概述
在无线通信领域，通信信号的发展方向是数字化。这一趋势主要是因为与模拟信号相比，数字信号有很好的频谱效率。为了满足日益苛刻的对信号中心频率、谱密度和频谱宽度的用户需求，对通信设备的要求越来越复杂和苛刻。
现在，任意波形发生器( Arbitrary Waveform Generators，简称AWG)和函数发生器(Function Generators，简称FG )可以克服以上困难，提供从未有过的灵活性，为工程师提供一台可产生多种类型信号和支持调制功能的强有力的仪器，可用于测试不同阶段的发射链路和接收链路，例如调制器、解调器、混频器、滤波器、放大器和低噪音放大器（LNA）。
发射链路和接收链路的不同阶段需要不同类型的测试信号，下面列举一些AWG应用案例：
• 利用AWG输出的比特流和触发输出信号（用于同步）对编码器进行测试。
• 利用AWG单路通道或两路通道输出的正交基带信号（可变参数，例如码元数量、发射端滤波器、噪声电平）测试发射/接收码元。
• 利用AWG输出的IF/RF信号测试混频器、IF滤波器、发射放大器和接收器状态。
图1 AWG在基带发射和接收链路不同阶段的应用
图2 AWG在射频发射链路中的应用
AWG输出比特流
现今，串行协议非常普遍，在很多通信标准中都有应用，因为串行协议具有远距离传输、高抗干扰性和其他的优点。
图3 基带归零码
这种包含比特流的通信类型，发射系统会比较并转换比特流为码元。
使用AWG可以创建输出一组参数可设置的比特流，例如频率、幅度和比特流码型等。市面上大多数的AWG都能满足参数可调的要求，下面以某意大利品牌的Active Technologies AWG-4022 (或AWG-GS 2500) 为例，介绍在AWG中比特流的创建。
创建比特流
可以加载比特流码型到AWG的内存中，设置仪器以精确的顺序或者外部输入时钟重建比特“0”或比特“1”。
举例介绍使用多定序器功能创建比特流的方法。通道1用于创建比特流码型，比如归零码和在每比特标记输出的脉冲。通道2用于创建触发通道1的不归零码。在这种方法中，码元码型和比特流码型是不耦合的。
通道1的定序器中包含比特流码型，比特“1”（waveform “Bit1”）和比特“0”（waveform “Bit0”）。“Bit1”和“Bit0”项目可设置为无限重复输出，或在事件触发中设置跳转到其他项目波形：触发上升沿发生时，定序器从比特“0”跳转到比特“1”。
通道2的定序器中包含我们想重建的比特流码型，直流电平被称为“ZERO”对应0V，代表比特“0”；“ONE”对应300Mv，代表比特“1”。也可以通过加载包含比特流数据的外部文件来创建比特流。
图4 通道1的定序器
创建比特流，必须要考虑AWG在触发输入后会花费1.81us的时间才响应，所以为了避免发生错误应该将比特流最小周期设置为大于2us（500Kbps）。通道2的定序器中的前两个项目时延时和脉冲：延时将通道2置于等待状态，并为开启通道1提供足够的时间；脉冲为通道1提供触发信号。通道1的定序器中的第一个项目是直流0V，用于“等待”，在通道2的脉冲上升沿之后重建通道1比特流码型。通道1的第一个波形（直流0V）和脉冲波形之间持续时间的不同提供了充足的延时时间确保了在直流0V波形结束前脉冲边沿能够重建。这种延时对策，脉冲和等待状态确保了通道间的同步。
图5 通道2的定序器
图6 测量设置： AWG-4022和R&S RTO2014示波器
图7 C1(黄色)：归零码比特流；C2(绿色)：非归零码比特流，用于触发AWG的通道1。使用R&S RTO2014示波器捕获信号。
图8 C1(黄色)：归零码比特流；C2(绿色)：标记输出信号，每比特对应一个脉冲。使用R&S RTO2014示波器捕获信号。
AWG输出I-Q信号
在现代数字通信中，基带信号通常包含被调制后合成的两路数字信号，一路叫做I（同相），另一路叫做Q（正交）。正因为如此，重建此类信号AWG必须具有两路同步通道。
尽管现代通信以数字技术为基础，但输出信号是模拟信号，这样会导致一些典型问题：设备噪声会降低最大SNR、非线性、正交错误、I和Q通道的不平衡，这些都会导致码元的星座图畸形、理论性能下降。
使用第三方软件，例如NI Labview® 或Matlab/Simulink®，可以创建不同类型的基带信号 （可以附加上面提及的信号缺陷），并加载最终波形到仪器内存。利用这种方法可以创建和存储很多种调制方案，在测试时调用这些调制方案评估系统性能。
图9 使用AWG为I-Q调制器提供基带信号原理框图
某意大利品牌Active Technologies的AWG-GS 2500提供2路模拟输出通道，2路标记输出通道，最多32路数字输出通道（与模拟输出通道同步）：若使用混合波形，则可以在与模拟波形同步的数字码型中上标记一个发送给被测设备的事件。
图10 使用AWG为解码器提供I/Q基带信号原理框图
使用Simulink工具箱创建I-Q信号
下面的Simulink®例程被用于在发射和接收链路的不同位置提供信号。下面讲解一些实际应用：
整形滤波器的改进：在发射和接收端的整形滤波器用于限制带宽以满足频域要求，可以避免码元间干扰（ISI）。最常用的滤波器是升余弦滤波器（通常是平方根模式）和高斯滤波器。在滤波之前进行数字调制，改变设置参数或调制类型可以测试滤波器的动作。
图11 升余弦滤波器的轮廓
升压转换器测试：通常基带信号被两个混频器调制，基带信号被本振信号相乘。为了测试这些电路，必须在滤波器之后提供I和Q信号。
基带接收链路测试：一但信号以基带形式返回，一些电子电路就会解调信号。为了测试解调电路的响应，需要提供不同SNR或码元速率的已调制基带信号
图12 使用Simulink®仿真基带信号原理图
1：随机码。
2（I），2（Q）：16-QAM直接输出（在整形滤波器之前）。
3（I），3（Q）：衰减和升余弦整形滤波器之后的16-QAM信号。
4（I），4（Q）：AWGN通道后的16-QAM信号。
Simulink®提供一些程序库模块，将模块简单地连接组合后设置响应的参数就可以模拟一些系统了。
在本文档中，我们模拟I-Q基带信号生成系统，增加发射滤波器、衰减器和AWGN通道噪声。
最后，仿真结果被输出到Matlab®工作空间，使用SCPI命令控制仪器将仿真劫夺以脚本形式加载到仪器内存。
主要的Simulink®模块有：
• Random number generator：生成伪随机数据流，馈送至系统。
• M-QAM/M-PSK modulator：调制输入的复数数据流，实部代表I信号，虚部代表Q信号。
• I/Q imbalance：在I-Q调制信号中添加失衡因子，仿真真实电子电路的缺陷。
• Raised cosine filter：这是一种非常常用的滤波器，用于整形避免码间干扰。
• AWGN Channel：添加噪声（或者使用其他模块进行衰减），仿真在真实欢迎传播后抵达接收端的信号。
• To Workspace：采集信号并在Matlab®工作空间创建数组，用于二次处理信号或向AWG内存加载信号样本点。
建议将所有的“To Workspace”模块的采样时间设置为等于AWG的采样周期。在上例中，设置为400ps（2.5GS/s）。这样设置后，信号样本数组就可以可以直接兼容AWG结构。AWG结构要求样本数量为16的倍数。
仿真时间
但是并不是所有的Simulink®模块都支持十进制采样周期时间，所以设置采样周期时间为1，将“仿真时间”设置为与欲加载到AWG内存中的样本数相等。
图13 “To Workspace”Simulink®模块的设置页面
图14 滤波前的矩形16-QAM
图15 16-PSK和16-QAM的星座图
图16 16-QAM的I通道眼图，使用R&S RTO2014示波器捕获信号
图17 50dB和20dB之间的SNR对比图
图18 在I通道和Q通道间的损耗图
AWG输出IF/RF信号
I-Q信号可以通过使用可能增加不必要失真的外部调制器进行合成，此外，在更改分析调制方案的情况下，应更换调制器。
通过AWG可直接合成IF/RF信号，并可以克服上述问题。
图19 AWG生成RF信号（接收机测试）
使用例如NI Labview®或Matlab/Simulink®这样的软件，可以直接创建RF/IF调制信号，并向信号添加缺陷，最后将结果加载到AWG内存中。
为确保良好的信号频谱质量，需要4倍以上的过采样。例字中的AWG-4022和AWG-SG2500可以生成最高600MHz的RF调制信号；对于较低频率信号，过采样速率增加可提升信号质量。下一AWG系列将克服600MHz的限制，为许多RF应用开辟道路。
使用Simulink工具箱生成RF信号
利用所描述的Simulink模块可以生成用于不同传输阶段和接收机链路的调制信号：
• 发射机RF放大器测试：在I-Q调制中，RF放大器的线性度非常重要，因为非线性会引发诸如AM/AM和AM/PM转换之类的不必要调制。通常使用提供正弦波的VNA来测量RF放大器性能并分析响应。相反，AWG可以将调制的RF信号直接提供给放大器，具有在实际操作条件中进行测试的优点。最终结果取决于设备的工作点和热效应，然后用正弦波进行测试可能会与放大器工作实际情况不同的结果。
图20 RF功率放大器的AM/AM和AM/PM图
• 接收机RF部分测试：RF部分主要由滤波器、低噪声放大器（LNA）、混频器和载波恢复电路组成；这部分仅传输需要有用的信号。在这个Simulink示例中，我们添加了两个干扰信号在载波的不同位置点处，以测试接收机性能。
• 接收机链路测试：RF调制信号可用于测试整个接收机链路，提供不同损耗的调制信号并观察接收机的性能。
• 均衡器测试：现代接收机可以在多个天线之间切换信号功率或合成多个信号以获得最佳信号。AWG通道可以加载相同的RF信号，但可具有不同的幅度或相位；以这种方式可以测试均衡器性能。对于这种测试，AWG的定序器可能是有用的，因为它允许创建不同振幅、相位或频率得调制信号的波形序列。
图21 RF发生器Simulink框架
5：16-QAM的RF输出。
6：输入2个干扰信号后16-QAM的RF输出。
该Simulink框架是前文的一个扩展：在基带部分之后，我们添加两个混频器和两个正弦本地振荡器。更多的是在生成RF部分之后，我们添加了另外两个正弦载波附近的干扰信号。
在这个Simulink框架中添加的主要模块有：
- Sine Wave：本地振荡器和干扰信号模块。
- Product：理想混频器模块。
- Add：允许多个信号间进行加或减。
图23 带有和不带有升余弦滤波器条件下的16-QAM频谱对比图
图24 载波在500MHz，其它两个干扰信号分别位于470MHz和550MHz
附录
在本章中，我们描述了简化信号生成的一些特点。在小节中我们会提及控制仪器加载波形的Matlab脚本、在定序器中保存波形的方法和简化重复操作。
Matlab 脚本
下面提供的Matlab®脚本实现了使用NI VISA®通过以太网发送SCPI命令。对于NI VISA的详细介绍和如何连接仪器，请参考AWG的编程手册。
列举的历程支持加载波形样本至仪器内存并以连续模式生成波形。
可以通过修改和扩展脚本控制AWG的所有功能。
图25 Matlab 脚本截图：向AWG内存加载样本点
定序器
使用高采样率唯一的缺陷就是仪器内存的消耗，然后为了节省内存，可以降低采样率，但信号质量也随之降低。
为了解决存储器占用和信号质量的并存问题，重要的是要考虑使用定序器来创建构成在存储器中存储的不同波形的信号，从而可以使用外部触发器上的循环，跳转和分支等指令来选择不同的实时波形。
如果一个复杂的波形可以分解为几个部分，定序器就为了节省仪器内存仅存储不同的部分，并在运行时间内组合它们创建信号。例如，长序列的归零（RZ）码仅由两个码元组成：“0”和“1”，然后存储和组合这两个符号，可以创建任何数据流。
AT-AWG-GS应用程序具有内置编辑器，可以以简单的方式创建非常复杂的波形，此外，您可以导入由第三方工具创建的波形或者以CSV，TXT格式导出。
所有这些波形都可以轻松的插入到定序器中，构建非常复杂的波形序列。
图26 AWG软件“导入波形”界面
图27AWG定序器界面
题外话
在以上应用中，业内同行都说某意大利品牌Active Technologie的ARB骑士系列任意波形比较好用。ARB骑士系列AWG提供优质的信号完整性，简单的触摸显示屏操作(SimpleRiderTM)。复杂信号的生成只需要简单的几下触摸设置。输出电压幅度最高5Vpp@50Ω负载，模拟带宽1GHz，边沿时间小于350ps。
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