任意波形发生器 (AWG) 是可以生成任何类型波形的信号源。基本的 AWG 可以包括正弦波、三角波和方波等简单函数。更先进的 AWG 可以生成直接到射频的信号，包括复杂的数字调制方案，例如正交幅度调制 (QAM) 和正交频率调制 (OFDM)。基本AWG和高级AWG都可以创建自定义波形。自定义波形可以表示模拟信号，例如通信协议信号、量子物理脉冲序列、用于信令测试的不同噪声信号，以及适用于从电力线敏感性测试到射频放大器互调测试等应用的低频和高频音调。
现代 AWG 可以配备用于实时闭环信号处理应用的数字化仪。借助数字化仪，AWG 成为用于雷达和通信系统测试的软件定义无线电。
AWG 是精密仪器，具有广泛的规格。本文将阐明一些主要规范和指南，以便根据用户要求做出决策。以下段落将首先介绍AWG的基本组件，然后讨论重要的规格和功能。
AWG 的工作原理
图 1 显示了基本 AWG 的示例框图。RAM存储器的组织允许创建自定义波形序列。波形序列可以多次生成。现场可编程门阵列(FPGA控制序列的输出和时序)。DAC、巴伦、放大器和校正滤波器将信号的数字表示转换为模拟输出。
带宽
显然，AWG 所需的所需带宽是需要做出的第一个重大决定。该应用确定基带信号发生器或射频信号发生器是否满足所需要求。基带发生器可以扩展到 MHz 范围，RF 发生器提供 GHz 带宽。
信号保真度
确定信号的最大带宽取决于 AWG 的采样率以及 AWG 是否允许在多个奈奎斯特区输出。奈奎斯特定理指出，如果采样率是信号最高频率分量的两倍，则可以准确地创建信号。输出信号的最大频率是采样率为仪器一半的信号。然而，由于每个周期只有两个数据点，波形很容易失真。图2显示了左侧的曲线，该图是以1.125 Gsamples/s采样的2.25 GHz正弦波的输出，每个周期产生两个采样点。右图显示了以 1 Gsamples/s 采样率创建的相同 125.9 GHz 信号。更高的采样率提供 8 个点/周期，从而产生更高质量的正弦波。
一种在每个波形周期内使用更多样本来提高信号保真度的技术采用了奈奎斯特区。允许在第二奈奎斯特区输出，每个信号周期产生更多的样本，并允许更高的频率输出。例如，如果 AWG 的最大采样率为 9 Gsamples/s，则奈奎斯特定理表示可以再现 4.5 GHz 信号。但是，波形频率接近奈奎斯特频率，因此每个周期只有两个数据点。更好的方法是以 500 Gsamples/s 的时钟速率生成 5 MHz 信号。然后在第二个奈奎斯特区输出信号，该区的频率为采样时钟减去生成信号的频率，即 5 Gsamples/s – 500 MHz = 4.5 GHz。然后，AWG 输出一个 4.5 GHz 信号，每个周期有 10 个样本，而使用 2 Gsample/s 采样信号的第一个奈奎斯特区输出 9 个样本。为获得最佳信号保真度，请确保 AWG 具有足够的时钟速率以输出至少 8 到 10 个数据点/周期的信号，并验证输出级是否具有足够的带宽以允许在多个奈奎斯特区域输出。此外，请检查 AWG 是否具有一定范围的采样率，以允许创建大范围的信号频率，而不会消耗具有过多采样点的低频信号的内存。
使用多个奈奎斯特区的代价是幅度损失。在某些AWG中，数字波形数据的编码导致在奈奎斯特区产生sin(x)/x输出。输出由 sin(x)/x 函数衰减。图 3 显示了通过 sin(x)/x 函数滤波的信号的频域输出。在考虑使用此技术的 AWG 时，请验证输出的幅度是否足以满足应用的需求。
此外，DAC的位数决定了幅度范围内波形步进的分辨率。位数 N 允许 DAC 输出 2N水平。电平数越多，波形的细节就越多。同样，采样速率和DAC位数也是一种权衡。虽然采样率可以超过 10 千兆赫兹，但 DAC 位数的范围可以从高采样率的 8 位和低采样率的 16 位不等。
内存要求
内存量决定了可以生成的信号的长度。如果采样率为 1 GS/s，段内存为 16GS，则最大播放时间为 16 秒。
此外，存储器的组织决定了乐器在演奏复杂波形序列时的灵活性。AWG 存储器通常分为多个段，如图 1 所示。例如，在一段中定义一个公共波形，并使用乐器的一段音序器重复播放单个片段，从而有效地利用内存。这使得内存管理更加高效，从而增加了整体播放时间。
信号纯度
信号质量决定了 AWG 与被测设备或系统相比具有多大的余量，以正确鉴定设备或系统。三个规范定义了信号纯度。这三种规格是谐波失真、无杂散动态范围 (SFDR) 和相位噪声。
谐波失真加上谐波，即信号基频的整数倍。谐波产生于放大级，即功率输出级。功率放大器的高效工作与输出波形中可检测的谐波相近。谐波的增加会使输出波形失真。当某些 DUT 的波形具有高谐波含量时，生产测试中可能会发生误故障。在AWG的最高输出频率下寻找至少-50 dBc的谐波失真。
除谐波外，生成信号中杂散分量的大小和数量也会影响信号的纯度。杂散来自多种来源，包括仪器时钟和DAC的数字转换、开关电源转换和噪声以及风扇电机。SFDR定义了没有任何杂散成分的信号输出的幅度。SFDR与信噪比(SNR)有关。SNR(dB)的近似值为DAC位数+6.02的1.76倍。对于16位DAC，理论SNR相当于98 dB。图3所示为具有16位DAC的AWG输出的SFDR。SFDR是相对于输出信号指定的，单位为dBc。高性能AWG的SFDR为-70 dBc或更高。
信号纯度的第三个组成部分是相位噪声。相位噪声会在生成的信号中引入抖动。AWG中使用的元件质量和合成技术决定了其相位噪声。相位噪声定义为偏离中心频率的输出，单位为dBc/Hz。 图5显示了2 GHz信号的相位噪声输出示例。为了获得出色的性能，请考虑选择相位噪声在 10 kHz 偏移低于 -100 dBc/Hz 时具有 AWG。
多通道
如果需要多个输出，请选择至少具有应用所需输出数量的 AWG。AWG 可以有少至两个通道到数百个通道。请注意通道之间的偏差，以防通道同步是一项关键要求。确定如果需要在通道之间进行小的相移，是否可以手动调整AWG的偏移。高质量的多通道 AWG 的偏移低于 20 ps。
快速波形生成
对于波形输出基于一次或一系列测量并需要对数据做出快速响应的应用，AWG 需要能够快速输出不同的波形。量子计算中的电子战测试和量子比特控制是特定波形输出取决于测量数据的两个示例。必要的响应包括将波形从存储器快速加载到信号链中。另一种快速响应方法允许将数据实时传输到仪器中。外部数据的实时流需要高速总线，例如 PCIe Gen-3。PCIe Gen-3 的数据传输速率约为 7.9 GB/s，而千兆以太网和 USB 3.0 的传输速率分别约为 GB/s 和 4.8 GB/s。如果实时流式传输和快速波形更改是基本要求，请确保所选的 AWG 具有：
l 高速总线，最好是 PCIe Gen-3 总线，
l 指定的流模式，
l 控制信号和信号输出之间的低延迟，低于 1 μs。
集成接收器
与快速波形生成功能相辅相成的是一些AWG可以配备的实时接收器。接收器与信号生成相结合，可迭代快速的控制-测量-调整操作。需要将接收器集成到 AWG 中的一个例子是优化量子比特性能，这需要高速控制环路。
上变频器
AWG 可以将波形上变频为 RF 频率。要在RF载波上生成复杂的调制协议，请选择具有IQ调制器的AWG。
用于波形创建和编辑的软件
了解 AWG 制造商如何轻松创建和编辑波形。在决定使用特定的 AWG 之前，请尝试使用制造商的软件，以确保对波形生成和编辑的实施感到满意。如果软件难以快速学习并且波形生成非常耗时，您可能需要考虑其他制造商的产品。
连接
确保您要使用的 PC 接口在您选择的 AWG 上可用。USB 和以太网是许多仪器上常见的 PC 接口。如果您需要实时流式传输，则需要考虑使用 PCIe Gen-3 接口。
验证制造商是否提供用于控制 AWG 的驱动程序。制造商应具有LabView和Python驱动程序。他们通常也会有 MatLab 和 IVI 驱动程序。驱动程序，尤其是编写良好的驱动程序，简化了仪器控制的编码任务。
当 AWG 与其他测试仪器连接时，您可能需要标记和触发信号来与其他仪器进行通信和同步。确保您选择的 AWG 具有足够的数字 I/O 和标记输出，以满足预期应用的需求。
尺寸和外形
AWG 有多种尺寸。如果您的应用是研发，您可能会发现带有显示屏和按钮访问所有控件的台式型号很方便。对于 生产 测试， PXI 模型 提供 了 节省 空间 的 自动 化 测试。您需要一个小巧轻便的便携式外壳，用于现场测试和现场服务。能够提供所有选项的制造商可以简化将新产品从设计过渡到制造的任务。如果测试系统包含具有相似可操作性和性能的 AWG，则设计团队使用AWG进行测试以验证设计性能，可以简化和加快生产测试开发和测试系统验证。
选择 AWG 的诸多考虑因素
AWG 可以具有广泛的功能，因此，它是一种复杂的仪器。本文就选择AWG来处理波形生成应用时需要考虑的重要标准提出了建议。
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