隨著科技和行業(yè)的進(jìn)步，越來(lái)越多的專業(yè)用戶對(duì)波形發(fā)生器的頻率、波形和精度提出了更高的需求。函數(shù)發(fā)生器由于其架構(gòu)靈活性的限制，逐漸不能滿足日益增長(zhǎng)的需求。在這樣的背景下，任意波形發(fā)生器（AWG）作為一種新的儀器被設(shè)計(jì)和制造出來(lái)，來(lái)滿足用戶的需求。

背景知識(shí)

DG70000任意波形發(fā)生器共有四條輸出通道，它們共用了一個(gè)可調(diào)輸出時(shí)鐘。在可調(diào)輸出時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下，通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）將需要輸出的內(nèi)容逐一呈現(xiàn)在端口上。每個(gè)通道都可以工作在兩種模式下，分為實(shí)數(shù)和復(fù)數(shù)模式。實(shí)數(shù)模式比較直接和簡(jiǎn)單，用戶通過(guò)控制可變時(shí)鐘的頻率和波表的內(nèi)容來(lái)精確控制輸出的波形。實(shí)數(shù)模式下，波表里面有什么，機(jī)器就輸出什么內(nèi)容。

圖1 DG70000及其輸出通道

當(dāng)任意波形發(fā)生器切換到復(fù)數(shù)模式時(shí)，波表也需要隨之變化。復(fù)數(shù)模式所對(duì)應(yīng)的波表為復(fù)數(shù)波表，該波表實(shí)質(zhì)上由兩個(gè)實(shí)數(shù)波表組成。見(jiàn)圖2，這兩個(gè)波表會(huì)被送入數(shù)字可控振蕩器進(jìn)行數(shù)字域混頻并最終合成為一個(gè)信號(hào)。這個(gè)信號(hào)也會(huì)進(jìn)入到數(shù)模轉(zhuǎn)換器并在可變時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下輸出波形。

圖2 任意波形發(fā)生器的復(fù)數(shù)模式實(shí)數(shù)

相較于實(shí)數(shù)模式，復(fù)數(shù)模式更為復(fù)雜和非直觀一些。復(fù)數(shù)模式的基礎(chǔ)為正交調(diào)制（IQ Modulation），這兩個(gè)實(shí)數(shù)波表就是復(fù)數(shù)模式的基帶內(nèi)容，然后進(jìn)入乘法器（混頻器）和加法器輸出最終信號(hào)。

圖3 正交調(diào)制

我們假設(shè)這兩個(gè)實(shí)數(shù)波表輸出的內(nèi)容為i（t）和q（t）這兩個(gè)時(shí)域信號(hào)。將這兩個(gè)時(shí)域信號(hào)輸入IQ混頻器后獲得了公式1。最后將這兩個(gè)公式相加并化簡(jiǎn)可以得到公式2。這也是最后運(yùn)送到DAC進(jìn)行輸出的信號(hào)?？梢钥闯觯琁Q基帶信號(hào)能控制輸出信號(hào)的相位和幅度。而在頻域上，基帶的內(nèi)容被整體搬移到了NCO頻率的附近。正是這種特性，賦予了復(fù)數(shù)模式極大的靈活性。

運(yùn)用實(shí)踐

看到這里，有人可能會(huì)有疑惑：實(shí)數(shù)和復(fù)數(shù)模式下，波表最終都化作一個(gè)通向DAC的數(shù)字序列，那復(fù)數(shù)模式到底還有什么存在的意義？為什么不能用實(shí)數(shù)模式替代復(fù)數(shù)模式呢？

事實(shí)上，復(fù)數(shù)模式和實(shí)數(shù)模式最大的區(qū)別在于：數(shù)字可控振蕩器（NCO）和實(shí)時(shí)的計(jì)算過(guò)程。我們需要明確的是，無(wú)論是實(shí)數(shù)還是復(fù)數(shù)模式，DG70000的最大存儲(chǔ)深度是1.5Gpts，數(shù)據(jù)帶寬也是有限的。這些因素限制了實(shí)數(shù)模式的靈活性和信息載量。以下用兩個(gè)例子說(shuō)明它們之間的區(qū)別：

例1特性對(duì)比

1.5Gpts的實(shí)數(shù)波表，DG70000最多可以以10GSa/s的DAC速率輸出。由于兩倍內(nèi)插的存在，波表的有效輸出速率是5GSa/s。所以該波表的持續(xù)時(shí)間是0.3秒，覆蓋了DC-2GHz的模擬帶寬（第一奈奎斯特區(qū)域，F(xiàn)s/2.5=2GHz，以下相同）。

當(dāng)然用戶也可以犧牲帶寬來(lái)?yè)Q取更高的持續(xù)時(shí)間，調(diào)小輸出速率即可。而1.5Gpts的復(fù)數(shù)波表，分為兩個(gè)750Mpts的實(shí)數(shù)波表，DG70000最多可以以12GSa/s的DAC速率輸出。此時(shí)，波表的有效輸出速率為3GSa/s，持續(xù)時(shí)間為0.5s?；鶐挒镈C-1.2GHz。通過(guò)NCO搬移后最高輸出頻率可以達(dá)到5GHz。

圖4 最大輸出頻率下的實(shí)數(shù)和復(fù)數(shù)模式頻率范圍

可以發(fā)現(xiàn)是的，實(shí)數(shù)和復(fù)數(shù)模式的輸出速率雖然近似，但是由于NCO的存在，最高輸出頻率和輸出持續(xù)時(shí)間都優(yōu)于實(shí)數(shù)模式。在頻域信號(hào)方面，復(fù)數(shù)模式更占優(yōu)勢(shì)。而在復(fù)雜的寬帶時(shí)域信號(hào)方面，實(shí)數(shù)模式更占優(yōu)勢(shì)，一個(gè)波表即涵蓋了所有的內(nèi)容，而不需要進(jìn)行各種計(jì)算。

例2 波表截?cái)?/strong>

如果令I(lǐng)Q基帶信號(hào)為一對(duì)正交的正弦波，代入i（t）和q（t）并進(jìn)行化簡(jiǎn)，可以發(fā)現(xiàn)基帶信號(hào)被NCO整體上變頻，并且最終輸出為一個(gè)正弦單音信號(hào)。讓我們以輸出一個(gè)正弦信號(hào)為例，來(lái)直觀感受復(fù)數(shù)模式下NCO和實(shí)時(shí)計(jì)算帶來(lái)的一些特性區(qū)別。

我們知道，任意波形發(fā)生器的最終輸出取決于波表的內(nèi)容和輸出采樣率。如果想要獲得良好的輸出質(zhì)量（正弦波），應(yīng)該如圖5中所示的樣子，沒(méi)有離散和突變的點(diǎn)出現(xiàn)。

圖5 使用整倍數(shù)生成實(shí)數(shù)波表輸出

一般來(lái)說(shuō)，實(shí)數(shù)模式下都可以通過(guò)調(diào)節(jié)波表輸出速率為目標(biāo)頻率的整倍數(shù)（或有限小數(shù)倍數(shù)）來(lái)解決。如果每周期點(diǎn)數(shù)是無(wú)限小數(shù)，那么永遠(yuǎn)無(wú)法達(dá)到首尾良好銜接，就會(huì)出現(xiàn)波表截?cái)唷?/p>

圖5中展示了一個(gè)周期是4個(gè)點(diǎn)的情況，圖6中展示了一個(gè)周期是5.70125…個(gè)點(diǎn)這種狀況。如果此時(shí)建立一個(gè)有6個(gè)點(diǎn)的波表，那當(dāng)DG70000循環(huán)輸出波表到第7個(gè)點(diǎn)（黃色圓點(diǎn)）的時(shí)候，就會(huì)偏離原本的數(shù)值，引入相位抖動(dòng)噪聲（截?cái)啵?。而使用?fù)數(shù)模式的時(shí)候，所有的點(diǎn)（橙色方塊）都是通過(guò)基帶和NCO數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算得到的，其長(zhǎng)度精準(zhǔn)，就避免了這種狀況的發(fā)生。當(dāng)然，前提是復(fù)數(shù)基帶波表是波表輸出速率的整倍數(shù)。

圖6 使用小數(shù)倍數(shù)生成實(shí)數(shù)波表輸出和復(fù)數(shù)模式輸出

以下的例子展示了如何通過(guò)復(fù)數(shù)模式實(shí)現(xiàn)無(wú)雜散小數(shù)倍頻率輸出。在一些特殊應(yīng)用場(chǎng)景下，需要給被測(cè)儀器同時(shí)提供100MHz和990MHz的正弦信號(hào)，然而這兩個(gè)信號(hào)是無(wú)法獲得一個(gè)共同的整倍數(shù)采樣率的。這意味這如果都采用實(shí)數(shù)模式輸出，其中某一個(gè)信號(hào)一定會(huì)帶有截?cái)嘣肼暋?/p>

這時(shí)候，就可以將DG70000的一個(gè)通道配置在復(fù)數(shù)模式，另一個(gè)通道配置在實(shí)數(shù)模式，輸出速率設(shè)置在5GSa/s。采用內(nèi)置插件編譯1MHz的基帶信號(hào)，然后設(shè)置NCO為989MHz將1MHz的基帶正弦信號(hào)搬移到990MHz。另一個(gè)通道可以直接用實(shí)數(shù)模式輸出100MHz的信號(hào)。此時(shí)可以同時(shí)在兩個(gè)通道輸出高質(zhì)量的無(wú)截?cái)嘣肼暤恼倚盘?hào)。

圖7 攜帶了雜散的990MHz正弦信號(hào)（實(shí)數(shù)模式），5GSa/s

圖8 優(yōu)化了雜散的990MHz正弦信號(hào)（復(fù)數(shù)模式），5GSa/s

應(yīng)用場(chǎng)景

實(shí)數(shù)模式-時(shí)鐘源

許多測(cè)量測(cè)試的時(shí)候需要用到時(shí)鐘源，尤其是數(shù)字電路測(cè)試的時(shí)候。當(dāng)需要用到特定時(shí)鐘源的時(shí)候，可以使用DG70000系列任意波形發(fā)生器直接生成所需要的頻率、幅度的時(shí)鐘信號(hào)。同時(shí)兼容單端和差分信號(hào)輸出，支持多種接口模式，為用戶部署測(cè)試提供了便利。

應(yīng)用注意點(diǎn)

當(dāng)需要使用差分時(shí)鐘，比如LVDS、LVPECL等的時(shí)候，可以將通道切換到DC輸出鏈路并使用其差分輸出端口。當(dāng)僅僅使用單端時(shí)鐘時(shí)，可以將其中一個(gè)差分端口接上50歐姆負(fù)載。

實(shí)數(shù)模式能便利地生成不同的方波、正弦波和三角波等進(jìn)行測(cè)試。但是當(dāng)輸出頻率過(guò)高，單個(gè)周期內(nèi)的采樣點(diǎn)較少時(shí)，仍需要關(guān)注波形質(zhì)量。

圖9 使用DG70000系列任意波形發(fā)生器作為數(shù)字時(shí)鐘源

復(fù)數(shù)模式-時(shí)鐘源

在射頻應(yīng)用中，時(shí)鐘源需要關(guān)注頻譜質(zhì)量。一些應(yīng)用場(chǎng)景下，非整倍數(shù)實(shí)數(shù)波表可能會(huì)導(dǎo)致比較差得頻譜質(zhì)量。當(dāng)面對(duì)這種需求，可以考慮使用復(fù)數(shù)模式并借助數(shù)字可控混頻器來(lái)獲得更高質(zhì)量的信號(hào)。

應(yīng)用注意點(diǎn)

當(dāng)采用復(fù)數(shù)模式生成單頻率正弦信號(hào)時(shí)，可以使用內(nèi)置插件生成一個(gè)較低頻率的正弦基帶復(fù)數(shù)波表，比如1MHz。然后通過(guò)數(shù)字混頻器搬移到更高的頻率，當(dāng)混頻器被設(shè)置到999MHz時(shí)，通道即輸出一個(gè)1GHz的信號(hào)。

不推薦使用復(fù)數(shù)模式生成方波、三角波之類的波形。

圖10 使用DG70000系列任意波形發(fā)生器作為射頻時(shí)鐘源

總結(jié)

DG70000系列任意波形發(fā)生器憑借其5GHz模擬帶寬和12GSa/s的輸出速率，能覆蓋大部分的需求。實(shí)數(shù)和復(fù)數(shù)模式為用戶的使用提供了更多的便利性，在各種實(shí)驗(yàn)和測(cè)試環(huán)境下更加游刃有余。高級(jí)序列、多通道同步等功能更是為用戶在量子科技、無(wú)線通信、復(fù)雜場(chǎng)景模擬等多種應(yīng)用場(chǎng)景提供高品質(zhì)的信號(hào)輸出，從而應(yīng)對(duì)行業(yè)應(yīng)用帶來(lái)的挑戰(zhàn)。

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DG70002    5GHz    雙通道

DG70004    5GHz    四通道