任意波形發生器 (AWG) 是可以生成任何類型波形的信號源。基本的 AWG 可以包括正弦波、三角波和方波等簡單函數。更先進的 AWG 可以生成直接到射頻的信號，包括復雜的數字調制方案，例如正交幅度調制 (QAM) 和正交頻率調制 (OFDM)。基本AWG和高級AWG都可以創建自定義波形。自定義波形可以表示模擬信號，例如通信協議信號、量子物理脈沖序列、用于信令測試的不同噪聲信號，以及適用于從電力線敏感性測試到射頻放大器互調測試等應用的低頻和高頻音調。
現代 AWG 可以配備用于實時閉環信號處理應用的數字化儀。借助數字化儀，AWG 成為用于雷達和通信系統測試的軟件定義無線電。
AWG 是精密儀器，具有廣泛的規格。本文將闡明一些主要規范和指南，以便根據用戶要求做出決策。以下段落將首先介紹AWG的基本組件，然后討論重要的規格和功能。
AWG 的工作原理
圖 1 顯示了基本 AWG 的示例框圖。RAM存儲器的組織允許創建自定義波形序列。波形序列可以多次生成。現場可編程門陣列(FPGA控制序列的輸出和時序)。DAC、巴倫、放大器和校正濾波器將信號的數字表示轉換為模擬輸出。
帶寬
顯然，AWG 所需的所需帶寬是需要做出的第一個重大決定。該應用確定基帶信號發生器或射頻信號發生器是否滿足所需要求。基帶發生器可以擴展到 MHz 范圍，RF 發生器提供 GHz 帶寬。
信號保真度
確定信號的最大帶寬取決于 AWG 的采樣率以及 AWG 是否允許在多個奈奎斯特區輸出。奈奎斯特定理指出，如果采樣率是信號最高頻率分量的兩倍，則可以準確地創建信號。輸出信號的最大頻率是采樣率為儀器一半的信號。然而，由于每個周期只有兩個數據點，波形很容易失真。圖2顯示了左側的曲線，該圖是以1.125 Gsamples/s采樣的2.25 GHz正弦波的輸出，每個周期產生兩個采樣點。右圖顯示了以 1 Gsamples/s 采樣率創建的相同 125.9 GHz 信號。更高的采樣率提供 8 個點/周期，從而產生更高質量的正弦波。
一種在每個波形周期內使用更多樣本來提高信號保真度的技術采用了奈奎斯特區。允許在第二奈奎斯特區輸出，每個信號周期產生更多的樣本，并允許更高的頻率輸出。例如，如果 AWG 的最大采樣率為 9 Gsamples/s，則奈奎斯特定理表示可以再現 4.5 GHz 信號。但是，波形頻率接近奈奎斯特頻率，因此每個周期只有兩個數據點。更好的方法是以 500 Gsamples/s 的時鐘速率生成 5 MHz 信號。然后在第二個奈奎斯特區輸出信號，該區的頻率為采樣時鐘減去生成信號的頻率，即 5 Gsamples/s – 500 MHz = 4.5 GHz。然后，AWG 輸出一個 4.5 GHz 信號，每個周期有 10 個樣本，而使用 2 Gsample/s 采樣信號的第一個奈奎斯特區輸出 9 個樣本。為獲得最佳信號保真度，請確保 AWG 具有足夠的時鐘速率以輸出至少 8 到 10 個數據點/周期的信號，并驗證輸出級是否具有足夠的帶寬以允許在多個奈奎斯特區域輸出。此外，請檢查 AWG 是否具有一定范圍的采樣率，以允許創建大范圍的信號頻率，而不會消耗具有過多采樣點的低頻信號的內存。
使用多個奈奎斯特區的代價是幅度損失。在某些AWG中，數字波形數據的編碼導致在奈奎斯特區產生sin(x)/x輸出。輸出由 sin(x)/x 函數衰減。圖 3 顯示了通過 sin(x)/x 函數濾波的信號的頻域輸出。在考慮使用此技術的 AWG 時，請驗證輸出的幅度是否足以滿足應用的需求。
此外，DAC的位數決定了幅度范圍內波形步進的分辨率。位數 N 允許 DAC 輸出 2N水平。電平數越多，波形的細節就越多。同樣，采樣速率和DAC位數也是一種權衡。雖然采樣率可以超過 10 千兆赫茲，但 DAC 位數的范圍可以從高采樣率的 8 位和低采樣率的 16 位不等。
內存要求
內存量決定了可以生成的信號的長度。如果采樣率為 1 GS/s，段內存為 16GS，則最大播放時間為 16 秒。
此外，存儲器的組織決定了樂器在演奏復雜波形序列時的靈活性。AWG 存儲器通常分為多個段，如圖 1 所示。例如，在一段中定義一個公共波形，并使用樂器的一段音序器重復播放單個片段，從而有效地利用內存。這使得內存管理更加高效，從而增加了整體播放時間。
信號純度
信號質量決定了 AWG 與被測設備或系統相比具有多大的余量，以正確鑒定設備或系統。三個規范定義了信號純度。這三種規格是諧波失真、無雜散動態范圍 (SFDR) 和相位噪聲。
諧波失真加上諧波，即信號基頻的整數倍。諧波產生于放大級，即功率輸出級。功率放大器的高效工作與輸出波形中可檢測的諧波相近。諧波的增加會使輸出波形失真。當某些 DUT 的波形具有高諧波含量時，生產測試中可能會發生誤故障。在AWG的最高輸出頻率下尋找至少-50 dBc的諧波失真。
除諧波外，生成信號中雜散分量的大小和數量也會影響信號的純度。雜散來自多種來源，包括儀器時鐘和DAC的數字轉換、開關電源轉換和噪聲以及風扇電機。SFDR定義了沒有任何雜散成分的信號輸出的幅度。SFDR與信噪比(SNR)有關。SNR(dB)的近似值為DAC位數+6.02的1.76倍。對于16位DAC，理論SNR相當于98 dB。圖3所示為具有16位DAC的AWG輸出的SFDR。SFDR是相對于輸出信號指定的，單位為dBc。高性能AWG的SFDR為-70 dBc或更高。
信號純度的第三個組成部分是相位噪聲。相位噪聲會在生成的信號中引入抖動。AWG中使用的元件質量和合成技術決定了其相位噪聲。相位噪聲定義為偏離中心頻率的輸出，單位為dBc/Hz。 圖5顯示了2 GHz信號的相位噪聲輸出示例。為了獲得出色的性能，請考慮選擇相位噪聲在 10 kHz 偏移低于 -100 dBc/Hz 時具有 AWG。
多通道
如果需要多個輸出，請選擇至少具有應用所需輸出數量的 AWG。AWG 可以有少至兩個通道到數百個通道。請注意通道之間的偏差，以防通道同步是一項關鍵要求。確定如果需要在通道之間進行小的相移，是否可以手動調整AWG的偏移。高質量的多通道 AWG 的偏移低于 20 ps。
快速波形生成
對于波形輸出基于一次或一系列測量并需要對數據做出快速響應的應用，AWG 需要能夠快速輸出不同的波形。量子計算中的電子戰測試和量子比特控制是特定波形輸出取決于測量數據的兩個示例。必要的響應包括將波形從存儲器快速加載到信號鏈中。另一種快速響應方法允許將數據實時傳輸到儀器中。外部數據的實時流需要高速總線，例如 PCIe Gen-3。PCIe Gen-3 的數據傳輸速率約為 7.9 GB/s，而千兆以太網和 USB 3.0 的傳輸速率分別約為 GB/s 和 4.8 GB/s。如果實時流式傳輸和快速波形更改是基本要求，請確保所選的 AWG 具有：
l 高速總線，最好是 PCIe Gen-3 總線，
l 指定的流模式，
l 控制信號和信號輸出之間的低延遲，低于 1 μs。
集成接收器
與快速波形生成功能相輔相成的是一些AWG可以配備的實時接收器。接收器與信號生成相結合，可迭代快速的控制-測量-調整操作。需要將接收器集成到 AWG 中的一個例子是優化量子比特性能，這需要高速控制環路。
上變頻器
AWG 可以將波形上變頻為 RF 頻率。要在RF載波上生成復雜的調制協議，請選擇具有IQ調制器的AWG。
用于波形創建和編輯的軟件
了解 AWG 制造商如何輕松創建和編輯波形。在決定使用特定的 AWG 之前，請嘗試使用制造商的軟件，以確保對波形生成和編輯的實施感到滿意。如果軟件難以快速學習并且波形生成非常耗時，您可能需要考慮其他制造商的產品。
連接
確保您要使用的 PC 接口在您選擇的 AWG 上可用。USB 和以太網是許多儀器上常見的 PC 接口。如果您需要實時流式傳輸，則需要考慮使用 PCIe Gen-3 接口。
驗證制造商是否提供用于控制 AWG 的驅動程序。制造商應具有LabView和Python驅動程序。他們通常也會有 MatLab 和 IVI 驅動程序。驅動程序，尤其是編寫良好的驅動程序，簡化了儀器控制的編碼任務。
當 AWG 與其他測試儀器連接時，您可能需要標記和觸發信號來與其他儀器進行通信和同步。確保您選擇的 AWG 具有足夠的數字 I/O 和標記輸出，以滿足預期應用的需求。
尺寸和外形
AWG 有多種尺寸。如果您的應用是研發，您可能會發現帶有顯示屏和按鈕訪問所有控件的臺式型號很方便。對于 生產 測試， PXI 模型 提供 了 節省 空間 的 自動 化 測試。您需要一個小巧輕便的便攜式外殼，用于現場測試和現場服務。能夠提供所有選項的制造商可以簡化將新產品從設計過渡到制造的任務。如果測試系統包含具有相似可操作性和性能的 AWG，則設計團隊使用AWG進行測試以驗證設計性能，可以簡化和加快生產測試開發和測試系統驗證。
選擇 AWG 的諸多考慮因素
AWG 可以具有廣泛的功能，因此，它是一種復雜的儀器。本文就選擇AWG來處理波形生成應用時需要考慮的重要標準提出了建議。
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