任意波形發(fā)生器（Arbitrary Waveform Generator，簡(jiǎn)稱 AWG）是由信號(hào)發(fā)生器發(fā)展而來(lái)的信號(hào)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(guò)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

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

其次，在運(yùn)行過(guò)程中，FPGA 會(huì)從存儲(chǔ)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(shí)，F(xiàn)PGA 還負(fù)責(zé)對(duì)波形數(shù)據(jù)進(jìn)行排序和實(shí)時(shí)處理，以確保信號(hào)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(hào)按設(shè)定的采樣率進(jìn)行采樣，轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)。隨后，信號(hào)會(huì)經(jīng)過(guò)重構(gòu)濾波器進(jìn)行處理。在實(shí)際的 AWG 中，信號(hào)重構(gòu)通常由一整套信號(hào)處理鏈路完成，該鏈路包括 DAC 本身、一組低通（有時(shí)為帶通）濾波器以及多個(gè)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(hào)在時(shí)域或頻域中的性能表現(xiàn)。

另外，在運(yùn)行過(guò)程中，采樣時(shí)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(hào)，通常通過(guò)加載不同的波形文件來(lái)實(shí)現(xiàn)，而非調(diào)整采樣時(shí)鐘振蕩器的頻率。

當(dāng)然，正如圖2所示，AWG 通常配備多個(gè)通道，并可通過(guò)級(jí)聯(lián)方式擴(kuò)展為更多通道。在多通道 AWG 系統(tǒng)中，同一采樣時(shí)鐘會(huì)被分發(fā)至不同板卡甚至不同機(jī)箱，從而實(shí)現(xiàn)多通道信號(hào)的同步啟動(dòng)與停止，以及信號(hào)之間的相位相干性。

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。以常見的高速數(shù)字應(yīng)用為例，如NRZ、PAM4信號(hào)，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(xiàng)目，也要求生成超大帶寬的基帶信號(hào)。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(duì)信號(hào)帶寬有特定需求。

而在右側(cè)藍(lán)色區(qū)域，則展示了對(duì)深動(dòng)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(hào)等領(lǐng)域。例如，在測(cè)試WiFi或5G NR通信信號(hào)時(shí)，需要產(chǎn)生幾百兆赫至千兆赫級(jí)別的調(diào)制信號(hào)，并且要求在生成高功率信號(hào)的同時(shí)，盡可能降低儀表底噪，保證小信號(hào)質(zhì)量，以此實(shí)現(xiàn)更大的動(dòng)態(tài)范圍。這為評(píng)估和測(cè)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(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。

圖5：AWG 和其他信號(hào)源

3.1 信號(hào)源 VS AWG

首先，在信號(hào)源方面，與傳統(tǒng)信號(hào)源相比，AWG 具備更寬的調(diào)制帶寬優(yōu)勢(shì)。大多數(shù)常規(guī)信號(hào)源（尤其是矢量信號(hào)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(jià)格昂貴的型號(hào)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(hào)源。

此外，AWG 還可以通過(guò)編寫波形文件靈活地生成多個(gè)載波信號(hào)，無(wú)需配置多個(gè)實(shí)際的信號(hào)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(hào)源也存在一定的劣勢(shì)。例如，其動(dòng)態(tài)范圍通常不如高性能矢量信號(hào)源，尤其是在無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍（SFDR）方面表現(xiàn)相對(duì)較弱。因此，在對(duì)動(dòng)態(tài)范圍要求極高的應(yīng)用場(chǎng)景中，傳統(tǒng)信號(hào)源仍具有不可替代的優(yōu)勢(shì)。

3.2 噪聲源 VS AWG

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

然而，AWG 在這方面也存在一個(gè)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(hào)本質(zhì)上并非真正的隨機(jī)信號(hào)。換句話說(shuō)，AWG 產(chǎn)生的噪聲隨機(jī)性受限于其波形存儲(chǔ)器的深度。內(nèi)存越深，可生成的隨機(jī)序列越長(zhǎng)，噪聲特性也就越接近理想的隨機(jī)行為。因此，在對(duì)噪聲真實(shí)隨機(jī)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(qiáng)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(hào)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(shí)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(guò)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(hào)，使用起來(lái)更加便捷，適合對(duì)靈活性要求不高但強(qiáng)調(diào)操作簡(jiǎn)便性的應(yīng)用場(chǎng)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(shí)間，多級(jí)信號(hào)，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(hào)時(shí)，面臨的一個(gè)主要挑戰(zhàn)是在較寬的頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)平坦的頻率和相位響應(yīng)。由于 AWG 的波形是通過(guò)數(shù)學(xué)方法生成的，因此對(duì)于任何幅度或相位上的非平坦性，都相對(duì)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(duì)目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行預(yù)失真處理，從而有效補(bǔ)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(gè)通道表現(xiàn)出相似的趨勢(shì)，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(dòng)均存在約 1 到 2 dB 的起伏。在超過(guò) 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(guò)平坦度補(bǔ)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(kuò)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(hào)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(lái)看內(nèi)置校準(zhǔn)機(jī)制：在制造過(guò)程中，AWG 的每個(gè)通道都會(huì)經(jīng)過(guò)測(cè)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(chǔ)在 AWG 模塊中。當(dāng)應(yīng)用軟件生成波形時(shí)，它可以讀取這些內(nèi)置校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，并利用其對(duì)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(hào)。此時(shí)，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(cè)設(shè)備的輸入端，實(shí)現(xiàn)更精確的信號(hào)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(cè)量，這不僅增加了操作復(fù)雜性，還可能引入額外的測(cè)量不確定性。

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

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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

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

這里我們采用了一種簡(jiǎn)單而有效的方法——利用序列控制器（Sequencer）來(lái)擴(kuò)展播放時(shí)間。其核心思想是：不必存儲(chǔ)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(guò)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(gè)控制表，記錄了每個(gè)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(gè)波形段可以在不同時(shí)間點(diǎn)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(shí)際上是用于組織和調(diào)度各個(gè)波形段、生成最終輸出波形的關(guān)鍵部分。通過(guò)這種方式，不僅顯著延長(zhǎng)了有效播放時(shí)間，還提高了內(nèi)存的使用效率，并增強(qiáng)了波形生成的靈活性。

總結(jié)來(lái)說(shuō)，序列控制器通過(guò)存儲(chǔ)并重復(fù)使用多個(gè)波形片段，實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(zhǎng)時(shí)間的波形序列。

圖8：Waveform Sequencing