任意波形發生器（Arbitrary Waveform Generator，簡稱 AWG）是由信號發生器發展而來的信號源設備。1988年，是德科技（Keysight Technologies 的前身）推出了首款采用數字架構、模擬帶寬為 50 MHz 的 AWG——HP8770A。

圖1：HP8770A 產品背面

經過近40年的發展，AWG 早已經成了各大應用領域必不可少的信號源！是德科技也已擁有了一系列AWG產品。

圖2：一張圖了解是德科技AWG 家族

兩款AWG，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，它的應用場景以及和信號發生器的區別吧。

1. AWG的基本架構及指標解析

1.1 基本架構

為了更好地理解使用AWG，讓我們來看看它的基本架構——它與傳統的信號發生器有很大的不同。

圖3：AWG 基本架構

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，以供后續輸出和使用。

其次，在運行過程中，FPGA 會從存儲器中讀取數字信息，并將其傳輸至數模轉換器（DAC）。同時，FPGA 還負責對波形數據進行排序和實時處理，以確保信號的準確生成與輸出。

最后，數模轉換器（DAC）將數字信號按設定的采樣率進行采樣，轉化為模擬信號。隨后，信號會經過重構濾波器進行處理。在實際的 AWG 中，信號重構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，用于優化信號在時域或頻域中的性能表現。

另外，在運行過程中，采樣時鐘發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，而非調整采樣時鐘振蕩器的頻率。

當然，正如圖2所示，AWG 通常配備多個通道，并可通過級聯方式擴展為更多通道。在多通道 AWG 系統中，同一采樣時鐘會被分發至不同板卡甚至不同機箱，從而實現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 指標解析

2. AWG的主要應用場景

下圖中我們列舉了一些AWG的主要應用場景。

圖4：AWG 應用場景

在左側紅色區域，展示了對信號帶寬的需求。以常見的高速數字應用為例，如NRZ、PAM4信號，在400GE、200GE和50GE標準中均采用了26.5625 GBaud或53.125 GBaud的PAM4調制技術。此外，當前備受關注的太赫茲（THz）通信及6G預研項目，也要求生成超大帶寬的基帶信號。還有一些商業行業標準，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。

而在右側藍色區域，則展示了對深動態范圍的需求，這類需求主要集中在RF、衛星通信、PA/LNA、5G及新調制信號等領域。例如，在測試WiFi或5G NR通信信號時，需要產生幾百兆赫至千兆赫級別的調制信號，并且要求在生成高功率信號的同時，盡可能降低儀表底噪，保證小信號質量，以此實現更大的動態范圍。這為評估和測試現代通信系統中的關鍵性能指標提供了必要的條件。

3. AWG 和其他信號發生器的差別

這邊列舉了不同種類的信號發生器，如脈沖發生器、BERT，函數發生器或噪聲源。這些信號發生器都是為了在某些特殊的應用領域制造純信號而設計的。

圖5：AWG 和其他信號源

3.1 信號源 VS AWG

首先，在信號源方面，與傳統信號源相比，AWG 具備更寬的調制帶寬優勢。大多數常規信號源（尤其是矢量信號源）的矢量調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到 2 GHz、4 GHz 甚至 5 GHz。而任意波形發生器（AWG）的有效帶寬通常可達到其最高采樣率的一半，因此其輸出頻譜寬度遠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生器，極大地提升了系統集成度和靈活性。

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

3.2 噪聲源 VS AWG

噪聲源主要用于產生噪聲信號，以模擬隨機抖動或幅度噪聲。而 AWG 則能夠生成更加復雜和靈活的信號形式，可以設計不同波形形狀，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鍵限制：由于其內存容量是固定的，因此所生成的信號本質上并非真正的隨機信號。換句話說，AWG 產生的噪聲隨機性受限于其波形存儲器的深度。內存越深，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用中，需要特別關注 AWG 的內存深度指標。

3.3 函數發生器VS AWG

相較于函數發生器，AWG 在功能上更加豐富和全面，性能也更為強大。它不僅可以生成預定義的標準波形，還能靈活地創建各種復雜、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 通常不配備內置顯示屏，操作時需要外接顯示器、鼠標等設備才能進行設置和波形編輯；而函數發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用預設波形，并快速生成常用的標準信號，使用起來更加便捷，適合對靈活性要求不高但強調操作簡便性的應用場景。

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，預失真，但不能做到真正的RJ。

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如何校準AWG ？

在處理寬帶調制信號時，面臨的一個主要挑戰是在較寬的頻率范圍內實現平坦的頻率和相位響應。由于 AWG 的波形是通過數學方法生成的，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），就可以對目標信號進行預失真處理，從而有效補償該通道的頻率響應不一致性。圖6展示了 M8195A 在單通道（藍色）和雙通道（紅色）模式下的頻率響應。盡管兩個通道表現出相似的趨勢，但在直流至 25 GHz（該儀器的標稱帶寬）范圍內，其頻率響應波動均存在約 1 到 2 dB 的起伏。在超過 25 GHz 后，頻率響應急劇衰減，但即便達到 28 GHz，其響應仍保持在 -10 dB 以上。

圖7則展示了經過平坦度補償后的頻率響應，顯示在校正后，頻率響應的均勻性顯著提升，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校正的方法，以滿足高精度信號生成的需求。

圖6：校準前M8195A Ch1 & Ch2 的頻率響應

圖7：校準后的頻率響應

首先，我們來看內置校準機制：在制造過程中，AWG 的每個通道都會經過測量，獲得其特定的頻率和相位響應特性，并將這些數據存儲在 AWG 模塊中。當應用軟件生成波形時，它可以讀取這些內置校準數據，并利用其對頻率響應進行去嵌入處理，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 參數文件，則可以進一步將校準平面延伸至被測設備的輸入端，實現更精確的信號控制。然而，獲取這些 S 參數往往較為困難，通常需要拆卸部分系統組件進行測量，這不僅增加了操作復雜性，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。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備的輸入端，實現更貼近實際應用場景的校準。此類校準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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如何實現更長的播放時間（Playback Time）？

在1.2.3 存儲深度 指標講解中，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 內存的容量。播放時間可以通過將內存大小除以采樣率來估算。那么，在給定的內存容量和采樣率條件下，如何實現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，從而構建出更加復雜的完整波形。

序列控制器內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次數（即循環次數）。這意味著，同一個波形段可以在不同時間點多次調用，每次可設置不同的播放次數或與其他段組合使用。

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

總結來說，序列控制器通過存儲并重復使用多個波形片段，實現了對有限內存資源的有效管理。用戶可以根據需要自由設置各波形段的播放順序和重復次數，從而構建出高度復雜且長時間的波形序列。

圖8：Waveform Sequencing