信號(hào)源的使用方法

　　在電子測(cè)試和測(cè)量中，經(jīng)常要求信號(hào)源，生成只有在外部提供時(shí)才會(huì)有的信號(hào)。信號(hào)源可以提供“已知良好”的信號(hào)，或者在其提供的信號(hào)中添加可重復(fù)的數(shù)量和類型已知的失真(或誤碼)。這是信號(hào)源最大的特點(diǎn)之一，因?yàn)閮H使用電路本身，通常不可能恰好在需要的時(shí)間和地點(diǎn)創(chuàng)建可預(yù)測(cè)的失真。從設(shè)計(jì)檢驗(yàn)到檢定，從極限和余量測(cè)試到一致性測(cè)試，信號(hào)源可以用于數(shù)百種應(yīng)用。
　　因此，有多種信號(hào)源結(jié)構(gòu)可供選擇也就不足為奇了，而每種結(jié)構(gòu)都有各自的優(yōu)點(diǎn)、功能和經(jīng)濟(jì)性，適用于特定的用途。在本文中，我們將比較兩種信號(hào)發(fā)生結(jié)構(gòu)：一種用于任意波形/ 函數(shù)發(fā)生器中，一種用于任意波形發(fā)生器中。選擇結(jié)果在很大程度上取決于應(yīng)用。

了解信號(hào)發(fā)生方法
　　任意波形/ 函數(shù)發(fā)生器(AFG)通過讀取內(nèi)存的內(nèi)容，來同時(shí)創(chuàng)建函數(shù)波形和任意波形。大多數(shù)現(xiàn)代AFG 采用直接信號(hào)合成(DDS)技術(shù)，在廣泛的頻率范圍上提供信號(hào)。
　　任意波形發(fā)生器(AWG)基于真正可變時(shí)鐘結(jié)構(gòu)(通常稱為" 真正的arbs*1")，適用于在所有頻率上生成比較復(fù)雜的波形。AWG 也讀取內(nèi)存的內(nèi)容，但其讀取方式不同(后面進(jìn)行了介紹)。處理先進(jìn)通信和計(jì)算單元的設(shè)計(jì)人員選擇AWG，驅(qū)動(dòng)采用復(fù)雜調(diào)制和帶有異常事件的高速信號(hào)。結(jié)果，AWG 占據(jù)了研究、開發(fā)和工程應(yīng)用的最高層。
　　這兩種結(jié)構(gòu)在波形生成方法上有著很大差異。本技術(shù)簡(jiǎn)
介討論了基于可變時(shí)鐘的任意波形發(fā)生器和基于DDS的任意波形/ 函數(shù)發(fā)生器之間的差別。

透過前面板：比較兩個(gè)平臺(tái)
AWG：概念簡(jiǎn)單，靈活性最大
　　盡管AWG 在這兩種結(jié)構(gòu)中更加靈活，但AWG 的底層波形生成技術(shù)非常簡(jiǎn)明。AWG的播放方案可以視為“反向取樣”。
　　這是什么意思呢？看一下信號(hào)取樣平臺(tái)-- 示波器，它通過在連續(xù)時(shí)點(diǎn)上數(shù)字化模擬信號(hào)的電壓值，來采集波形，其取樣頻率取決于用戶選擇的時(shí)鐘速率。得到的樣點(diǎn)存儲(chǔ)在內(nèi)存中。

　　AWG的流程相反。AWG開始時(shí)波形已經(jīng)在內(nèi)存中。波形占用指定數(shù)量的內(nèi)存位置。在每個(gè)時(shí)鐘周期中，儀器從內(nèi)存中輸出另一個(gè)波形樣點(diǎn)。由于代表波形的樣點(diǎn)數(shù)量是固定的，因此時(shí)鐘速率越快，讀取內(nèi)存中波形數(shù)據(jù)點(diǎn)的速度越快，輸出頻率越高。換句話說，輸出信號(hào)頻率完全取決于時(shí)鐘頻率和內(nèi)存中的波形樣點(diǎn)數(shù)量*2。圖1 中簡(jiǎn)化的方框圖概括了AWG 結(jié)構(gòu)。

　　AWG 的靈活性源自其內(nèi)存中存儲(chǔ)的波形。波形可以采取任何形狀；它可以有任意數(shù)量的畸變，或根本沒有畸變。在基于PC 的工具的幫助下，用戶可以開發(fā)人們想得到的幾乎任何波形(在物理限制內(nèi)!)。可以在儀器能夠生成的任何時(shí)鐘頻率上，從內(nèi)存中讀取樣點(diǎn)。不管時(shí)鐘是以1 MHz運(yùn)行還是以1 GHz運(yùn)行，波形的形狀相同。
*1 工程師通常使用"arb" 來指任何類型的任意波形發(fā)生器。
*2 當(dāng)然任何AWG 型號(hào)都有最大內(nèi)存容量。波形占用的深度可能要小于全部容量。

AFG 在高頻中采取高效的快捷方式
　　AFG也使用存儲(chǔ)的波形，作為輸出信號(hào)的基礎(chǔ)。其樣點(diǎn)讀數(shù)中涉及時(shí)鐘信號(hào)，但結(jié)果類似。
　　AFG 的時(shí)鐘以某個(gè)固定速率運(yùn)行。由于波形樣點(diǎn)的數(shù)量在內(nèi)存中也是固定的，因此AFG 怎樣才能在變動(dòng)頻率上提供波形呢？例如，想象一下您正在使用一部AFG，它存儲(chǔ)由1000 個(gè)樣點(diǎn)組成的波形，以1 MHz 的固定速率輸出。輸出信號(hào)的周期將恰好固定在1 ms (1kHz)。很明顯，單頻信號(hào)源在大多數(shù)應(yīng)用中用途有限。因此，DDS 技術(shù)提供了一個(gè)解決方案?；贒DS的儀器不讀取每個(gè)樣點(diǎn)，而是讀取不到1000 個(gè)樣點(diǎn)，來重建波形。

　　圖2 是典型的簡(jiǎn)化的AFG 結(jié)構(gòu)，其中包括DDS 段。輸出信號(hào)由時(shí)鐘、代表相位值的存儲(chǔ)的二進(jìn)制數(shù)字及波形內(nèi)存的內(nèi)容構(gòu)成。
　　如前所述，AFG保持固定的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率。360度時(shí)鐘周期分布在所有波形樣點(diǎn)中，DDS 段根據(jù)波形長(zhǎng)度及用戶選擇的頻率自動(dòng)確定相位增量。
　　高頻設(shè)置會(huì)導(dǎo)致大的相位增量，使AFG 在通過360 度周期時(shí)迅速向前跳，提供高頻信號(hào)。低頻值導(dǎo)致小的增量，觸發(fā)相位累加器以較低的步長(zhǎng)步進(jìn)通過波形樣點(diǎn)，
甚至?xí)貜?fù)各個(gè)樣點(diǎn)，構(gòu)成360度，生成頻率較低的波形。
　　這一決策背后的數(shù)學(xué)運(yùn)算超出了本文的討論范疇?？梢赃@樣講，AFG根據(jù)自己的內(nèi)部算法跳過選擇的波形數(shù)據(jù)點(diǎn)。由于相位增量方法，它并不是在每個(gè)周期中一直跳過相同的樣點(diǎn)數(shù)。AFG為生成變化的波形和頻率提供了一種快捷方式，但最終用戶不能控制跳過哪些數(shù)據(jù)點(diǎn)。
　　這必然對(duì)輸出波形保真度造成一定的影響。具有連續(xù)形狀的波形(正弦、三角形等等)通常不是問題，但可能會(huì)影響當(dāng)前數(shù)字環(huán)境中常見的帶有快速轉(zhuǎn)換的信號(hào)，如脈沖和瞬變。例如，假設(shè)在新的電信交換機(jī)元件上進(jìn)行極限測(cè)試。測(cè)試波形是一串二進(jìn)制脈沖，其中一個(gè)脈沖在上升沿上有一個(gè)瞬變。在某些頻率上，DDS相位增量可能會(huì)剛好跳過瞬變，而不會(huì)作為信號(hào)的一部分在時(shí)鐘中輸出瞬變。對(duì)被測(cè)器件(DUT)，信號(hào)類似于沒有干擾的脈沖流，由于缺少任何實(shí)際“極限”，這種極限測(cè)試是無效的。

　
表1. AFG 與AWG 取樣特點(diǎn)比較

　　AFG結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)成本要低于全功能AWG工具集。結(jié)果，它非常經(jīng)濟(jì)，可以供各個(gè)工程師和科研人員使用。此外，AFG擁有某些獨(dú)有的性能優(yōu)勢(shì)。部分領(lǐng)先型號(hào)擁有任何波形發(fā)生平臺(tái)中最優(yōu)秀的頻率捷變性，即能夠在不同頻率之間平滑切換，而不會(huì)在信號(hào)中產(chǎn)生不連續(xù)點(diǎn)。

表1 概括了AFG 平臺(tái)和AWG 平臺(tái)的時(shí)鐘和內(nèi)存特點(diǎn)。

深入細(xì)節(jié)
　　為更好地比較AWG和AFG結(jié)構(gòu)，我們將進(jìn)行簡(jiǎn)單的“案例分析”。我們將考察這兩個(gè)平臺(tái)處理定義輸出波形的樣點(diǎn)的方式。　

　　這一比較涉及三種儀器：最大取樣速率1 GS/s的AFG；最大取樣速率1 GS/s的AWG #1；最大取樣速率2 GS/s 的AWG #2。

　　我們的目標(biāo)是在3 MHz - 20 MHz 的頻率范圍內(nèi)生成一個(gè)正弦波。這兩臺(tái)AWG和AFG都在100點(diǎn)的取樣內(nèi)存中裝有一個(gè)正弦波周期。圖3顯示了這三個(gè)平臺(tái)的特點(diǎn)怎樣影響其任務(wù)處理方式。

　　這三種工具都以1 GS/s 的取樣速率讀取100 個(gè)點(diǎn)，生成10 MHz 正弦波(圖3 中的中間行):

圖3. T 管理輸出信號(hào)頻率的三種方法。

• AFG 的DDS 單元收到命令，在輸出上提供10 MHz，它計(jì)算出1 GS/s 時(shí)鐘每擺動(dòng)一下增加1 個(gè)點(diǎn)。它接觸到100 個(gè)樣點(diǎn)中的每個(gè)點(diǎn)。
  
• 兩個(gè)AWG中的時(shí)鐘都被手動(dòng)設(shè)置為1 GS/s，它們也讀取100 個(gè)點(diǎn)，生成10 MHz 波形。
  
• 在把輸出頻率設(shè)為3 MHz (底部行)，其方法出現(xiàn)分歧：
  AFG 的時(shí)鐘仍以1 GS/s 的固定速率運(yùn)行。但現(xiàn)在，DDS把增量自動(dòng)設(shè)成時(shí)鐘每擺動(dòng)一下0.3個(gè)點(diǎn)；也就是說，各個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)重復(fù)三次或四次。
  
• 兩個(gè)AWG中的時(shí)鐘頻率必須手動(dòng)降到300 MS/s。時(shí)
  鐘現(xiàn)在更慢地讀過樣點(diǎn)，生成3 MHz 的輸出頻率。
  
  現(xiàn)在，輸出頻率必須提高到20 MHz。這三個(gè)平臺(tái)以不同方式迎接這一挑戰(zhàn)：
  　　AFG 的DDS 單元把取樣增量設(shè)為兩個(gè)樣點(diǎn)。它每隔一個(gè)樣點(diǎn)讀取一個(gè)樣點(diǎn)，共使用50個(gè)點(diǎn)定義波形。其長(zhǎng)度只是讀取100個(gè)點(diǎn)的一半。結(jié)果是一個(gè)20 MHz輸出信號(hào)。
  　　與所有AWG 在任何頻率設(shè)置上一樣，AWG #1 時(shí)鐘每擺動(dòng)一下讀取一個(gè)樣點(diǎn)。但是，由于其最大取樣速率是1 GS/s，因此它不能在50 ns 的20 MHz 正弦波周期中讀取100個(gè)點(diǎn)。因此，必須通過用戶故意干預(yù)，把存儲(chǔ)的波形圖像下降到總共50 個(gè)點(diǎn)。結(jié)果是一個(gè)20 MHz 輸出信號(hào)。
  　　它提供了多種軟件工具，在要求時(shí)幫助用戶編輯樣點(diǎn)數(shù)量，某些儀器為此提供了內(nèi)置功能。在使用外部工具時(shí)，必須把修改后的波形重裝到AWG 中。
  　　AWG #2時(shí)鐘每擺動(dòng)一次讀取一個(gè)樣點(diǎn)，但時(shí)鐘速率翻了一倍，提高到2 GS/s。儀器讀取100 點(diǎn)內(nèi)存的速度提高了一倍。結(jié)果是一個(gè)20 MHz 輸出信號(hào)。
  　　乍一看，似乎AWG #1限于與AFG相同的波形分辨率，但有一個(gè)關(guān)鍵區(qū)別。在20 MHz的輸出頻率上，AWG讀取正弦波中50 個(gè)點(diǎn)的每個(gè)點(diǎn)。AFG 跳過樣點(diǎn)。
  

圖4. AFG 跳過樣點(diǎn)，提高其輸出頻率。在某些頻率上，可以忽略各個(gè)信號(hào)細(xì)節(jié)。
　　圖4 演示了AFG/DDS 方法和AWG 方法之間的基本二分法。本圖描述了一個(gè)正弦波的半個(gè)周期，由25 個(gè)點(diǎn)構(gòu)成，包括添加的模擬DAC 上瞬時(shí)跌落的畸變。
　　AWG讀取每個(gè)點(diǎn)(紅色或黑色)，而不管輸出頻率的設(shè)置是多少。如果輸出頻率設(shè)為10 MHz，AWG 讀取25 個(gè)點(diǎn)。如果設(shè)為20 MHz，AWG仍讀取25個(gè)點(diǎn)。如果AWG內(nèi)部的最大時(shí)鐘速率沒有足夠高，通過讀取所有樣點(diǎn)來生成希望的頻率，那么可以降低點(diǎn)數(shù)。假設(shè)用戶在削減AWG 的樣點(diǎn)數(shù)量時(shí)保留希望的波形特點(diǎn)，儀器將在每個(gè)周期中可靠地提供一個(gè)毛刺。
　　現(xiàn)在看一下AFG。如果輸出頻率設(shè)為10 MHz，它讀取每個(gè)點(diǎn)。如果設(shè)為20 MHz，它會(huì)每隔第二個(gè)點(diǎn)讀取一個(gè)點(diǎn)。這些DDS 點(diǎn)用紅色顯示。注意，AFG 完全繞過毛刺。它剛好跳過定義跌落的那個(gè)樣點(diǎn)。波形輸出為一個(gè)清楚的正弦波。被測(cè)器件沒有收到畸變。
　　

　

包括畸變的信號(hào)
　　圖4是嚴(yán)格的“教科書”實(shí)例。根據(jù)涉及的算法和頻率，DDS 將選擇要跳過的不同點(diǎn)，因此紅色樣點(diǎn)和黑色樣點(diǎn)之間的二分法并不適用于任何情況。圖5和圖6是實(shí)際屏幕圖，它們突出顯示了兩種取樣和波形重建結(jié)構(gòu)的差別?！?BR>
生成偽隨機(jī)碼流(PRBS)碼型
　　在使用基于DDS的AFG及固定取樣速率生成偽隨機(jī)碼流(PRBS)碼型時(shí)，抖動(dòng)是一個(gè)問題。簡(jiǎn)單地說，AFG一般對(duì)快速變化的脈沖上升沿和下降沿應(yīng)用相當(dāng)于抖動(dòng)的一個(gè)相同周期*3。例如，如果AFG的取樣速率是250MS/s，那么信號(hào)邊沿上將出現(xiàn)4 ns 的抖動(dòng)。抖動(dòng)值與AFG 的取樣周期相同。
　　之所以出現(xiàn)抖動(dòng)，是因?yàn)锳FG擁有固定的取樣速率，其不是數(shù)據(jù)速率的倍數(shù)。AWG則沒有這種限制(盡管任何實(shí)際環(huán)境信號(hào)源都會(huì)產(chǎn)生某些抖動(dòng))。

優(yōu)點(diǎn)/ 缺點(diǎn)
　　工具的最終選擇總是取決于應(yīng)用。用戶總是面臨著“好大喜功”的問題，這在取樣速率和內(nèi)存深度中意味著最大的數(shù)字。而聰明的用戶則會(huì)根據(jù)應(yīng)用的實(shí)際信號(hào)要求來作出選擇。
　　例如，某些中檔AFG 提供了1 GS/s 的取樣速率，某些同類AWG 則只提供了600 MS/s 的取樣速率。但當(dāng)應(yīng)用要求在廣泛的頻率范圍上可靠地提供小信號(hào)細(xì)節(jié)時(shí)，最好選擇AWG，因?yàn)锳WG 讀取存儲(chǔ)的波形上的每個(gè)樣點(diǎn)，可以保證準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)瞬變、邊沿上升時(shí)間、甚至噪聲效應(yīng)。
　　此外，AWG 還適合為低抖動(dòng)數(shù)字波形提供信號(hào)，如偽隨機(jī)碼流(PRBS)。這使其成為許多串行總線測(cè)試應(yīng)用的最佳解決方案。
　　AWG 不可避免也有一些缺點(diǎn)。如前面所述的AWG#1，編輯樣點(diǎn)數(shù)、以提高輸出頻率不象AFG改變一個(gè)設(shè)置、進(jìn)而改變頻率那樣方便。
　　由于AWG結(jié)構(gòu)在所有通道中依賴一個(gè)可變主時(shí)鐘，因此在多條通道中同時(shí)生成不同頻率要求在每條通道后面存儲(chǔ)一個(gè)不同的波形文件。
　　例如，如果需要從通道1 中生成一個(gè)10 MHz 正弦波，同時(shí)從通道2 中生成一個(gè)20 MHz 正弦波，那么通道2的波形內(nèi)存必須加載兩個(gè)周期。所以，在時(shí)鐘步進(jìn)通過內(nèi)存時(shí)，對(duì)通道1 中的每一個(gè)周期，通道2 中會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)周期，使輸出頻率翻一番。當(dāng)不同頻率不是基本頻率的倍數(shù)時(shí)，這一過程會(huì)變得更加復(fù)雜。
　　AFG提供了一套不同的優(yōu)勢(shì)。其相噪指標(biāo)和頻率捷變一般要優(yōu)于AWG。在某些領(lǐng)先的AFG 型號(hào)中，每條通道中的DDS單元獨(dú)立操縱主時(shí)鐘，從而可以簡(jiǎn)便地一次提供多個(gè)頻率。此外，AFG通常是各種選項(xiàng)中最經(jīng)濟(jì)的解決方案。任意函數(shù)發(fā)生器已經(jīng)成為通用信號(hào)源的支柱。
　　AFG不太適合要求低抖動(dòng)和非常窄的瞬變的應(yīng)用。該平臺(tái)不適合PRBS應(yīng)用，因?yàn)槠漭敵霾ㄐ伪旧淼亩秳?dòng)較高，會(huì)導(dǎo)致DUT接收單元發(fā)出錯(cuò)誤響應(yīng)。對(duì)要求可預(yù)測(cè)的信號(hào)失真的極限測(cè)試，AFG跳過樣點(diǎn)的技術(shù)會(huì)在某些頻率上產(chǎn)生誤導(dǎo)結(jié)果。

總結(jié)
　　通常情況下，選擇AFG還是AWG 主要是取決于哪種方法最適合具體應(yīng)用：
　

• 在應(yīng)用要求干凈規(guī)則的波形時(shí)，或要求從一個(gè)頻率到另一個(gè)頻率快速切換，或在多條通道中必須同時(shí)提供不同頻率時(shí)，應(yīng)選擇AFG。
  　
• 對(duì)最復(fù)雜的信號(hào)應(yīng)選擇AWG，如PRBS 流、調(diào)制的RF 信號(hào)等等。當(dāng)信號(hào)源必須在提供的每個(gè)頻率上在每個(gè)工作周期中可靠地生成畸變、受控抖動(dòng)和噪聲時(shí)，更適合采用AWG。