1  概述

　　宽带矢量信号产生和分析系统由Tektronix公司的任意波发生器/高速数字示波器和英格特公司的微波上下变频器组成，能够在0.1～110GHz的频率覆盖范围内产生、校准和分析8GHz瞬时带宽的矢量信号。

　　Tektronix公司的AWG7000信号发生器具有业内无可比拟的采样率、带宽和信号保真度，结合RFXpress信号高级RF/IF/IQ 波形生成和编辑软件，可以方便的产生通信和雷达的各种宽带矢量信号。英格特公司的SFUC40A超宽带上变频器配合泰克AWG7000系列任意波形发生器使用，采用直接上变频技术，生成RF和微波信号，有效规避了采用I/Q调制器的传统宽带信号产生技术必然带来的I/Q失真劣化和繁琐的校准工作。

　　Tektronix公司的高速数字示波器拥有杰出的信号采集和分析性能，结合SignalVu矢量信号分析软件，可以在频域、相位域、幅度域和调制域中进行时间相关分析和测量，提供强大的矢量信号分析仪功能。英格特公司的SFDC40A超宽带下变频器集成了下变频和增益调节功能，将0.1～110GHz的宽带信号下变频到较低频带，并调理输出信号的幅度，发挥Tektronix公司高速数字示波器采集和分析性能。

　　2  应用框图

　　3  宽带矢量信号产生技术方案

　　产生载波频率较高的矢量信号一般采用两种方案，一种方案是DAC产生Inphase和Quadrature两路基带信号，再通过I/Q调制器将基带信号调制到载波频率；另一种方案是DAC产生中频信号，再通过上变频器的将DAC产生的信号由中频变换到载波频率。

　　3.1  I /Q调制方案

　　I/Q调制器又称为正交调制器，图1是I/Q调制器的原理框图。

　　图1  I/Q原理框图

　　由图1可知，I/Q调制器由90度电桥、0度电桥和两个混频器组成，当基带信号为正频率单音信号时，RF输出信号的数学表达式如下：

　　   （1）

　　对（1）式进行积化和差变换可得

　　                      （2）

　　由（2）可知，当I路信号和Q路信号的幅度相同，同时I路本振信号和Q路信号幅度本振也相同时，I/Q调制器输出信号可由下式表示：

　　                     （3）

　　式（3）描述的是载波频率为，调制频率为 的理想矢量信号。

　　当两路正交信号通道存在相位失配（相位差不为90度）时，I/Q调制器输出信号可以下式表示：

　　       = +

　　=

　　                     （4）

　　此时Ｉ/Q调制器的输出频谱图如图2所示。

　　图2  相位失配条件下Ｉ/Q调制器输出频谱图

　　I/Q调制器镜像杂散与相位失配的比例关系可由下式得出：

　　                           （5）

　　由以上的数学公式推导可知，I/Q调制方案采用两路反相信号对消的方式来抑制镜像杂散，对两路信号的相位和幅度一致性要求很高。

　　由式（5）计算可知，两路信号的正交相位误差为1度时，其镜像电平为-41dBc。

　　有式（2）计算可知，两路信号的幅度误差为1%时，，其镜像电平为-46dBc。

　　目前的IQ调制器件种类较多，通信频段的窄带调制器镜像杂散约为-40dBc，宽带微波IQ调制器镜像杂散一般在-30～-35dBc之间。

　　采用校准的方式可以矫正IQ通道的不一致性，校准后IQ调制器的镜像杂散能达到-40dBc的水平。环境温度的变换对IQ通道的不一致性会产生一定的影响，在不同的使用环境下一般需要重新校准。

　　微波宽带IQ调制器由于受到基带信号相对带宽较大的影响，其输出信号的平坦度较差，高于1GHz带宽微波宽带IQ调制器输出信号平坦度最差达8dB以上，需校准后才能得到较为平坦的宽带矢量信号。

　　I/Q调制方案的优点在于I路和Q路信号带宽是最终生成的矢量信号带宽的一半，，对DAC的时钟频率要求较低。

　　3.2  IF上变频方案

　　IF上变频方案的原理框图见图3。

　　图3  IF上变频方案原理框图

　　如图3所示，DAC产生的中频信号直接进入上变频器，在宽带应用场合，上变频器一般采用双平衡混频器实现，双平衡混频器输出信号的频谱包含上下两个边带，其数学表达式如下：

　　           （6）

　　混频器输出的信号通过带通滤波器滤除无用的边带信号和本振泄露信号后，得到所需的矢量信号，上变频的过程就是对IF信号在频率轴进行整体频谱搬移的过程。

　　IF上变频方案利用带通滤波器的带外抑制来消除变频镜像杂散，通过合理的选择IF信号频率和带通滤波器的相关参数，可以使本振泄露杂散和镜像杂散低于-50dBc。

　　IF上变频方案的优点是产生的信号杂散低，平坦度好。此方案需要DAC直接产生IF信号，对DAC的时钟频率要求较高。

　　3.3  泰克公司宽带矢量信号产生方案

　　Tektronix公司的AWG7000信号发生器具有业内高的采样率，可以轻松产生各种样式的IF信号，因此与AWG7000配套的SFUC40A上变频器主要采用IF上变频方案产生宽带矢量信号，能够产生高达1GHz瞬时带宽、45dB瞬时动态范围、40GHz载频的高质量宽带矢量信号。虽然高速ADC/DAC是电子领域必然的发展趋势，但考虑到目前传统的IQ调制方案仍在广泛使用，本系统集成了一个通信频段的高性能IQ调制器，满足更多用户的使用需求。

　　由AWG7000信号发生器和SFUC40A上变频器组成的宽带矢量信号产生系统方案见图4。

　　如图4所示， AWG7000产生一个频率较高的中频信号，输入到SFUC40A上变频器的中频输出接口，SFUC40A内部集成了由多个上变频器组成的上变频器组，每个上变频器覆盖一定的频带，整个上变频组实现0.1～40GHz宽频带覆盖。SFUC40A内部集成了宽带低相位噪声微波本振源，用户可根据需求选择更快的频率转换速度（小于100us）或更小的残余调相误差（低于1°），用户还可以选择外置本振源的方式工作。

　　图4  AWG7000+SFUC40A宽带矢量信号产生方案

　　3.4  宽带矢量信号产生系统主要技术指标（AWG7000+SFUC40A）

• 信号载波频率：0.1～110GHz

• 信号瞬时带宽：8GHz

• 最大输出功率： +20dBm（26.5GHz以下）

　　               +18dBm（26.5～40GHz）

• 功率调节范围：100dB

• 最小功率分辨率：0.01dB

• 瞬时带宽内功率平坦度：±2dB（校准前）

　　                      ±0.5dB（校准后）

• 镜像杂散：≤-45dBc

• 本振泄漏：≤-45dBc

• 变频杂散：≤-45dBc

• 瞬时带宽内杂散信号电平：≤-45dBc

• 相位噪声：≤-90dBc/Hz@10kHz（20GHz以下）

　　          ≤-85dBc/Hz@10kHz（20～40GHz）

• 本振信号频率步进：10MHz

• 本振信号频率转换时间：≤100ms

• 信号波形存储深度：64M

• 参考时基：10MHz，可设置外参考和内参考

　　3.5  泰克宽带矢量信号产生系统与安捷伦公司8267D的比较

　　安捷伦公司8267D采用微波宽带IQ调制器直接产生宽带调制信号，由于受到基带信号相对带宽较大的影响，其输出信号的平坦度较差，高于1GHz带宽微波宽带IQ调制器输出信号平坦度最差达8dB以上，需经过复杂的校准过程后才能得到较为平坦的宽带矢量信号。另外，如3.1所述，此种宽带信号产生方案原理上决定了其本振泄露及镜像杂散大约也就仅-30~-35dB。

　　泰克公司的方案兼具IQ调制方式和直接IF上变频方式。而且其IQ调制是将信号都先调制到一个固定载频（1.8GHz）上，然后再进行频谱搬移，而不是微波宽带IQ调制方式，因而即使都使用的是IQ调制方式，泰克方案所产生的信号质量也远好于8267D，其平坦度最差也就5dB，本振泄露及镜像杂散大约-35dB。如果使用IF上变频方式其平坦度校准前最差4dB（自动校准后1dB），本振泄露及镜像杂散保证-45dB以下。

　　4  宽带矢量信号分析技术方案

　　与信号产生方案类似，对载波频率较高的矢量信号分析也有两种方案，一种方案下变频器将宽带信号变频生成Inphase和Quadrature两路基带信号，ADC采用低通采样方式对基带信号直接进行采集，然后进行数字分析和处理；另一种方案是下变频器将宽带信号变频到IF信号，ADC可以采用低通或带通采样方式对IF信号进行采集，再进行数字分析和处理。

　　4.1  正交解调基带采样方案

　　在正交解调基带采样方案中，本地振荡器的频率和输入信号的载波频率相等，解调输出的信号是去除载波信息的Inphase和Quadrature两路基带信号，其原理框图见图5。

　　图5 正交解调基带采样方案框图

　　正交解调是I/Q调制的逆过程，其数学相似，因此正交解调方案的特点与I/Q调制方案基本类似。正交解调方案中I/Q通道间不平衡会造成镜像杂散，影响信号分析性能，其优点是ADC采集的信号是射频信号带宽的一半，对ADC时钟频率要求较低（与IF采样方案相比）。

　　4.2  IF采样数字解调方案

　　随着ADC器件性能的进步，IF采样方案正在被越来越多的无线电系统采用。IF采样方案原理框图见图6。

　　图6 IF采样数字解调方案框图

　　在IF采样方案中，正交相干本振信号的产生和乘法器都是通过数字运算完成的，只要保证数字运算的精度，IQ两路信号的正交性完全可以得到保证，从而保证矢量信号分析的性能。IF采样方案对ADC时钟频率要求较高。

　　4.3  泰克公司宽带矢量信号分析方案

　　Tektronix公司有多款高速数字示波器可以满足宽带矢量信号分析的要求，由于示波器中ADC的时钟频率较高，因此宽带矢量信号分析系统采用IF采样数字解调方案作为其主要工作模式。SFDC40A将高达40GHz的载波信号变频到3GHz以下，并进行必要的幅度调理后输入高速数字示波器进行信号分析。Tektronix公司的宽带矢量信号分析软件提供了强大而又全面的矢量信号分析功能， 具有三维频谱图、多域相关、高级(脉冲式)信号分析和通用数字调制分析等模块，非常适于通信领域、雷达领域和电子战领域的具体应用。SFDC40A还包括了一个正交解调器，可以用于验证正交解调基带采样方案的相关性能。由SFDC40A下变频器和高速数字示波器（DPO70000）组成的宽带矢量信号分析系统方案见图7。

　　图7  SFDC40A+DPO70000宽带矢量信号分析系统方案

　　4.4  泰克宽带矢量信号分析系统主要技术指标（SFDC40A+DPO70000）

• 载波频率范围：1～110GHz

• 信号功率范围：-70～+10dBm

• 中频信号频率范围：1300～2300MHz（变频模式）

• 信号最大功率：≥10dBm

• 本振信号泄漏：≤-50dBc

• 噪声系数：≤10dB（20GHz以下）

　　≤15dB（20～40GHz）

• 增益：-10～90dB

• 增益调节步进：1dB

• 瞬时带宽：≥1000MHz

• 瞬时带宽内功率失真：≤±2dB（校准前）

　　≤±0.5dB（校准后）

• 变频杂散抑制：≥45dB

• 基带信号带宽：≥1000MHz

• I/Q通道增益失配：≤±1dB

• I/Q通道相位失配：≤±2度

• I/Q解调器本振泄露：≤-50dBc

• I/Q解调器三阶交调截断点：≥20dBm

• I/Q解调器二阶交调截断点：≥50dBm

• ADC有效位数：≥6bits

　　4.5  泰克宽带矢量信号分析系统与其它公司产品的比较

　　目前市场上只有泰克公司的宽带矢量信号分析系统具有1GHz以上瞬时带宽，80dB的增益调节能力，同时变频杂散抑制45dB 以上，本振信号泄漏小于-50dBc。其它公司产品瞬时带宽300MHz以下，增益调节能力很有限（30dB左右），同时变频杂散抑制及本振信号泄漏指标均无法保证。

　　5  系统校准和分析应用

　　5.1 系统校准

　　宽带矢量信号仿真系统的信号由AWG7000中的高速DAC产生，经SFUC40A和SFDC40A变频后，进入高速数字示波器进行采集分析。系统信号链路中叠加了DAC、上变频器、下变频器和ADC的幅度起伏和相位失真，在精确测量场合用户可能是无法容忍较大失真的存在，Tektronix公司RFXpress 高级波形创建和编辑软件包含RF/IF/IQ校准功能，只需简单的操作就可以完成整个系统的校准。系统校准后在瞬时带宽内幅频特性和相频特性非常优秀，完全能够达到宽带矢量信号分析和测量的要求。图8是整个系统的校准连接示意图，整个系统完成校准后，在SFUC40A和SFDC40A之间插入信道模型，通过对接收到宽带矢量信号进行分析，并与发射的原始信号进行关联，从而实现信道模型参数测量的功能。

　　图8  系统校准示意图

　　5.2 通信应用

• 使用各种调制方案定义基带IQ信号、IF信号和RF信号

• 系统校准后具有优秀的幅频特性和相频特性，可产生如QAM1024等高阶数字调制信号

• 生成单载波信号和多载波信号，每个载波都可以单独定义

• 可以设置OFDM 的所有参数：从基带数据、包一直到帧，定义用户自己的OFDM体制

• 支持RS(Reed-Solomon)编码、卷积和加扰

• 可以在信号加入诸如相位噪声、多径或量化等损伤

• 加入跳频和选通噪声

• 支持多种子载波调制，包括BPSK、QPSK、QAM（16、32、64、256）和8PSK

• 支持Tone nulling（音调清零）和clipping

• 预设WiFi 和WiMAX 标准波形

　　图9  多载波数字调制信号

　　图10  高阶调制（256QAM，符号速率1.5GHz，占用带宽2GHz以上）

　　5.3 雷达应用

• 创建一个或多个脉冲组，形成相参或不相参脉冲串

• 独立定义每个脉冲组

• 定义脉冲间和脉冲内的跳频码型、频率和幅度

• 定义所有脉冲参数，包括开始时间、上升时间、结束时间、下降时间、脉宽、衰落、过冲和波纹

• 使用斜坡或用户自定义轮廓，定义参差PRI

• 建立自定义脉冲序列，使用AWG的序列模式以优化内存、建立更多脉冲*3

• 支持各种脉内调制类型，包括扫频、步进调频、巴克码、多相码、用户自定义步进调频和代码及自定义调制

• 定义天线波束特性，模拟目标回波

　　图11  线性调频雷达信号

　　5.4 电子对抗应用

• 模拟多部雷达在时域上的叠加特性

• 使用斜坡或用户自定义轮廓，定义参差PRI

• 定义电波传播的多径特性

• 定义天线波束特性，模拟天线扫描波束特性

• 多部雷达实现快速的波形切换（300ns）

　　图8  三部雷达时域重叠的复杂脉冲信号

1. 总结

　　英格特公司宽带矢量信号仿真系统具有信号产生、分析及自动在线校准的功能，使用灵活方便，可以工作于110Gz以下任何频段，可控、可靠并可重复地闭环模拟或考验宽带系统研发过程中任何组件的性能。