任意波形發(fā)生器（Arbitrary Waveform Generator，簡稱 AWG）是由信號發(fā)生器發(fā)展而來的信號源設(shè)備。1988年，是德科技（Keysight Technologies 的前身）推出了首款采用數(shù)字架構(gòu)、模擬帶寬為 50 MHz 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

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，通過使用 AWG 自帶的軟面板軟件、編程語言或其他用戶自定義的軟件，可以編寫、計算并生成所需的信號波形文件。生成的波形將被下載到 AWG 的波形存儲器中，以供后續(xù)輸出和使用。

其次，在運行過程中，FPGA 會從存儲器中讀取數(shù)字信息，并將其傳輸至數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）。同時，F(xiàn)PGA 還負(fù)責(zé)對波形數(shù)據(jù)進(jìn)行排序和實時處理，以確保信號的準(zhǔn)確生成與輸出。

最后，數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）將數(shù)字信號按設(shè)定的采樣率進(jìn)行采樣，轉(zhuǎn)化為模擬信號。隨后，信號會經(jīng)過重構(gòu)濾波器進(jìn)行處理。在實際的 AWG 中，信號重構(gòu)通常由一整套信號處理鏈路完成，該鏈路包括 DAC 本身、一組低通（有時為帶通）濾波器以及多個放大器。一些 AWG 還可能提供特殊的輸出模式，用于優(yōu)化信號在時域或頻域中的性能表現(xiàn)。

另外，在運行過程中，采樣時鐘發(fā)生器的頻率通常保持不變（除非有特殊需求）。如需生成不同頻率的輸出信號，通常通過加載不同的波形文件來實現(xiàn)，而非調(diào)整采樣時鐘振蕩器的頻率。

當(dāng)然，正如圖2所示，AWG 通常配備多個通道，并可通過級聯(lián)方式擴展為更多通道。在多通道 AWG 系統(tǒng)中，同一采樣時鐘會被分發(fā)至不同板卡甚至不同機箱，從而實現(xiàn)多通道信號的同步啟動與停止，以及信號之間的相位相干性。

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。以常見的高速數(shù)字應(yīng)用為例，如NRZ、PAM4信號，在400GE、200GE和50GE標(biāo)準(zhǔn)中均采用了26.5625 GBaud或53.125 GBaud的PAM4調(diào)制技術(shù)。此外，當(dāng)前備受關(guān)注的太赫茲（THz）通信及6G預(yù)研項目，也要求生成超大帶寬的基帶信號。還有一些商業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，比如HDMI，以及常用的接口如MIPI D-PHY等，同樣對信號帶寬有特定需求。

而在右側(cè)藍(lán)色區(qū)域，則展示了對深動態(tài)范圍的需求，這類需求主要集中在RF、衛(wèi)星通信、PA/LNA、5G及新調(diào)制信號等領(lǐng)域。例如，在測試WiFi或5G NR通信信號時，需要產(chǎn)生幾百兆赫至千兆赫級別的調(diào)制信號，并且要求在生成高功率信號的同時，盡可能降低儀表底噪，保證小信號質(zhì)量，以此實現(xiàn)更大的動態(tài)范圍。這為評估和測試現(xiàn)代通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵性能指標(biāo)提供了必要的條件。

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。

圖5：AWG 和其他信號源

3.1 信號源 VS AWG

首先，在信號源方面，與傳統(tǒng)信號源相比，AWG 具備更寬的調(diào)制帶寬優(yōu)勢。大多數(shù)常規(guī)信號源（尤其是矢量信號源）的矢量調(diào)制帶寬通常僅為幾十 MHz 到幾百 MHz，只有高端且價格昂貴的型號才能達(dá)到 2 GHz、4 GHz 甚至 5 GHz。而任意波形發(fā)生器（AWG）的有效帶寬通?？蛇_(dá)到其最高采樣率的一半，因此其輸出頻譜寬度遠(yuǎn)大于普通矢量信號源。

此外，AWG 還可以通過編寫波形文件靈活地生成多個載波信號，無需配置多個實際的信號發(fā)生器，極大地提升了系統(tǒng)集成度和靈活性。

當(dāng)然，AWG 相比于傳統(tǒng)的信號源也存在一定的劣勢。例如，其動態(tài)范圍通常不如高性能矢量信號源，尤其是在無雜散動態(tài)范圍（SFDR）方面表現(xiàn)相對較弱。因此，在對動態(tài)范圍要求極高的應(yīng)用場景中，傳統(tǒng)信號源仍具有不可替代的優(yōu)勢。

3.2 噪聲源 VS AWG

噪聲源主要用于產(chǎn)生噪聲信號，以模擬隨機抖動或幅度噪聲。而 AWG 則能夠生成更加復(fù)雜和靈活的信號形式，可以設(shè)計不同波形形狀，并使用不同帶寬的噪聲信號。

然而，AWG 在這方面也存在一個關(guān)鍵限制：由于其內(nèi)存容量是固定的，因此所生成的信號本質(zhì)上并非真正的隨機信號。換句話說，AWG 產(chǎn)生的噪聲隨機性受限于其波形存儲器的深度。內(nèi)存越深，可生成的隨機序列越長，噪聲特性也就越接近理想的隨機行為。因此，在對噪聲真實隨機性要求較高的應(yīng)用中，需要特別關(guān)注 AWG 的內(nèi)存深度指標(biāo)。

3.3 函數(shù)發(fā)生器VS AWG

相較于函數(shù)發(fā)生器，AWG 在功能上更加豐富和全面，性能也更為強大。它不僅可以生成預(yù)定義的標(biāo)準(zhǔn)波形，還能靈活地創(chuàng)建各種復(fù)雜、自定義的信號波形。然而，在相同帶寬條件下，AWG 的成本通常更高。

此外，AWG 通常不配備內(nèi)置顯示屏，操作時需要外接顯示器、鼠標(biāo)等設(shè)備才能進(jìn)行設(shè)置和波形編輯；而函數(shù)發(fā)生器一般具備友好的前面板操作界面，用戶可直接通過按鍵調(diào)用預(yù)設(shè)波形，并快速生成常用的標(biāo)準(zhǔn)信號，使用起來更加便捷，適合對靈活性要求不高但強調(diào)操作簡便性的應(yīng)用場景。

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。

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如何校準(zhǔn)AWG ？

在處理寬帶調(diào)制信號時，面臨的一個主要挑戰(zhàn)是在較寬的頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)平坦的頻率和相位響應(yīng)。由于 AWG 的波形是通過數(shù)學(xué)方法生成的，因此對于任何幅度或相位上的非平坦性，都相對容易進(jìn)行校正。

如果已知 AWG 輸出通道的插入損耗（即 S21），就可以對目標(biāo)信號進(jìn)行預(yù)失真處理，從而有效補償該通道的頻率響應(yīng)不一致性。圖6展示了 M8195A 在單通道（藍(lán)色）和雙通道（紅色）模式下的頻率響應(yīng)。盡管兩個通道表現(xiàn)出相似的趨勢，但在直流至 25 GHz（該儀器的標(biāo)稱帶寬）范圍內(nèi)，其頻率響應(yīng)波動均存在約 1 到 2 dB 的起伏。在超過 25 GHz 后，頻率響應(yīng)急劇衰減，但即便達(dá)到 28 GHz，其響應(yīng)仍保持在 -10 dB 以上。

圖7則展示了經(jīng)過平坦度補償后的頻率響應(yīng)，顯示在校正后，頻率響應(yīng)的均勻性顯著提升，有效頻率范圍可擴展至 28 GHz。是德科技的高速 AWG 提供了兩種頻率與相位響應(yīng)校正的方法，以滿足高精度信號生成的需求。

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，我們來看內(nèi)置校準(zhǔn)機制：在制造過程中，AWG 的每個通道都會經(jīng)過測量，獲得其特定的頻率和相位響應(yīng)特性，并將這些數(shù)據(jù)存儲在 AWG 模塊中。當(dāng)應(yīng)用軟件生成波形時，它可以讀取這些內(nèi)置校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，并利用其對頻率響應(yīng)進(jìn)行去嵌入處理，從而在 AWG 輸出連接器處重建出更加“干凈”的信號。此時，校準(zhǔn)的參考平面位于 AWG 的輸出端口。

如果用戶能夠提供外部器件鏈路（如電纜、適配器、放大器等）的 S 參數(shù)文件，則可以進(jìn)一步將校準(zhǔn)平面延伸至被測設(shè)備的輸入端，實現(xiàn)更精確的信號控制。然而，獲取這些 S 參數(shù)往往較為困難，通常需要拆卸部分系統(tǒng)組件進(jìn)行測量，這不僅增加了操作復(fù)雜性，還可能引入額外的測量不確定性。

另一種替代方法是使用寬帶接收機，在 AWG 輸出端之外直接測量信號的實際表現(xiàn)。這種方法無需斷開外部連接（如電纜、放大器等），即可將參考平面移動到被測設(shè)備的輸入端，實現(xiàn)更貼近實際應(yīng)用場景的校準(zhǔn)。此類校準(zhǔn)測量可以借助實時示波器或采樣示波器完成，具有更高的靈活性與實用性。

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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

正如我們所知，播放時間的長短主要受限于 AWG 內(nèi)存的容量。播放時間可以通過將內(nèi)存大小除以采樣率來估算。那么，在給定的內(nèi)存容量和采樣率條件下，如何實現(xiàn)更長的信號播放時間呢？

這里我們采用了一種簡單而有效的方法——利用序列控制器（Sequencer）來擴展播放時間。其核心思想是：不必存儲完整的波形，而是僅保存波形的一部分，即所謂的“波形段”（Waveform Segment）。通過序列控制器的管理，這些波形段可以被靈活地排列組合，從而構(gòu)建出更加復(fù)雜的完整波形。

序列控制器內(nèi)存中包含一個控制表，記錄了每個波形段在整體波形中的播放位置以及其重復(fù)次數(shù)（即循環(huán)次數(shù)）。這意味著，同一個波形段可以在不同時間點多次調(diào)用，每次可設(shè)置不同的播放次數(shù)或與其他段組合使用。

因此，序列控制器內(nèi)存實際上是用于組織和調(diào)度各個波形段、生成最終輸出波形的關(guān)鍵部分。通過這種方式，不僅顯著延長了有效播放時間，還提高了內(nèi)存的使用效率，并增強了波形生成的靈活性。

總結(jié)來說，序列控制器通過存儲并重復(fù)使用多個波形片段，實現(xiàn)了對有限內(nèi)存資源的有效管理。用戶可以根據(jù)需要自由設(shè)置各波形段的播放順序和重復(fù)次數(shù)，從而構(gòu)建出高度復(fù)雜且長時間的波形序列。

圖8：Waveform Sequencing