦度可以做到比较好的精度。这也可以解释，为什么用正弦波测试和用高斯白噪声测试得到的信号源频率响应是不一样的。
输出阻抗为信号源的内阻。因为信号源一般采用特征阻抗为50 Ω的同轴电缆与外部连接，所以输出阻抗一般取值为50 Ω，以达到阻抗匹配的目的。
射频表示可以辐射到空间的电磁频率，频率范围为300 kHz～300 GHz，对于有些在这个频率范围以外但靠近这个频率范围的信号发生器，工程上为了方便也可以统称“模拟信号发生器”。模拟信号发生器主要用来生成连续波信号、AM信号、FM信号、PM信号和部分脉冲调制信号等，不具备数字矢量调制功能。也许有的读者会产生这样的疑问：既然多功能矢量信号发生器既可以产生基带信号，还可以产生连续波信号和矢量调制信号，那么模拟信号发生器还有什么意义？“专用”往往意味着“精良”，模拟信号发生器尽管功能相对简单，但是与矢量信号发生器相比，它往往能够提供电平和频率更加精确、稳定的模拟信号，另外其成本一般更低。
接下来分析模拟信号发生器的技术指标。就信号发生器而言，功率、频率是非常基本的参量，在无线通信测试中，这些参量是其他复杂参量的基础，要保证信号发生器参量的准确性，选择高质量的仪表、建立严格的仪表计量管理制度是必要的。下面介绍主要指标。
最大输出功率：信号发生器能提供给额定负载阻抗的最大功率。
输出功率范围：在给定频段内可以获得的可调功率范围。
功率（或电平）准确度和稳定度：准确度是指信号发生器功率设置值和实际功率值的一致性，一般用两者的差值表征；稳定度是指信号源的输出功率随时间变化的特性。在无线通信测试中，一旦功率随时间发生显著变化，将影响测试结果的一致性。
功率平坦度：在某一指定输出功率条件下输出信号的实际输出功率值随频率的相对起伏值。
功率电平转换时间：从电平开始变化起，到电平接近新选定的额定值并且保持在所规定的误差范围内的时间间隔。
输出功率分辨力：在给定输出功率范围内能够得到并重复产生的最小功率变化量。
输出电平稳定度：输出电平随温度、负载、电源电压等条件变化而变化的程度。
输出阻抗：在信号发生器输出端往里看所呈现的阻抗。
源电压驻波比：信号发生器由于外接负载特性而引起的射频输出端口驻波电压最大值和驻波电压最小值之比，它反映了信号发生器输出阻抗偏离标称阻抗的程度。
稳幅模式：微波信号发生器中稳幅环路的工作模式，有内稳幅、外稳幅、功率计稳幅和源模块稳幅等几种。内稳幅是指采用内置功率传感器作为稳幅环路的反馈检测器件的工作模式。外稳幅是指采用外置功率传感器作为稳幅环路的反馈检测器件的工作模式。功率计稳幅是指采用外置功率计作为稳幅环路的反馈检测器件的工作模式。源模块稳幅是指采用外置倍频源模块中的功率传感器作为稳幅环路的反馈检测器件的工作模式。
频率的准确性和稳定性取决于内部时基，频率的不稳定性体现在随时间、电源稳定度、温度变化等的变化。例如， f cw （连续波频率）=1 GHz， τ aging （漂移率）= 0.1×10 −6 /年，校准间隔为1年，则精度（最差情况下）=连续波频率×漂移率×校准间隔=(1×10 9 )×(0.1×10 –6 )×1=100 Hz。
除了功率和频率的准确性，频谱纯度也值得关注。影响频谱纯度的非理想因素包括单边带相位噪声（SSB phase noise）、谐波寄生、分谐波寄生、非谐波寄生、剩余调频等，如图2-11所示。
频谱纯度是衡量输出信号频率稳定性的一项非常重要的指标，它主要是因为有非随机或确定的信号、不确定的信号、噪声（包括散粒噪声和1/ f 噪声）被调制到载波上产生的。调制的途径有幅度调制和相位调制两种。
有关信号发生器频谱纯度的指标主要如下。
谐波：频率为基波频率整数倍的正弦波。
图2-11 影响频谱纯度的非理想因素
分谐波：频率为基波频率整分数（比如1/2、1/3）的正弦波。
非谐波：频率不等于基波频率整分数或整数倍的正弦波。
载波的相对谐波含量：一个或一组谐波输出信号的有效值（或功率值）与载波基波有效值（或功率值）之比，用百分数或低于载波功率的分贝数表示。
载波的相对分谐波含量：规定的分谐波输出信号的有效值（或功率值）与载波基波有效值（或功率值）之比，用低于载波功率的分贝数表示。
剩余调频：信号发生器输出的无调制连续波信号在规定带宽内的等效调频频偏。
单边带相位噪声：随机噪声对载波信号的调相产生的连续谱边带，用距离载波某一频偏处单边带中单位带宽内的噪声功率对载波功率的比值表示。
在无线通信测试中，可以通过滤波等技术手段对谐波等因素进行限制。下面重点介绍相位噪声指标。
一个理想的连续波信号的表达式为
C ( t )=cos2π f c t （2-5）
式中， f c 为载波频率； t 为时间。但是由于存在相位噪声，因此有
C ( t )=cos[2π f c t + θ ( t )] （2-6）
式中， θ ( t )为一个随机变量。从时域上看， θ ( t )表现为抖动；从频域上看， θ ( t )表现为相位噪声。相位噪声不同于宽带白噪声，从频谱上看，距离载波越近，相位噪声的功率谱密度越大，所以滤波对于消除相位噪声的效果不明显。相位噪声太大，意味着引入了新的干扰。
图2-12所示为创远信科（上海）技术股份有限公司（简称创远信科）T3661A信号源（7.5 GHz）采用选件H03A后测得的单边带相位噪声。
一般来说，随着频率提高，相位噪声有增加的趋势。这主要是由于在频率合成技术中，高频段使用了倍频器等非线性器件，引入了新的相位噪声。
图2-12 创远信科T3661A信号源（7.5 GHz）采用选件H03A后测得的单边带相位噪声
即使在无线通信高度数字化的今天，在无线通信测试中，AM信号、FM信号、PM信号等模拟信号应用仍然广泛，如在电磁兼容测试中，AM信号就被较多使用。因此，模拟信号发生器一般具备AM、FM、PM等功能。和这些调制相关的参量包括调幅频率、调幅深度、调频频率、最大调频频偏、调相频率、相位偏移等。下面介绍几种模拟调制。
（1）调幅
调幅是按照给定的规律，改变载波幅度的过程。调幅信号波形如图2-13所示。调幅的主要技术参数如下。
图2-13 调幅信号波形
调幅带宽：在给定调幅误差容限的情况下调制信号的频率范围。
调幅深度：调幅信号最大和最小幅度之差的一半与这些幅度平均值之比。
调幅频响：在给定调幅深度的情况下，在调制信号的频率范围内实际调幅深度随调制信号频率的相对起伏。
调幅失真：理想解调后的调幅信号相对调制前调幅信号的波形变化。
调幅准确度：调幅深度指示值和相应的真值的接近程度。
特别地，对于AM信号，还有一个容易被忽略的指标：调幅的伴随调相（incidental phase modulation）。下面介绍该指标。一个理想的载波频率为 f c 、调幅频率为 f a 、调幅深度为 D 的AM信号的表达式为
（2-7）
但是实际上由于调幅器件的不理想，在调幅的时候往往伴随调相，实际发射的调幅信号表达式为
（2-8）
式中， Ψ 为相位差； β 为伴随调相指数，是衡量AM信号纯度的一个重要指标。
从频谱上看，式（2-8）所示的信号不是理想的“载波+两个边带连续波分量”形式，而是存在大量调相产生的谐波分量。在对调幅信号频谱纯度要求高的测试场合，应当选择伴随调相较小的AM信号发生器。传统上对伴随调相的测量是比较困难的，为了解决这一问题，笔者提出了基于正交矢量解调的测量技术，可以用简单、明确的方法测量伴随调相。
（2）调频
调频是按照给定的规律，改变载波频率的过程。调频信号波形如图2-14所示。其中，横轴 t 指时间（μs），纵轴 A 指幅度（V）。
图2-14 调频信号波形
调频的主要技术参数如下。
最大调频频偏：已调载波频率相对未调制载波频率的最大偏移量。
调频失真：理想解调后的调频信号相对调制前的调频信号的波形变化。
调频带宽：在给定调频频偏误差容限的情况下调制信号的带宽范围。
调制频偏准确度：调频频偏指示值和相应的真值的接近程度。
调频频偏灵敏度：调制信号强度的单位变化引起的调频频偏的变化量。
（3）调相
调相是按照给定的规律，改变载波信号相位的过程。与调相有关的技术参数如下。
最大相位偏移：已调载波相位相对未调制载波相位的最大偏移量。
调相失真：理想解调后的调相信号相对调制前的调相信号的波形变化。
调相带宽：在给定调相相偏误差容限的情况下调制信号的带宽范围。
调相相偏准确度：调相相偏指示值和相应的真值的接近程度。
调相相偏灵敏度：调制信号强度的单位变化引起的调相相偏的变化量。
（4）脉冲调制
脉冲调制：按给定规律，载波在未调制电平和零电平之间重复接通和断开，而形成随脉冲变化的射频脉冲信号的过程。脉冲调制信号波形如图2-15所示。
与脉冲调制有关的技术参数如下。
图2-15 脉冲调制信号波形
脉冲周期：在周期脉冲序列中，某个脉冲波形的起始时间与紧邻的脉冲波形的起始时间的间隔。
脉冲重复频率：脉冲重复周期的倒数。
脉冲宽度：脉冲起始时间与脉冲终止时间的间隔，一般是从脉冲幅度的50%到50%的时间间隔。
开关比：脉冲内输出的载波信号功率与在其余时间输出的剩余载波信号的功率之比，以分贝形式表示。
上升、下降时间：已调脉冲包络前后沿过渡波形的过渡持续时间，一般是从脉冲幅度的10%～90%的变化时间，有时也指20%～80%的变化时间。
脉冲压缩：已调载波脉冲宽度相对基带脉冲信号宽度的变化。
射频脉冲时延：已调载波脉冲前沿相对基带脉冲前沿的时间间隔，在脉冲幅度的50%处测量。
脉冲过冲：已调载波脉冲前后过渡的失真，在此期间其数值超过稳态脉冲幅度，以脉冲幅度的百分数表示。
电平准确度：已调载波脉冲电平相对未调制前的连续波电平的变化量，以分贝形式表示。
在生成基带信号、任意波信号、连续波信号等方面，有一些具有共性的技术。
例如，频率合成技术是指用于生成功率和频率稳定的连续波信号的技术。连续波是非常简单、基础的信号。目前，主流的频率合成技术的比较如表2-3所示。
表2-3 主流的频率合成技术的比较
在现代信号发生器的频率合成模块中，多种技术结合使用可以达到频率范围、频率分辨率、相位噪声、电平准确度等指标折中和优化的目的。
直接模拟频率合成技术利用一个或多个不同的晶体振荡器作为基准信号源，经过倍频、分频、混频等途径直接产生许多频率离散的输出信号。
间接频率合成技术主要指锁相环（phase-locked loop，PLL）技术。锁相环技术利用频率和相位负反馈原理实现频率变换，集成锁相环体积小、质量轻、功耗低、方便、灵活，寄生输出大幅度降低。它通过相位负反馈的方法把一个电调谐振荡器［如压控振荡器（voltage controlled oscillator，VCO）］与频率参考相联系。环路中的鉴相器比较来自频率参考为 f r 的输入信号和来自VCO反馈网络的频率为 f v 的输入信号的相位，输出一个与相位误差成单调关系的误差电平，经环路滤波器形成VCO调谐电压，调整VCO的频率，使VCO的输出频率 f o 锁定到参考频率 f r 上。这样我们可以通过选取频率稳定度高的频率参考来提高输出信号的频率稳定度。由于锁相环本身的特性，锁相式频率合成器的频率切换时间相对较长，基本在几十微秒以上。
DDS技术通常被视为第三代频率合成技术。DDS技术突破了以往技术，从相位的概念出发进行频率合成。这种技术不仅可以产生不同频率的余弦波，而且可以控制波形的初始相位，产生任意波形。
目前，任意波形发生器普遍采用DDS技术来实现任意波形的输出。DDS技术使用数字查表的方法来产生周期信号，再经过高速DAC将数字波形转换为模拟波形输出。相对于直接模拟频率合成技术，使用DDS技术产生的信号的频率具有稳定度好、分辨率高和切换速度快等优点，并且只要更新波形查找表的内容，理论上可生成任意波形的周期信号，非常灵活。
DDS技术有查表法和计算法两种基本合成方法。对于查表法，RAM查询法结构简单，故现在的函数信号发生器或者基带信号发生器基本都以RAM查询的方式实现信号生成，只需要在RAM中存放所需信号的不同相位对应的幅度序列，然后通过相位累加器的输出对其进行寻址，经过D/A和低通滤波（LPF）输出便可以得到所需要的模拟信号。DDS系统的基本原理结构如图2-16所示。
图2-16 DDS系统的基本原理结构
如图2-16所示，在时钟脉冲的控制下，频率控制字（frequency tuning word，FTW）由相位累加器得到相应的相位。相位寻址波形存储器（RAM）进行相位到幅度的变换以输出不同的幅度编码，经过DAC得到相应的阶梯连续波，最后经过低通滤波器（low-pass filter，LPF）对阶梯连续波进行平滑，即得到由FTW决定的连续变化的模拟信号。相位累加器是实现DDS技术的核心，它由一个 N 位字长的二进制加法器和一个由固定时钟脉冲取样的 N 位相位寄存器组成，在每个时钟脉冲到达时，相位寄存器采用上个时钟周期内相位寄存器的值与FTW之和，并将其作为相位累加器在这一时钟周期的输出。
但DDS技术在产生任意波形时有两个固有缺陷：波形细节的丢失和抖动。
下面分析波形细节丢失的原因，DDS系统的工作时钟频率（ f s ）是固定的，通过改变查表的地址间隔来实现指定的输出频率（ f out ），这个可变地址间隔称为即为FTW，它的二进制位数为 N 。 f out 的计算遵从式（2-9）。
（2-9）
当FTW＞1，即 f out ＞ f s /2 N 时，波形存储器中的某些点会被跳过。这对于正弦波来说是无关紧要的，但是对于包含某些重要细节（如毛刺）的任意波形，则意味着信息的丢失。
以图2-17所示为例，以每3个点的间隔输出波形，以FTW=2输出，会导致部分波形细节的丢失。
图2-17 DDS系统采样中波形细节丢失示意
使用DDS技术产生带有波形阶跃的任意波形时，如果 f s 与 f out 不成整数倍关系，输出会产生一个采样周期的抖动。以图2-18所示为例，假设存储在波形查找表中的波形为10个点的方波，以FTW=3输出，则实际输出周期可能为4个采样周期，也可能为3个采样周期。
图2-18 采样周期示例
如果DDS系统采用可变时钟的方案来实现任意波形逐点输出，那么我们可以将它理解为采样时钟频率 f s 可变，且FTW=1的DDS技术。此时，波形数据是逐点输出的，因此不存在波形细节丢失的问题；由于波形查找表的长度 L 是固定的，根据 f out 的计算公式：
（2-10）
可以看到，要改变 f out 的大小，就必须改变 f s 。因此，这种方法需要采样时钟源能够输出可变的、频率分辨率极高的高速采样时钟，无疑会大大增加系统的设计复杂度和成本。
考虑DDS技术的缺点，下面将介绍DDS技术的改进。我国企业在DDS技术上进行了改进，形成了一些新的信号生成技术，如下所述。
深圳市鼎阳科技股份有限公司（简称鼎阳科技）提出了脉冲发生算法，即EasyPulse技术，如图2-19所示。基于这项新的技术，信号源能够产生低抖动、具有不受频率影响的快速上升/下降沿、占空比极小、边沿和脉宽可大范围精细调节的脉冲信号。
图2-19 EasyPulse技术
EasyPulse技术的创新表现在：在频率很低（小于1 Hz）时仍然能够输出具有快速上升/下降沿（6 ns）的脉冲；低频率时同样可以保持最小12 ns的脉宽，占空比可小至0.0001%；不需要更新任何波形数据，脉冲的各个参数可快速改变；边沿、脉宽可大范围精细调节。
图2-20、图2-21所示为普通DDS技术和EasyPulse技术基于同一组数据的对比。输出1 Hz频率脉冲时，EasyPulse脉冲宽度可以为最小值12 ns，占空比极小（小于0.0001%）；但是普通DDS脉冲宽度较大，占空比大于0.3%。EasyPulse技术可实现比普通DDS技术更陡的脉冲边沿。
图2-20 EasyPulse脉冲与普通DDS脉冲的占空比对比
图2-21 EasyPulse脉冲与普通DDS脉冲的上升沿对比
如图2-22所示，输出0.1 Hz频率脉冲时，EasyPulse脉冲的边沿可以大范围调节，最小边沿为6 ns，最大边沿可调到6 s；普通DDS脉冲的边沿调节受到较大限制。
图2-22 EasyPulse脉冲与普通DDS脉冲的可调节边沿范围对比
鼎阳科技提出的TrueArb技术，兼顾了DDS技术的简单、灵活和逐点输出技术对信号原始信息保留的优点。它采用频率固定的工作时钟，在现场可编程门阵列（field programmable gate array，FPGA）中实现采样率的转换，做到任意波形逐点输出。
如图2-23所示，采样时钟方面，TrueArb技术和DDS技术一样使用固定频率为
f
s
的工作时钟，避免了使用复杂度高的可变采样时钟方案；采样时钟进入FPGA后，通过DDS的方式产生逐点输出需要的等效采样数字时钟频率
，保证查表方式按FTW=1的逐点输出形式来进行；从查找表输出的数据率与
同步，需要经过采样率转换后切换到
f
s
的时钟域，再通过DAC以
f
s
的固定采样率转换为模拟信号。
图2-23 TrueArb原理
图2-24所示为DDS技术和TrueArb技术基于同一组数据的对比。DDS技术由于不采用逐点输出，其信号细节（叠加在低电平上的等间隔毛刺）已丢失；TrueArb技术能无失真地还原数据。
图2-24 DDS技术和TrueArb技术基于同一组数据的对比
图2-25所示为DDS技术和TrueArb技术在输出同一个任意波形时，在抖动指标上表现出来的差异。在这个例子中，DDS技术和TrueArb技术的工作时钟频率都是 300 MHz，输出信号频率相同且与工作时钟频率不成整数倍关系。从图 2-25中可以看出，在10 ns的时基下放大观察，DDS技术的输出信号存在1个工作时钟周期（3.3 ns）的抖动；TrueArb技术则不存在这个问题，其输出抖动非常小。
图2-25 DDS技术与TrueArb技术抖动测量结果对比
高保真脉冲波形生成技术是指能够产生具有高精度、低失真和快速边沿的脉冲信号的技术。这种技术在雷达、通信、测量、高速数字电路测试以及科学研究中有着广泛的应用。
为消除DDS技术高频时混叠产生的失真，有的任意波形发生器［如优利德科技（中国）股份有限公司（简称优利德）的UTG9604T］中的方波采用将正弦波通过比较器的方式产生，并通过改变比较器的阈值，改变波形的占空比。方波产生电路如图2-26所示。
图2-26 方波产生电路
此外，为获得分辨率高、频率抖动小、边沿连续可调节的宽频带脉冲波，可以采用不同于DDS技术的全新设计技术——高保真脉冲波形生成技术。该技术产生的脉冲波由上升沿、脉宽高电平、下降沿和脉宽低电平4个阶段组成，如图2-27所示，并按照状态机的4个状态循环工作。
图2-27 脉冲运行状态
边沿查找表中只存储脉冲波边沿的波形，并通过状态机的控制依次输出脉冲波的4种状态。为了得到精确的边沿时间精度控制，在原有的相位累加架构上增加了16位二进制浮点运算，这样可以大幅度提高边沿相位分辨率。脉冲波生成硬件架构如图2-28所示。
图2-28 脉冲波生成硬件架构
软件定义无线电技术基于软件定义的无线通信协议和波形而非通过纯硬件实现。换言之，频带、空中接口协议和波形等可通过软件下载来更新、升级，而不用更换硬件。它提供针对多模式、多频和多功能无线通信的灵活、快速解决方案。
典型地，中星联华科技（北京）有限公司（简称中星联华科技）的SignalPro信号生成软件即软件定义无线电技术的应用，可实现填表式生成各类复杂调制信号，用户无须了解信号机理，只需填入所需信号的基本参数信息即可方便、快捷地一键式生成所需波形。另外，在信号生成软件界面上会直观显示待生成信号的时域、频域及调制域的仿真结果。整个信号产生过程简单直观、方便快捷，大幅度减少了测试人员的工作时间，降低了测试难度，提高了测试效率。
SignalPro信号生成软件是一套以数字方式合成同相正交（in-phase quadrature，IQ）基带信号、中频（intermediate frequency，IF）信号和射频（RF）信号的工具软件包，该软件支持广泛的调制信号种类，以及中星联华科技的SL4301A射频信号采集记录回放系统。
SignalPro信号生成软件广泛兼容主流厂家的任意波形发生器和矢量信号源，是一款兼容性极佳的平台级信号生成产品，其使得复杂场景模拟更加简单。SignalPro信号生成软件的主要特点如下。
（1）支持丰富的调制方式（有55种调制方式，如图2-29所示）。
图2-29 SignalPro信号生成软件支持的调制方式
（2）集成度高：集射频/中频/基带（RF/IF/IQ）信号生成和编辑功能于一体。
（3）操作简单：填入基本参数信息即可方便、快捷地一键式生成所需波形。
（4）多域显示：直观显示待生成信号的时域、频域及调制域的仿真结果。
（5）功能强大：支持雷达、无线通信、卫星通信、复杂电磁环境、回放、跳频、多音、预失真校准、高斯噪声等信号的生成。
（6）支持国外主流厂家的信号源。
（7）具有预失真校准功能：支持国外主流实时示波器进行预失真校准；支持RF校准、“IF+变频器”校准、“IQ+变频器”校准。
（8）支持在线和离线波形生成。
（9）支持仪器内置和远程计算机控制。
宽带微波毫米波频率合成技术可分为两大类：YIG（钇铁石榴石）式和直接模拟式。YIG式是基于YIG振荡器实现的，并利用间接频率合成技术将其锁定在一低相位噪声参考上，该技术在10 MHz～40 GHz的频率范围内具有非常低的相位噪声基底（ - 160 dBc），其切换速度受限于YIG调谐线圈的电感量，建议是ms级以上。直接模拟式是基于直接模拟频率合成技术实现的，它组合使用DDS技术以得到精细的频率步进，该技术更加复杂，但它能够实现快速切换（0.2 μs）的同时相位噪声更低，且信号调制模拟能力很强。
目前信号源的幅度或功率控制技术主要有两种：直接衰减和自动电平控制。直接衰减利用机械的或电子的衰减器提供衰减以实现大范围的功率输出。自动电平控制（automatic level control，ALC）是目前常用的幅度控制技术，它利用负反馈技术实现了高精度和高稳定度的信号幅度控制。
在典型的ALC环结构中，射频信号的一部分经检波器转换为与射频信号幅度成正比的直流电压信号，将该电压在ALC驱动器里与预设的参考电压相比，积分后形成误差电压，误差电压调整ALC调制器的衰减量直到检波直流电压和参考电压相同，从而调整输出信号幅度与预置电平幅度一致，实现自动电平控制。通过改变ALC驱动器中的参考电压，即可方便地改变输出信号幅度。
模拟信号发生器可以提供广泛的功能，但更复杂的调制方案或数字信号的调制需要矢量信号发生器来实现。矢量信号发生器比模拟信号发生器多了基带信号发生器和调制器，能够进行复杂的正交调幅，以生成复杂的调制制式矢量信号，比如3GPP（第三代合作伙伴计划）规定的各类移动通信信号、GNSS导航信号、各种雷达信号等。
图2-30所示为矢量信号发生器的结构，可以看到，矢量信号发生器内部有基带成形滤波器、连续波发生器和符号映射器等。
如图2-30所示，矢量调制信号即图中的 V ( t )。前面已经阐述了任意波形发生器和连续波发生器的结构、指标。使用IQ基带信号对连续波进行正交调制，就可以得到矢量调制信号。将连续波和基带信号联系起来成为调制信号的是调制器，调制器是一种特殊的半导体器件。衡量调制器的指标有群时延、带宽等，目前，较先进的调制器带宽可超过2 GHz。在现代信息通信系统中，数字调制信号是应用非常广泛、非常重要的信号。绝大多数数字调制信号可以通过正交调制结构生成。正交调制结构的通用性体现在：只需对基带信号进行合理定义，而不需要对调制器硬件做任何调整就能够得到各种不同的信号。由于基带信号的波形可以通过数字和软件方式灵活定义，这种结构在成本受限的前提下，大大丰富了矢量信号发生器的功能和应用。如果基带的同相分量信号为 I ( t )，正交分量信号为 Q ( t )，载波频率是 f c ，则从图2-30所示可知，理想的正交调制信号可以表示为
（2-11）
图2-30 矢量信号发生器的结构
图2-31所示为从基带信号调制到射频信号的示意。
图2-31 从基带信号调制到射频信号的示意
基带信号一般是中心频率为0的信号。基带信号和已调制信号的频谱如图2-32所示。
图2-32 基带信号和已调制信号的频谱
在图2-30所示的结构中，基带成形滤波器是为了限制带宽而设置的，为了不引入码间干扰，一般使用滚降升余弦滤波器（raise cosine filter，RCF），这种滤波器的关键参数是滚降系数 α ， α 越小，则滤波器频率响应越陡峭，信号占用带宽（occupied bandwidth）越小。设符号速率为 F s ，则已调制信号的占用带宽 B 表示为
（2-12）
升余弦滤波器参数 α 对带宽幅度响应的影响如图2-33所示。
图2-33 升余弦滤波器参数 α 对带宽幅度响应的影响
显然， α 越小，滤波器性能越理想，但是在通信系统中性能和复杂度往往是相互制约的。由于频域相乘等效为时域卷积，目前数字滤波器很多是通过时域卷积实现的，卷积运算的基本流程是：信号抽样与加权系数相乘、相加。在FPGA等硬件中实现时， α 越小，则需要的抽头数越多，意味着更大的集成电路面积和更高的复杂度，也耗费更多的数字信号处理时间。
在无线测试中，矢量调制信号要经过各种各样的传输通道，如射频同轴线、微带线等。如果这些传输通道的频率响应不够理想（指幅频特性不平坦和相频特性非线性），信号通过后会失真，典型的误差指标即EVM会变大，解调后从眼图中可以观察到明显的码间干扰。为了让读者有更直观的认识，下面给出一组试验结果，在试验中，让宽带矢量调制信号（BPSK信号）通过某同轴滤波器截止频率附近的非理想频段，解调后发现EVM值从0.5%上升到12%左右，从矢量图和眼图中观察到了码间干扰。图2-34和图2-35所示分别为失真调制信号的眼图和矢量图。
图2-34 失真调制信号的眼图
图2-35 失真调制信号的矢量图
关于根据传输通道的非理想特性计算矢量调制信号的误差指标，我们曾做过专题研究。在实际测试中，老化损坏的射频电缆、频率响应不理想的微带线、天线等，均有可能对矢量调制信号造成损伤。在传统的低阶调制（如BPSK）和带宽不大（如1 MHz以下）的情况下，这种损伤对于系统性能和测试结果的影响是不显著的；但是随着无线通信调制结构越来越复杂、带宽越来越大（如5G信号、Wi-Fi 6信号、Wi-Fi 7信号），这种损伤对于调制信号是不容忽视的。图2-36展示了存在码间干扰的QPSK和64QAM信号矢量图，显然矢量图是发散的，可以直观判断；程度类似的码间干扰对64QAM系统误比特率的影响更大，这主要是因为高阶调制对干扰（无论是外来干扰还是码间干扰）更加敏感。因此，在涉及高阶、宽带调制信号的无线测试场合，为保证测试、测量准确度，建议使用高质量的信号发生器及其配件（如电缆、天线）。
对于I/Q增益不平衡、相位不平衡、外加连续波干扰、相位噪声、加性高斯白噪声等因素造成的数字调制信号EVM恶化，此处不展开论述。
图2-36 存在码间干扰的QPSK和64QAM信号矢量图
（1）CUSTOM模式。CUSTOM模式就是自定义模式/快速创建模式，可以本地生成对应的符合测试标准的通用调制类型的信号，一般信号的种类如下。
QAM：16QAM、32QAM、64QAM、128QAM、256QAM、512QAM、1024QAM等。
PSK：BPSK、QPSK、8PSK、DBPSK、DQPSK、D8PSK、OQPSK、PI/8-D8PSK、PI/4-DQPSK等。
FSK：2FSK、4FSK、8FSK、16FSK、MSK等。
ASK：2ASK、4ASK、8ASK、16ASK等。
（2）ARB（波形回放）模式。ARB模式主要用来播放预先生成的任意波形文件，包括CUSTOM模式产生的文件，MATLAB、Excel等产生的波形数据流文件；播放波形序列。具体形式如下。
① 播放波形文件。在易失性波形段及波形序列目录下，选择需要播放的波形段或波形序列，选中的波形段或波形序列会被突出显示。
（a）易失性存储器，是一种基带信号发生器（BBG）存储介质，类似计算机的内存，可以从这一存储介质中选择播放或编辑波形文件。
（b）非易失性存储器，是一种内部存储介质或外部［通用串行总线（USB）］存储介质，类似计算机的硬盘，可以在其中存储波形文件，但不能直接播放在其中存储的波形文件。
② 播放波形序列。波形序列可以包含一个或者多个波形段，或者波形段和其他波形序列的自由组合。在播放波形序列时，信号发生器会对波形段进行拼接，然后将其加载到内存中进行播放，同时可以设置包含在波形序列中的波形段或者序列的重复次数。
（3）添加AWGN模式。噪声是所有通信信道的一个固有部分。通过香农定理可以知道在存在噪声的情况下，一定带宽的通信信道的信道容量 C 可表示为
（2-13）
式中， C 是信道容量，单位为bit/s； B 是信号带宽，单位为Hz； S 是在信号带宽上接收的平均功率，单位为W； N 是在信号带宽上的噪声平均功率，单位为W。
要想以可重复的方式仿真真实的信道条件，必须将AWGN添加到信号上，如图2-37所示。AWGN是一个数学模型，这个模型是线性增加的宽带噪声，具有平坦的频谱密度和高斯分布的幅度。AWGN不适用于衰落、互调和干扰等的测试。
图2-37 将AWGN添加到信号上
为保证矢量信号发生器的宽带调制、多通道相参、采样率调节、多制式信号质量等特性，要实现宽带功率调整、宽带功率补偿、宽带滤波处理、多通道宽带本地振荡器（local oscillator，LO）源、高分辨率分频、通道相位温度稳定性、功率稳定性、多通道同步控制、高速接口设计等技术。在硬件设计和开发过程中，需要对高速印制电路板（PCB）制板、模块屏蔽、模块装配、整机装配等关键工艺的实现方法进行研究，需要明确样机试制后的性能指标验证方法、软硬件测试方法、可靠性测试方法、环境适应性测试方法等，保证样机指标一致性高、稳定性高，满足设计需求。此外，还需对样机转产、中试验证、产业化建设方案等进行研究，确保能有完整配套的生产能力，能批量生产出功能及性能指标满足要求的合格产品，实现高可靠性、高一致性的量产。