什么是AWG？AWG和其他信號(hào)發(fā)生器的差別

引言

任意波形發(fā)生器（Arbitrary Waveform Generator, 以下簡(jiǎn)稱“AWG”）是從信號(hào)發(fā)生器演進(jìn)過來的一款信號(hào)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(hào)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(chǔ)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(chǎng)景以及和信號(hào)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(hào)發(fā)生器有很大的不同。

圖3：AWG 基本架構(gòu)

這個(gè)框圖顯示了一個(gè)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(jì)算并生成信號(hào)波形文件。該波形會(huì)被下載到AWG的波形存儲(chǔ)器中。

其次，在運(yùn)行時(shí)，FPGA從存儲(chǔ)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(duì)波形數(shù)據(jù)進(jìn)行排序和實(shí)時(shí)處理。

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

對(duì)了，在運(yùn)行期間，采樣時(shí)鐘發(fā)生器的頻率通常不會(huì)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(shí)現(xiàn)，而不是改變采樣時(shí)鐘振蕩器。

當(dāng)然，我們從圖2中看到，AWG通常有多個(gè)通道，且能通過級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)更多通道。多通道AWG系統(tǒng)會(huì)將同一個(gè)采樣時(shí)鐘級(jí)聯(lián)到不同板卡和機(jī)箱中，以實(shí)現(xiàn)多通道信號(hào)的同時(shí)啟停以及信號(hào)相參。

1.2 指標(biāo)解析

2.AWG的主要應(yīng)用場(chǎng)景

下圖中我們列舉了一些AWG的主要應(yīng)用場(chǎng)景。

圖4：AWG 應(yīng)用場(chǎng)景

在左側(cè)紅色區(qū)域展示了對(duì)信號(hào)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(hào)，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(gè)超大帶寬的基帶信號(hào)。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(duì)深動(dòng)態(tài)范圍的需求，這些需求通常都針對(duì)RF、衛(wèi)星通信、PA/LNA、5G及新調(diào)制信號(hào)這類的應(yīng)用。例如在測(cè)試WIFI或5G NR通信信號(hào)時(shí)，我們需要產(chǎn)生幾百兆赫或千兆赫的調(diào)制信號(hào)。同時(shí)還要求在生成大功率信號(hào)的情況下提供盡可能小的儀表底噪和優(yōu)秀的小信號(hào)質(zhì)量，以實(shí)現(xiàn)更大的動(dòng)態(tài)范圍。

3. AWG 和其他信號(hào)發(fā)生器的差別

這邊列舉了不同種類的信號(hào)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(hào)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(hào)而設(shè)計(jì)的。

3.1 信號(hào)源 VS AWG

首先是信號(hào)源，對(duì)比信號(hào)源，AWG可以有更寬的調(diào)制帶寬。大多數(shù)信號(hào)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M(fèi)Hz，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?？梢哉J(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(shí)AWG也可以很輕易地通過編寫波形文件來產(chǎn)生多個(gè)載波，而不需要有多個(gè)實(shí)際的信號(hào)源或信號(hào)發(fā)生器。但AWG與經(jīng)典的信號(hào)源相比也有劣勢(shì)，AWG沒有那么好的動(dòng)態(tài)范圍。AWG的無雜散動(dòng)態(tài)范圍SFDR會(huì)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(dòng)或幅度噪聲。而AWG可以做更復(fù)雜，更靈活的信號(hào)。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?yàn)锳WG的memory是固定的，所以AWG產(chǎn)生的信號(hào)實(shí)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(duì)于函數(shù)發(fā)生器來說，AWG的優(yōu)點(diǎn)是功能更多更全面，性能更強(qiáng)大，但是對(duì)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(shí)間，多級(jí)信號(hào)，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(gè)使用AWG的Tips

1如何校準(zhǔn)AWG ？

在處理寬帶調(diào)制時(shí)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(jì)算的，因此對(duì)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(hào)，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(gè)通道表現(xiàn)出相似的行為，但它們?cè)谥绷鞯?5GHz(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(gè)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(chǔ)在AWG模塊中。當(dāng)應(yīng)用軟件計(jì)算波形時(shí)，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(hào)。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(cè)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(cè)量的不確定性。

另一種方法是使用一個(gè)寬帶接收機(jī)，在AWG的另一端測(cè)量信號(hào)的實(shí)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(dòng)到被測(cè)設(shè)備的輸入端。校準(zhǔn)測(cè)量本身可以使用實(shí)時(shí)示波器或采樣示波器進(jìn)行。

2如何實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的播放時(shí)間（Playback Time）？

在1.2.3 存儲(chǔ)深度 指標(biāo)講解中，我們提到了一個(gè)公式：

Memory ÷sample rate =playback time

正如我們所了解的，播放時(shí)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(jì)算播放時(shí)間。

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

我們使用了一個(gè)簡(jiǎn)單的技巧來通過使用序列控制器來擴(kuò)展播放時(shí)間。我們只存儲(chǔ)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(gè)表格，其中包含了哪個(gè)段在波形中的哪個(gè)時(shí)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(chǔ)波形段并將它們排列起來，從而擴(kuò)展了播放時(shí)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(shí)間和重復(fù)率都可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)所需的波形。

圖8：Waveform Sequencing

關(guān)于是德科技

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