信号发生器的分类、应用领域及发展趋势

詹志强 / 上海市计量测试技术研究院

0 引言

在无线通信领域的研发、测试和生产过程中，信号发生器、网络分析仪、频谱分析仪和示波器这四大通用测量仪器得到了广泛使用，其中以信号发生器位列四大通用电子测量仪器之首。实际上，信号发生器是最基本也是应用最为普及的电子测量仪器，除了广泛应用于无线通信领域外，还大量应用于生产、科研、国防和科学实验中。

信号发生器也称为信号源，其输出信号类型可以是正弦波信号、函数信号、脉冲信号、任意波形信号或者是数字调制信号等，输出信号可以是未带有偏置电压的双极性信号，也可以是带有偏置电压的信号。双极性信号是指输出信号在接地参考点的上下变化。而带有偏置的信号是输出信号在一定范围的直流偏移电压（直流偏移电压可以是正电压、也可以是负电压）基础上变化，见图1。

图1 带有偏置的输出正弦波信号

1 信号发生器的分类

信号发生器由于用途广泛、种类繁多，其分类方式也有多种，下面详细介绍。

1.1 按照用途分类

按照其用途，信号发生器一般可分为两大类型：通用信号发生器和专用信号发生器。

通用信号发生器主要是针对各种通用测试中共同感兴趣的问题而研制的信号发生器，一般未加特殊说明的信号发生器即属于通用型正弦信号发生器。

专用信号发生器是为了某些特殊的测量目的而研制生产的信号发生器，例如用于电视测量用的电视信号发生器、供通信中音频测量用的电平振荡器、供数字通信测量用的脉冲码型发生器、能产生各类数字调制信号的矢量信号发生器、扫频测量时所用的扫频信号发生器等均属于专用信号发生器范畴。

随着技术的发展，现今的通用信号发生器也可以产生专用信号，两者之间的界限已经不是很明显，并且具有深度融合的趋势。

1.2 按照产生信号的波形分类

按照产生信号的波形，信号发生器可分为正弦波信号发生器、扫频信号发生器、函数信号发生器、脉冲信号发生器、噪声信号发生器、伪随机信号发生器、任意波型信号发生器、模拟调制信号发生器、矢量信号（数字调制）发生器等。

1）正弦波信号发生器

正弦波信号发生器是用于产生正弦波信号的发生器。正弦波是电子系统中最基本和最常用的测试信号，频率下限低至微赫兹，上限为几十吉赫兹甚至是太赫兹。正弦波信号最容易产生也最容易辨识，波形如图2所示。

图2 正弦波波形

2）扫频信号发生器

在一定的频率范围内反复扫描的正弦信号发生器称为扫频信号发生器，也称扫频源。

合成式扫频信号发生器（有时也称合成式扫频源）是一种既有合成式信号发生器的各种功能，又具有扫频信号发生器特点的一类信号发生器，扫频方式可以选择模拟方式或频率步进方式等，也可以选择数字扫频方式。

现今的扫频信号发生器除了可以实现频率扫频外，还可以实现功率扫描，使输出功率在一定范围内按照一定规律变化，功率扫描范围、扫描步进、扫描时间等均可由控制面板控制或程控工作，信号波形如图3所示。

图3 频率扫频信号时域波形

3）函数信号发生器

函数信号发生器的输出波形通常有正弦波、方波、矩形波、三角波、锯齿波等，有的函数信号发生器还可以输出梯形波、阶梯波等，频率范围从毫赫兹至上百兆赫兹。

（1）方波和矩形波

方波和矩形波是数字电路中最常用的波形（见图4）。方波的特点是以相同的时间间隔在两个固定电平之间切换电压信号；矩形波的特点与方波类似，但其高低电平的时间间隔不相同。数字系统中计算机、各类电信设备、HDTV系统等使用方波提供时钟信号，矩形波信号则主要用于数字通信中的高速率误码测试等情形。

图4 方波和矩形波

（2）锯齿波和三角波

锯齿波和三角波的几何形状恰如其名（见图5）。锯齿波在每个周期中缓慢均匀地上升到峰值，然后再迅速下降；三角波的上升时间和下降时间比较对称。锯齿波和三角波通常用于显示部分的水平扫描，如模拟示波器和模拟电视。

图5 锯齿波和三角波

4）脉冲信号发生器

脉冲与矩形波有关，与矩形波一样，它是由先开后关或先关后开在两个固定电压电平之间产生的。脉冲本身是二进制信号，因此是在数字系统中传送信息（数据）的基本工具。脉冲可能表示穿过计算机的一个信息比特，一起传送的脉冲集合构成了一个脉冲串，同步的一组脉冲串(可以以并行方式传输或以串行方式传输)构成了一个数字码型。

图6是阶跃、脉冲形状和脉冲串的实例，尽管数字数据名义上由脉冲、矩形波和方波组成，但实际的数字波形上升沿将没有图6中的陡峭。

图6 阶跃、脉冲和脉冲串形状

脉冲信号发生器是非常重要的信号发生仪器，随着数字通信技术的发展，脉冲信号发生器的使用越来越广泛。输出的脉冲信号可按需要设置其重复频率、脉冲宽度、占空比、上升时间和下降时间等参数。脉冲信号发生器除了输出单端口信号，还可以输出数字通信中所需要的双端口差分信号。

5）噪声信号发生器

噪声信号发生器是专门用于产生随机噪声信号的发生器，其产生的信号具有很宽的均匀频谱。常用于测量接收机的噪声系数，或者是调制到高频或射频载波上作为干扰源。图7为常见的噪声信号发生器的输出信号波形。

图7 噪声信号发生器输出信号波形

6）伪随机信号发生器

伪随机信号发生器用于生成一串电平随机编码的数字序列信号（见图8），因其序列周期相当长（在足够宽的频带内产生相当平坦的离散频谱），有点类似随机信号，故称为伪随机信号。

图8 伪随机信号发生器输出信号波形

7）任意波形信号发生器

任意波形信号发生器的主要特点是使用软件（内置或者外置）产生所需要的任意波形，并可仿真复杂的实际信号，包括各种函数、噪声、脉冲串、调制信号等，可以产生如心电图波形、雷电干扰、机械运动等形状复杂的波形，还可以产生数字调制的基带信号、高速脉冲信号以及宽带调制的基带信号。任意波形信号发生器的最大特点是操作简便、快捷、使用经济，是设计工程师、测试工程师和维修工程师强有力的工具，图9为使用任意波形信号发生器所产生的心电图波形。

图9 任意波形信号发生器输出心电图波形

8）模拟调制信号发生器

模拟调制是指将模拟信号调制到射频载波上以便于远距离传输，模拟调制方式有调幅（AM）、调频（FM）、调相（PM）和脉冲调制，而模拟调制信号发生器是指可以产生调幅、调频、调相和脉冲调制的信号发生器。

图10为模拟调幅（AM）信号波形，图形的上部为载波信号，中部的波形为调制波形，下部为调制后的波形。

图10 模拟调幅（AM）信号波形

9）矢量信号（数字调制）发生器

在通信领域，由于通信业务的增长需要占用新的频谱，但是可用的频谱资源是有限的，因此必须尽可能提高系统单位带宽传输的信息量。数字调制与模拟调制技术相比，可带来更大的信息容量、更好的兼容性、更高的数据保密性、更好的通信质量。因此，近年来数字调制技术在通信领域得到大量应用。矢量信号发生器就是为不断满足通信技术发展的数字化需求而出现的新型信号发生器，它将通信中的数字调制技术引入信号发生器技术领域，为通信设备的测试提供了必要的条件。

矢量信号（数字调制）发生器主要用于产生矢量信号，即数字通信中常用的调制信号，支持l/Q调制类型有：ASK、FSK、MSK、PSK、QAM、定制I/Q调制、3GPP LTE FDD和TDD、3GPP FDD/HSPA/HSPA+、 GSM/EDGE/EDGE演 进、 TD-SCDMA、WiMAXTM、IEEE802.11a/b/g/n/ac、Bluetooth等标准。

通过正交调制（IQ调制），可以同时传输幅度和相位信息，故称为矢量信号发生器。矢量信号发生器主要用于无线通信，图11为矢量信号发生器输出的I路信号波形。

图11 矢量信号发生器输出的I路信号波形

1.3 按照频率的产生方法分类

按照频率的产生方法，信号发生器可以分为谐振信号发生器和合成信号发生器。

1）谐振信号发生器

输出信号频率由频率选择电路控制正反馈振荡电路产生，比如LC震荡器和RC震荡器等。

2）合成信号发生器

输出信号频率通过锁相环技术得到，或者通过加、减、乘、除组合一系列频率（直接频率合成）得到。

1.4 按照频率范围分类

信号发生器又可按频段来进行分类（见表1）。

表1 信号发生器的频段分类

1.5 按照信号发生器的性能分类

按照信号发生器的性能，信号发生器可分为：

1）简易信号发生器；

2）功率信号发生器；

3）标准信号发生器；

4）扫频信号发生器；

5）函数信号发生器；

6）基带信号发生器；

7）矢量信号发生器。

简易信号发生器和功率信号发生器一般具有较大的输出功率，但其输出信号质量一般不是很好，具体说来，是输出信号的功率、频率、调制的准确度不是很高。

标准信号发生器具有较好的输出信号质量，其输出信号的频率、电平及调制等可在一定范围内调节，输出信号的频率和电平准确，输出信号的调制质量好、输出信号杂散小，具有良好的屏蔽性能，是目前使用量最大的信号发生器。

信号发生器生产厂家可根据用户的需要，设计生产出各种不同的信号发生器：可提供不含输出衰减器的或不含内部调制的连续波信号发生器，或带有包括脉冲调制的内部调制标准信号发生器，或模拟、数字及矢量调制的矢量信号发生器，以及产生任意波形信号的任意波形信号发生器等，可供我们在进行信号发生器选型时选用。

2 信号发生器的用途

信号发生器的用途非常广泛，通常分为以下几个方面：产生测试所用的激励信号、产生测试所需要的仿真信号、产生测试所需要的标准信号。

2.1 产生测试所用的激励信号

在研制、生产、测试各类电子元器件、零部件或维修整机设备时，都需要用到信号发生器。信号发生器产生所需要的不同频率、不同波形、不同调制的信号，将这些电压信号、电流信号、射频信号或者是微波功率信号加至被测件，然后再使用其他类型的测量仪器来观察、测量、分析这些被测件的输出，可分析确定这些被测件的性能参数。

在以上所述的测试中，信号发生器的用途是输出激励信号用于测试。

2.2 产生测试所需要的仿真信号

在设备测量中，常需要模拟实际环境中的信号特性，例如需要对干扰信号进行仿真，需要对无线通信中所用的多路径信号进行仿真。

另外，在电子技术领域，例如在各种电子元器件、部件或者整机设备的研制、生产和维修中，需要了解在参数变化时，例如电压、电流、增益、频率特性和相位噪声改变时，被测件的特性变化情况。

2.3 产生测试所需要的标准信号

使用性能指标较好的信号发生器产生所需要的信号，此时信号发生器的输出信号就可作为标准信号，用于对一般信号发生器发生的信号进行校准（或进行比对）。例如振荡器或发射机的输出信号，其输出信号的特性需要通过与标准信号进行比较才能得到。信号发生器加上指示器，就可以测量阻抗和品质因数。利用比较法，信号发生器可以用来测量电压、电流、功率和频率等。利用替代法，可以测量衰减和相位。通过外接标准天线，可以测量场强。此外，信号发生器和其他仪器配合使用，可以进行综合参数测试，比如网络测试和传输特性的测试等。

而随着无线电技术的发展，在无线数字通信、导航、遥测遥控、广播电视等领域，信号发生器的使用也是越来越广泛。这些应用领域总是要求信号发生器提供一个已知频率、已知电平、已知调制特性的所需信号或者是标准制式信号，用于产品的测试、性能指标的检验及综合测试仪器的校准等。

2.4 其他方面的应用

除了在电子技术尤其是电子测量方面的应用外，信号发生器还可以用于机械工程中的超声波探伤、医疗部门的超声波诊断、康复医疗中频谱治疗仪的信号产生等。

此外，信号发生器也用于频率计数器的校准，用信号发生器输出已知频率准确度的标准信号来校准频率计数器的频率准确度。

信号发生器产生所需频率和所需电平信号也用于音频产品测试等。

随着数字技术的发展和扫频技术的进步，利用信号发生器进行全自动测试和远程测试的案例已经越来越多。

3 信号发生器的发展趋势

3.1 显示和控制方式智能化

随着电子技术和频率合成技术的发展，特别是随着微处理器技术的发展，早期的调谐式信号发生器已经被合成式信号发生器所替代。现在的信号发生器已经不再使用度盘、旋钮、表头等模拟方式控制和显示参数，微处理器已成为信号发生器的标准配置。智能化、自动化和数字化是其显著的特点，显示和控制可以通过面板和触摸屏实现。亦已出现无操作面板的信号发生器，其操作和控制全部依靠且只能以计算机控制方式工作。

合成式信号发生器的优点也非常明显：带有微处理器的合成信号发生器具有状态自检、工作状态存储、易于实现联网控制等功能，能较好地实现人机对话、远程控制、以及信号产生。

3.2 频率产生方式合成化

合成式信号发生器也称频率综合器或频率合成器，它运用频率合成的方法产生所需频率范围的正弦波信号或任意波形信号，在很宽的频率范围内，其频率准确度和稳定性可以达到与内部参考频率标准（一般为参考晶体振荡器）相同的水平。

频率合成器的频率合成方法分为两种，一种是间接合成法，另一种是直接频率合成（DDS）法。

间接合成法中，一般应用频率锁相技术，就是在内部参考晶体振荡器提供的标准频率与高频振荡器输出频率之间建立起相位相关而达到频率控制，锁相环路（简称锁相环，英文名称为Phase-locked loop，缩写为PLL）是间接合成法的基本电路。间接合成法频率合成器的射频信号是从压控振荡器输出的，频率变换时应用的硬件设备较少，简化了结构，降低了成本，适合于大规模生产，这使合成式信号发生器得到了广泛的应用。

直接合成法（DDS）的特点是频率转换速度快。直接读取式合成信号发生器频率转换速度可以达到微秒甚至纳秒量级，而一般的间接合成式信号发生器的频率转换速度为几十毫秒量级。直接合成法技术在需要快的频率转换速度场合得到广泛应用。

3.3 功能的集成化

随着数字集成电路的发展，特别是微波集成电路的发展，使信号发生器的体积得以越来越小，重量越来越轻，同时功能越来越强大。以前需要多台信号发生器实现的功能现已经集成于一台信号发生器，例如现在的矢量调制信号发生器，已经集CW信号发生器、模拟调制信号发生器、扫频信号发生器、基带信号发生器于一体。由于频率合成采用多环技术，频率范围已经很宽，一台信号发生器可以实现100 kHz至几十吉赫兹的频率覆盖，涵盖了以前多台信号发生器所产生的频率范围。现在，已经出现了模块化的信号发生器。随着科学技术的发展以及微波集成电路的进步，将会出现“芯片”级的信号发生器。

3.4 操作控制方式网络化

信号发生器的数字化和集成化，更容易实现信号发生器操作控制方式的网络化，以便实现远程控制和自动控制。通过网络，仪器与用户之间可异地交换信息和浏览页面，厂商能直接与异地用户进行交流，能及时完成如仪器故障诊断、指导用户维修或交换新仪器改进的数据、软件升级等工作。仪器操作过程更加简化，功能更换和扩张更加方便。

早期的信号发生器联网通信方式比较简单，仅具有IEEE488并口、RS232串口等端口，只能实现简单控制功能和少量数据的传输，传输速率只能达到千比特/秒量级。具有GPIB（IEEE 488）接口的信号发生器传输速率仍然不高，标称速率最高为1 M bit/s。实际传输时随着GPIB线缆的加长和所接仪器数量的增加有所降低，一般可达到250 kbit/s左右。目前具有GPIB总线的台式仪表还是具有非常大的保有量。

现今信号发生器的LAN接口和GPIB接口已经是标准配置。而对于模块化信号发生器，其总线已经发展至PXIe总线，并推出了更高速度的LXI总线。信号发生器通过LAN接口与互联网相连使得信号发生器的控制方式更为多样化，为物联网的应用打下了基础。

3.5 信号产生方式软件化

随着数字合成技术在信号发生器中的大量采用，类似于“软件无线电”，信号发生的“软件化”也是未来发展的趋势之一。现代信号发生器只是提供了一个“硬件平台”，大量的信号模拟仿真功能依靠“软件”来实现，从而满足了3G、4G以及5G无线数字通信、数字电视、宽带无线局域网802.11/n/ac/ad标准、信号模拟仿真、雷达电子战信号仿真等的多种测试需求。

3.6 组成方式模块化

随着微波集成电路的发展以及总线技术的发展，已经出现了模块化信号发生器，将信号发生器功能模块化。例如模块化参考晶体振荡器、模块化任意波形发生器等，几个模块组合于机箱中或者集成于一个PXI或PXIe机框，通过总线连接就构成了一台信号发生器。选用不同的功能模块就可以很容易实现不同频率范围、不同频率准确度、不同功率范围、不同调制类型和调制带宽的信号发生器，实现了体积小、功耗低、功能强，同时很容易实现在一个机箱集成多个信号发生器生成MIMO（多进多出）信号和多种制式的信号。

3.7 输出信号多通道化

现今的电子产品日趋复杂，如在手机的研发、生产和测试中，就需要蓝牙信号、无线局域网信号、GPS（或北斗）导航信号、2G、3G、4G信号、调频广播信号、NFC信号等。按照以前的配置，需要配置多台信号发生器才能满足需求，现在只要一台多端口信号发生器就可以满足全部的信号要求。多端口除了在单个端口实现以上的信号外，还可以将所需要的数个信号汇总于一个端口输出，极大地方便了调试和测试。

3.8 功耗微小化

随着技术的发展，微型控制器和微波集成电路的大量使用，以及功率放大器新技术的采用（比如采用预失真技术），信号发生器的功耗比起以前有了很大的降低，以前的信号发生器功耗可以达到数百瓦，而现在降低至十数瓦至数十瓦量级。

3.9 频率范围更高

随着毫米波以及太赫兹研发和测试需求，信号发生器输出信号的频率范围不断向上扩展，除了单机的频率上限不断提升外，还可以通过外接谐波倍频器扩展信号发生器用以输出信号频率至毫米波和太赫兹频段。

3.10 调制带宽宽带化

第4代移动通信LTE-Advanced的最大信号带宽为100 MHz，宽带无线局域网802.11ac的最大信号带宽为160 MHz，研发测试这些设备时需要具有160 MHz调制带宽的矢量信号发生器。而为了满足第5代（5G）移动通信和下一代无线局域网的研发需求，除了需要信号发生器输出信号频率需要达到毫米波段甚至是亚毫米波段外，还需要信号调制带宽至少达到2 GHz。

3.11 输出功率范围更宽

为了满足客户的需求，现在的信号发生器输出功率范围更宽，已经出现了功率输出范围为-142～30 dBm的信号发生器，极大地满足了客户在许多场合的测试需求。

3.12 更多类型专用信号发生器

除了传统的专用信号发生器，如电视信号发生器、脉冲码型信号发生器外，为了满足现代雷达、电子战装备等军事装备的测试需求，需要信号发生器具有非常短的频率改变时间。此时采用传统锁相环技术的合成信号发生器已经不能满足要求，需要采用专用的DDS数字信号发生器，以实现宽频带多目标雷达回波信号模拟——多批次、多目标模拟；多通道信号模拟——具备不同时间差、幅度差、相位差和多普勒频移差的多通道信号模拟；多载波信号模拟——多制式多辐射源信号模拟；复杂电磁环境构造模拟。

为了测量低相位噪声信号，出现了具有极低相位噪声的信号发生器，用于相位噪声测量仪器后测试系统的本振源。

宽带无线通信技术的实现很大部分是基于调制方式的复杂化，现代信号发生器的调制方式除了具有模拟调制方式（调幅、调频和调相）外，数字调制已经从早期的GMSK、FSK、BPSK、QPSK发展至1024 QAM和正交幅度调制OFDM。这些复杂的调制要求信号发生器除了具有非常宽的调制带宽外，还必须具有非常低的相位噪声。

4 结语

信号发生器的分类、应用领域及发展趋势的介绍，对于正确选择信号发生器具有重要的意义。