引言

任意波形發(fā)生器（Arbitrary Waveform Generator, 以下簡稱“AWG”）是從信號發(fā)生器演進(jìn)過來的一款信號源。1988年是德科技推出了第一款數(shù)字架構(gòu)的模擬帶寬50MHz的AWG HP8770A。

圖1：HP8770A 產(chǎn)品背面

經(jīng)過近40年的發(fā)展，AWG 早已經(jīng)成了各大應(yīng)用領(lǐng)域必不可少的信號源！是德科技也已擁有了一系列AWG產(chǎn)品。

圖2：一張圖了解是德科技AWG 家族

小k特意高亮了兩款A(yù)WG，M8199B 和M8198A，是我們的最近的新品AWG，它們分別是高采樣率和深存儲的代表。

今天這篇輕科普文章，就帶大家了解什么是AWG，它的應(yīng)用場景以及和信號發(fā)生器的區(qū)別吧。

1.AWG的基本架構(gòu)及指標(biāo)解析

1.1 基本架構(gòu)

為了更好地理解使用AWG，讓我們來看看它的基本架構(gòu)——它與傳統(tǒng)的信號發(fā)生器有很大的不同。

圖3：AWG 基本架構(gòu)

這個框圖顯示了一個單通道AWG。

首先，使用AWG自帶的軟面板軟件、編程語言或其他用戶自定義軟件，可以編寫、計算并生成信號波形文件。該波形會被下載到AWG的波形存儲器中。

其次，在運行時，FPGA從存儲器中讀取數(shù)字信息并將其發(fā)送到數(shù)模轉(zhuǎn)換器。FPGA還對波形數(shù)據(jù)進(jìn)行排序和實時處理。

最后，DAC將數(shù)字信號采樣轉(zhuǎn)換成模擬信號。DAC以一定的采樣率工作。再之后則是重構(gòu)濾波器。在實際的AWG中，重構(gòu)信號通常是通過一些信號處理鏈路來實現(xiàn)的。信號處理鏈路包括DAC本身、一組低通(有時是帶通)濾波器和一組放大器。一些AWG可能包含優(yōu)化時域或頻域信號性能的特殊輸出模式。

對了，在運行期間，采樣時鐘發(fā)生器的頻率通常不會改變（除非有特殊需求）。如果需要產(chǎn)生不同的輸出頻率，可以通過使用不同的波形文件來實現(xiàn)，而不是改變采樣時鐘振蕩器。

當(dāng)然，我們從圖2中看到，AWG通常有多個通道，且能通過級聯(lián)實現(xiàn)更多通道。多通道AWG系統(tǒng)會將同一個采樣時鐘級聯(lián)到不同板卡和機(jī)箱中，以實現(xiàn)多通道信號的同時啟停以及信號相參。

1.2 指標(biāo)解析

2.AWG的主要應(yīng)用場景

下圖中我們列舉了一些AWG的主要應(yīng)用場景。

圖4：AWG 應(yīng)用場景

在左側(cè)紅色區(qū)域展示了對信號帶寬的需求。其中比較普遍的應(yīng)用——高速數(shù)字應(yīng)用，常見的如NRZ、PAM4信號，400GE/200GE/50GE三種標(biāo)準(zhǔn)中都采用了26.5625 GBaud或者 53.125 GBaud PAM4調(diào)制技術(shù)。又如目前比較熱門的太赫茲（THz）及6G預(yù)研都需要產(chǎn)生一個超大帶寬的基帶信號。此外還有一些商業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，例如HDMI，以及一些常用接口，如MIPI D-PHY等。在右側(cè)藍(lán)色區(qū)域展示了對深動態(tài)范圍的需求，這些需求通常都針對RF、衛(wèi)星通信、PA/LNA、5G及新調(diào)制信號這類的應(yīng)用。例如在測試WIFI或5G NR通信信號時，我們需要產(chǎn)生幾百兆赫或千兆赫的調(diào)制信號。同時還要求在生成大功率信號的情況下提供盡可能小的儀表底噪和優(yōu)秀的小信號質(zhì)量，以實現(xiàn)更大的動態(tài)范圍。

3. AWG 和其他信號發(fā)生器的差別

這邊列舉了不同種類的信號發(fā)生器，如脈沖發(fā)生器、BERT，函數(shù)發(fā)生器或噪聲源。這些信號發(fā)生器都是為了在某些特殊的應(yīng)用領(lǐng)域制造純信號而設(shè)計的。

3.1 信號源 VS AWG

首先是信號源，對比信號源，AWG可以有更寬的調(diào)制帶寬。大多數(shù)信號源的問題是它們矢量調(diào)制帶寬通常只有幾十MHz或者幾百MHz，要很好很昂貴的矢量源才能到2GHz，4GHz甚至5GHz。任意波形發(fā)生器的帶寬通常可以認(rèn)為是最高采樣率的一半，所以頻譜要比普通矢量源寬得多。同時AWG也可以很輕易地通過編寫波形文件來產(chǎn)生多個載波，而不需要有多個實際的信號源或信號發(fā)生器。但AWG與經(jīng)典的信號源相比也有劣勢，AWG沒有那么好的動態(tài)范圍。AWG的無雜散動態(tài)范圍SFDR會比矢量源稍差。

3.2 噪聲源VS AWG

噪聲源產(chǎn)生噪聲來模擬隨機(jī)抖動或幅度噪聲。而AWG可以做更復(fù)雜，更靈活的信號。你可以做出不同的形狀，用不同的帶寬的噪聲。但最大的問題是，因為AWG的memory是固定的，所以AWG產(chǎn)生的信號實際上并不是隨機(jī)的。換句話說，內(nèi)存深度決定了AWG產(chǎn)生的噪聲的隨機(jī)性。

3.3 函數(shù)發(fā)生器VS AWG

對于函數(shù)發(fā)生器來說，AWG的優(yōu)點是功能更多更全面，性能更強(qiáng)大，但是對于相同的帶寬，AWG通常更昂貴。但AWG沒有屏幕，通常需要連接顯示器、鼠標(biāo)等其他外設(shè)，而函數(shù)發(fā)生器可以在前面板上使用按調(diào)出預(yù)定義的波形，并創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)波形等。

3.4 BERT VS AWG

相比于BERT，AWG提供了更多的靈活性，例如可變上升時間，多級信號，預(yù)失真，但不能做到真正的RJ。

最后小k還給大家?guī)?/p>

2個使用AWG的Tips

1如何校準(zhǔn)AWG ？

在處理寬帶調(diào)制時面臨的挑戰(zhàn)之一是在很大的頻率范圍內(nèi)獲得平坦的頻率和相位響應(yīng)。由于AWG波形是用數(shù)學(xué)方法計算的，因此對于任何幅度或相位的非平坦性進(jìn)行校正相當(dāng)容易。

如果AWG輸出和通道的插入損耗(或S21)已知，則可以預(yù)失真所需的信號，以補(bǔ)償通道的插入損耗。圖6顯示了M8195A 1通道(藍(lán)色)和2通道(紅色)的頻率響應(yīng)。雖然兩個通道表現(xiàn)出相似的行為，但它們在直流到25GHz(該儀器的指定帶寬)之間的頻率響應(yīng)中都有1到2dB的明顯起伏。在25 GHz以上，頻率響應(yīng)急劇下降，但即使達(dá)到28 GHz，頻率響應(yīng)仍在-10 dB以上。

圖7顯示了在補(bǔ)償平坦度后的頻率響應(yīng)，最高可達(dá)28 GHz。是德科技的高速AWG提供兩種方法來執(zhí)行頻率/相位響應(yīng)校正。

圖6：校準(zhǔn)前M8195A Ch1 & Ch2 的頻率響應(yīng)

圖7：校準(zhǔn)后的頻率響應(yīng)

首先，讓我們看看內(nèi)置校準(zhǔn)：在制造過程中，AWG的每個通道都具有其特定的頻率和相位響應(yīng)特征，并將結(jié)果存儲在AWG模塊中。當(dāng)應(yīng)用軟件計算波形時，它可以讀取內(nèi)置的校準(zhǔn)表，并使用該數(shù)據(jù)去嵌入頻率響應(yīng)，以便在AWG的連接器處生成干凈的信號。參考平面位于AWG的輸出連接器處。如果用戶可以提供額外的電纜，適配器，放大器等器件鏈路的S參數(shù)文件，那么可以再延申校準(zhǔn)平面。但是測量這些s參數(shù)可能很困難，并且需要將某些拆開，這增加了測量的不確定性。

另一種方法是使用一個寬帶接收機(jī)，在AWG的另一端測量信號的實際表現(xiàn)，無需拆開外部電路，如電纜、適配器、放大器等等連接，從而將參考平面移動到被測設(shè)備的輸入端。校準(zhǔn)測量本身可以使用實時示波器或采樣示波器進(jìn)行。

2如何實現(xiàn)更長的播放時間（Playback Time）？

在1.2.3 存儲深度 指標(biāo)講解中，我們提到了一個公式：

Memory ÷sample rate =playback time

正如我們所了解的，播放時間的有限因素之一是內(nèi)存的大小。我們可以通過將內(nèi)存的大小除以采樣率來計算播放時間。

那如何在給定的內(nèi)存大小和采樣率下實現(xiàn)更長的播放時間呢？

我們使用了一個簡單的技巧來通過使用序列控制器來擴(kuò)展播放時間。我們只存儲了一部分波形，也稱為波形段。使用序列控制器內(nèi)存，我們能夠排列不同的波形段，從而創(chuàng)建出更復(fù)雜的波形。序列控制器內(nèi)存包括一個表格，其中包含了哪個段在波形中的哪個時間播放，以及重復(fù)率（循環(huán)次數(shù)）。在這里，所有保存的波形段可以在所需的波形中播放一次，或者可以分配到不同的位置并具有特定的循環(huán)次數(shù)。因此，您可以看到序列控制器內(nèi)存是將所有波形段排列成所需波形的地方。

這種方法利用了序列控制器的功能，通過存儲波形段并將它們排列起來，從而擴(kuò)展了播放時間。通過在序列控制器內(nèi)存中設(shè)置不同的波形段，我們可以創(chuàng)建出更復(fù)雜的波形。這些波形段的播放時間和重復(fù)率都可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，從而實現(xiàn)所需的波形。

圖8：Waveform Sequencing

關(guān)于是德科技

是德科技（NYSE：KEYS）啟迪并賦能創(chuàng)新者，助力他們將改變世界的技術(shù)帶入生活。作為一家標(biāo)準(zhǔn)普爾 500 指數(shù)公司，我們提供先進(jìn)的設(shè)計、仿真和測試解決方案，旨在幫助工程師在整個產(chǎn)品生命周期中更快地完成開發(fā)和部署，同時控制好風(fēng)險。我們的客戶遍及全球通信、工業(yè)自動化、航空航天與國防、汽車、半導(dǎo)體和通用電子等市場。我們與客戶攜手，加速創(chuàng)新，創(chuàng)造一個安全互聯(lián)的世界。