轻科普——任意波形发生器（AWG）架构及指标解析

任意波形发生器（Arbitrary Waveform Generator，简称 AWG）是由信号发生器发展而来的信号源设备。1988年，是德科技（Keysight Technologies 的前身）推出了首款采用数字架构、模拟带宽为 50 MHz 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

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，通过使用 AWG 自带的软面板软件、编程语言或其他用户自定义的软件，可以编写、计算并生成所需的信号波形文件。生成的波形将被下载到 AWG 的波形存储器中，以供后续输出和使用。

其次，在运行过程中，FPGA 会从存储器中读取数字信息，并将其传输至数模转换器（DAC）。同时，FPGA 还负责对波形数据进行排序和实时处理，以确保信号的准确生成与输出。

最后，数模转换器（DAC）将数字信号按设定的采样率进行采样，转化为模拟信号。随后，信号会经过重构滤波器进行处理。在实际的 AWG 中，信号重构通常由一整套信号处理链路完成，该链路包括 DAC 本身、一组低通（有时为带通）滤波器以及多个放大器。一些 AWG 还可能提供特殊的输出模式，用于优化信号在时域或频域中的性能表现。

另外，在运行过程中，采样时钟发生器的频率通常保持不变（除非有特殊需求）。如需生成不同频率的输出信号，通常通过加载不同的波形文件来实现，而非调整采样时钟振荡器的频率。

当然，正如图2所示，AWG 通常配备多个通道，并可通过级联方式扩展为更多通道。在多通道 AWG 系统中，同一采样时钟会被分发至不同板卡甚至不同机箱，从而实现多通道信号的同步启动与停止，以及信号之间的相位相干性。

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。以常见的高速数字应用为例，如NRZ、PAM4信号，在400GE、200GE和50GE标准中均采用了26.5625 GBaud或53.125 GBaud的PAM4调制技术。此外，当前备受关注的太赫兹（THz）通信及6G预研项目，也要求生成超大带宽的基带信号。还有一些商业行业标准，比如HDMI，以及常用的接口如MIPI D-PHY等，同样对信号带宽有特定需求。

而在右侧蓝色区域，则展示了对深动态范围的需求，这类需求主要集中在RF、卫星通信、PA/LNA、5G及新调制信号等领域。例如，在测试WiFi或5G NR通信信号时，需要产生几百兆赫至千兆赫级别的调制信号，并且要求在生成高功率信号的同时，尽可能降低仪表底噪，保证小信号质量，以此实现更大的动态范围。这为评估和测试现代通信系统中的关键性能指标提供了必要的条件。

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。

图5：AWG 和其他信号源

3.1 信号源 VS AWG

首先，在信号源方面，与传统信号源相比，AWG 具备更宽的调制带宽优势。大多数常规信号源（尤其是矢量信号源）的矢量调制带宽通常仅为几十 MHz 到几百 MHz，只有高端且价格昂贵的型号才能达到 2 GHz、4 GHz 甚至 5 GHz。而任意波形发生器（AWG）的有效带宽通常可达到其最高采样率的一半，因此其输出频谱宽度远大于普通矢量信号源。

此外，AWG 还可以通过编写波形文件灵活地生成多个载波信号，无需配置多个实际的信号发生器，极大地提升了系统集成度和灵活性。

当然，AWG 相比于传统的信号源也存在一定的劣势。例如，其动态范围通常不如高性能矢量信号源，尤其是在无杂散动态范围（SFDR）方面表现相对较弱。因此，在对动态范围要求极高的应用场景中，传统信号源仍具有不可替代的优势。

3.2 噪声源 VS AWG

噪声源主要用于产生噪声信号，以模拟随机抖动或幅度噪声。而 AWG 则能够生成更加复杂和灵活的信号形式，可以设计不同波形形状，并使用不同带宽的噪声信号。

然而，AWG 在这方面也存在一个关键限制：由于其内存容量是固定的，因此所生成的信号本质上并非真正的随机信号。换句话说，AWG 产生的噪声随机性受限于其波形存储器的深度。内存越深，可生成的随机序列越长，噪声特性也就越接近理想的随机行为。因此，在对噪声真实随机性要求较高的应用中，需要特别关注 AWG 的内存深度指标。

3.3 函数发生器VS AWG

相较于函数发生器，AWG 在功能上更加丰富和全面，性能也更为强大。它不仅可以生成预定义的标准波形，还能灵活地创建各种复杂、自定义的信号波形。然而，在相同带宽条件下，AWG 的成本通常更高。

此外，AWG 通常不配备内置显示屏，操作时需要外接显示器、鼠标等设备才能进行设置和波形编辑；而函数发生器一般具备友好的前面板操作界面，用户可直接通过按键调用预设波形，并快速生成常用的标准信号，使用起来更加便捷，适合对灵活性要求不高但强调操作简便性的应用场景。

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。

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如何校准AWG ？

在处理宽带调制信号时，面临的一个主要挑战是在较宽的频率范围内实现平坦的频率和相位响应。由于 AWG 的波形是通过数学方法生成的，因此对于任何幅度或相位上的非平坦性，都相对容易进行校正。

如果已知 AWG 输出通道的插入损耗（即 S21），就可以对目标信号进行预失真处理，从而有效补偿该通道的频率响应不一致性。图6展示了 M8195A 在单通道（蓝色）和双通道（红色）模式下的频率响应。尽管两个通道表现出相似的趋势，但在直流至 25 GHz（该仪器的标称带宽）范围内，其频率响应波动均存在约 1 到 2 dB 的起伏。在超过 25 GHz 后，频率响应急剧衰减，但即便达到 28 GHz，其响应仍保持在 -10 dB 以上。

图7则展示了经过平坦度补偿后的频率响应，显示在校正后，频率响应的均匀性显著提升，有效频率范围可扩展至 28 GHz。是德科技的高速 AWG 提供了两种频率与相位响应校正的方法，以满足高精度信号生成的需求。

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，我们来看内置校准机制：在制造过程中，AWG 的每个通道都会经过测量，获得其特定的频率和相位响应特性，并将这些数据存储在 AWG 模块中。当应用软件生成波形时，它可以读取这些内置校准数据，并利用其对频率响应进行去嵌入处理，从而在 AWG 输出连接器处重建出更加“干净”的信号。此时，校准的参考平面位于 AWG 的输出端口。

如果用户能够提供外部器件链路（如电缆、适配器、放大器等）的 S 参数文件，则可以进一步将校准平面延伸至被测设备的输入端，实现更精确的信号控制。然而，获取这些 S 参数往往较为困难，通常需要拆卸部分系统组件进行测量，这不仅增加了操作复杂性，还可能引入额外的测量不确定性。

另一种替代方法是使用宽带接收机，在 AWG 输出端之外直接测量信号的实际表现。这种方法无需断开外部连接（如电缆、放大器等），即可将参考平面移动到被测设备的输入端，实现更贴近实际应用场景的校准。此类校准测量可以借助实时示波器或采样示波器完成，具有更高的灵活性与实用性。

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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

正如我们所知，播放时间的长短主要受限于 AWG 内存的容量。播放时间可以通过将内存大小除以采样率来估算。那么，在给定的内存容量和采样率条件下，如何实现更长的信号播放时间呢？

这里我们采用了一种简单而有效的方法——利用序列控制器（Sequencer）来扩展播放时间。其核心思想是：不必存储完整的波形，而是仅保存波形的一部分，即所谓的“波形段”（Waveform Segment）。通过序列控制器的管理，这些波形段可以被灵活地排列组合，从而构建出更加复杂的完整波形。

序列控制器内存中包含一个控制表，记录了每个波形段在整体波形中的播放位置以及其重复次数（即循环次数）。这意味着，同一个波形段可以在不同时间点多次调用，每次可设置不同的播放次数或与其他段组合使用。

因此，序列控制器内存实际上是用于组织和调度各个波形段、生成最终输出波形的关键部分。通过这种方式，不仅显著延长了有效播放时间，还提高了内存的使用效率，并增强了波形生成的灵活性。

总结来说，序列控制器通过存储并重复使用多个波形片段，实现了对有限内存资源的有效管理。用户可以根据需要自由设置各波形段的播放顺序和重复次数，从而构建出高度复杂且长时间的波形序列。

图8：Waveform Sequencing