什么是AWG？AWG和其他信号发生器的差别

引言

任意波形发生器（Arbitrary Waveform Generator, 以下简称“AWG”）是从信号发生器演进过来的一款信号源。1988年是德科技推出了第一款数字架构的模拟带宽50MHz的AWG HP8770A。

图1：HP8770A 产品背面

经过近40年的发展，AWG 早已经成了各大应用领域必不可少的信号源！是德科技也已拥有了一系列AWG产品。

图2：一张图了解是德科技AWG 家族

小k特意高亮了两款AWG，M8199B 和M8198A，是我们的最近的新品AWG，它们分别是高采样率和深存储的代表。

今天这篇轻科普文章，就带大家了解什么是AWG，它的应用场景以及和信号发生器的区别吧。

1. AWG的基本架构及指标解析

1.1 基本架构

为了更好地理解使用AWG，让我们来看看它的基本架构——它与传统的信号发生器有很大的不同。

图3：AWG 基本架构

这个框图显示了一个单通道AWG。

首先，使用AWG自带的软面板软件、编程语言或其他用户自定义软件，可以编写、计算并生成信号波形文件。该波形会被下载到AWG的波形存储器中。

其次，在运行时，FPGA从存储器中读取数字信息并将其发送到数模转换器。FPGA还对波形数据进行排序和实时处理。

最后，DAC将数字信号采样转换成模拟信号。DAC以一定的采样率工作。再之后则是重构滤波器。在实际的AWG中，重构信号通常是通过一些信号处理链路来实现的。信号处理链路包括DAC本身、一组低通(有时是带通)滤波器和一组放大器。一些AWG可能包含优化时域或频域信号性能的特殊输出模式。

对了，在运行期间，采样时钟发生器的频率通常不会改变（除非有特殊需求）。如果需要产生不同的输出频率，可以通过使用不同的波形文件来实现，而不是改变采样时钟振荡器。

当然，我们从图2中看到，AWG通常有多个通道，且能通过级联实现更多通道。多通道AWG系统会将同一个采样时钟级联到不同板卡和机箱中，以实现多通道信号的同时启停以及信号相参。

1.2 指标解析

2. AWG的主要应用场景

下图中我们列举了一些AWG的主要应用场景。

图4：AWG 应用场景

在左侧红色区域展示了对信号带宽的需求。其中比较普遍的应用——高速数字应用，常见的如NRZ、PAM4信号，400GE/200GE/50GE三种标准中都采用了26.5625 GBaud或者 53.125 GBaud PAM4调制技术。又如目前比较热门的太赫兹（THz）及6G预研都需要产生一个超大带宽的基带信号。此外还有一些商业行业标准，例如HDMI，以及一些常用接口，如MIPI D-PHY等。在右侧蓝色区域展示了对深动态范围的需求，这些需求通常都针对RF、卫星通信、PA/LNA、5G及新调制信号这类的应用。例如在测试WIFI或5G NR通信信号时，我们需要产生几百兆赫或千兆赫的调制信号。同时还要求在生成大功率信号的情况下提供尽可能小的仪表底噪和优秀的小信号质量，以实现更大的动态范围。

3. AWG 和其他信号发生器的差别

这边列举了不同种类的信号发生器，如脉冲发生器、BERT，函数发生器或噪声源。这些信号发生器都是为了在某些特殊的应用领域制造纯信号而设计的。

3.1 信号源 VS AWG

首先是信号源，对比信号源，AWG可以有更宽的调制带宽。大多数信号源的问题是它们矢量调制带宽通常只有几十MHz或者几百MHz，要很好很昂贵的矢量源才能到2GHz，4GHz甚至5GHz。任意波形发生器的带宽通常可以认为是最高采样率的一半，所以频谱要比普通矢量源宽得多。同时AWG也可以很轻易地通过编写波形文件来产生多个载波，而不需要有多个实际的信号源或信号发生器。但AWG与经典的信号源相比也有劣势，AWG没有那么好的动态范围。AWG的无杂散动态范围SFDR会比矢量源稍差。

3.2 噪声源 VS AWG

噪声源产生噪声来模拟随机抖动或幅度噪声。而AWG可以做更复杂，更灵活的信号。你可以做出不同的形状，用不同的带宽的噪声。但最大的问题是，因为AWG的memory是固定的，所以AWG产生的信号实际上并不是随机的。换句话说，内存深度决定了AWG产生的噪声的随机性。

3.3 函数发生器VS AWG

对于函数发生器来说，AWG的优点是功能更多更全面，性能更强大，但是对于相同的带宽，AWG通常更昂贵。但AWG没有屏幕，通常需要连接显示器、鼠标等其他外设，而函数发生器可以在前面板上使用按调出预定义的波形，并创建标准波形等。

3.4 BERT VS AWG

相比于BERT，AWG提供了更多的灵活性，例如可变上升时间，多级信号，预失真，但不能做到真正的RJ。

最后小k还给大家带来

2个使用AWG的Tips

1如何校准AWG ？

在处理宽带调制时面临的挑战之一是在很大的频率范围内获得平坦的频率和相位响应。由于AWG波形是用数学方法计算的，因此对于任何幅度或相位的非平坦性进行校正相当容易。

如果AWG输出和通道的插入损耗(或S21)已知，则可以预失真所需的信号，以补偿通道的插入损耗。图6显示了M8195A 1通道(蓝色)和2通道(红色)的频率响应。虽然两个通道表现出相似的行为，但它们在直流到25GHz(该仪器的指定带宽)之间的频率响应中都有1到2dB的明显起伏。在25 GHz以上，频率响应急剧下降，但即使达到28 GHz，频率响应仍在-10 dB以上。

图7显示了在补偿平坦度后的频率响应，最高可达28 GHz。是德科技的高速AWG提供两种方法来执行频率/相位响应校正。

图6：校准前M8195A Ch1 & Ch2 的频率响应

图7：校准后的频率响应

首先，让我们看看内置校准：在制造过程中，AWG的每个通道都具有其特定的频率和相位响应特征，并将结果存储在AWG模块中。当应用软件计算波形时，它可以读取内置的校准表，并使用该数据去嵌入频率响应，以便在AWG的连接器处生成干净的信号。参考平面位于AWG的输出连接器处。如果用户可以提供额外的电缆，适配器，放大器等器件链路的S参数文件，那么可以再延申校准平面。但是测量这些s参数可能很困难，并且需要将某些拆开，这增加了测量的不确定性。

另一种方法是使用一个宽带接收机，在AWG的另一端测量信号的实际表现，无需拆开外部电路，如电缆、适配器、放大器等等连接，从而将参考平面移动到被测设备的输入端。校准测量本身可以使用实时示波器或采样示波器进行。

2如何实现更长的播放时间（Playback Time）？

在1.2.3 存储深度 指标讲解中，我们提到了一个公式：

Memory ÷ sample rate = playback time

正如我们所了解的，播放时间的有限因素之一是内存的大小。我们可以通过将内存的大小除以采样率来计算播放时间。

那如何在给定的内存大小和采样率下实现更长的播放时间呢？

我们使用了一个简单的技巧来通过使用序列控制器来扩展播放时间。我们只存储了一部分波形，也称为波形段。使用序列控制器内存，我们能够排列不同的波形段，从而创建出更复杂的波形。序列控制器内存包括一个表格，其中包含了哪个段在波形中的哪个时间播放，以及重复率（循环次数）。在这里，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环次数。因此，您可以看到序列控制器内存是将所有波形段排列成所需波形的地方。

这种方法利用了序列控制器的功能，通过存储波形段并将它们排列起来，从而扩展了播放时间。通过在序列控制器内存中设置不同的波形段，我们可以创建出更复杂的波形。这些波形段的播放时间和重复率都可以根据需要进行调整，从而实现所需的波形。

图8：Waveform Sequencing

关于是德科技

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