利用任意信号发生器模拟高速光驱信号

为开发下一代高速光驱，工程人员需要有能够模拟高速率信道的测试信号。为了确保元件和硬件系统达到规格要求，这种高速数据信号是必需的，目前通常使用一种叫做任意波形发生器(AWG)的信号源，作为开发高速读/写信道的基本工具。本文主要介绍AWG的基本原理与应用须知。



从原理上讲，AWG相当于一台正在播放歌曲的CD机(只不过信号是任意组合的)，播放器的探头读取CD上以二进制格式储存的歌曲，数据经过数模转换器，放大后形成声音，连续播放时，数据产生的音乐就可以从模拟喇叭中听到。AWG结构如图1所示，声波数据以二进制形式驻留在存储器中，二进制数值通过主时钟“取样”，同时取样时钟还驱动高速移位寄存器和数模转换器。存储器中保存的数据包含波形的振幅和位置信息，取样时钟的速率和取样数据点总数量决定了信号输出的频率。

所有的波形都是由一系列数据点组成，输出信号频率可用时钟取样率除以波形点总数来确定。对于多周期波形，输出频率=取样率×周期数/波形总点数。例如对最大取样率为每秒4G采样点的AWG来说，如果一个周期用两个点来表示波形，可以产生2GHz信号，同理，每个周期用三个点可以得到1.3GHz信号，用四个点可以得到1GHz信号，并以此类推。由于波形质量直接与波形点总数和所选取样率有关，因此驱动器开发人员要掌握好它们之间的取舍。好在有些AWG内置有应用菜单，可让用户快速建立标准驱动器信号，从而简化了波形的创建过程。



泰克的AWG710就是这样一种设备，它依据的原理是几乎所有磁盘驱动器都采用饱和记录来读写数据。在这种情形下，磁盘上每个字节都极化成两种状态中的一种，也就是说，通过简单改变写入头电流的方向就可以将写入头下面的磁介质极性颠倒，从而对数据进行编码。之后，读取头将感应到磁盘上磁通量的逆转，并对这种变化做出相应反应，这种转换响应的有效模型是混合型洛仑兹和高斯脉冲。

通过改变洛仑兹和高斯脉冲的比率，可以建立读/写信道信号模型，该模型能对一连串转换做出响应，这些转换代表了读/写头响应每个记录媒介转换时的输出电压，脉冲的符号随连续磁通量的方向变化而变化。图2是洛仑兹/高斯脉冲以50/50比率混合时建立的读/写通道信号，另外AWG710还支持PR4、EPR4、E2PR4和用户自定义脉冲。



为了正确模拟通道信号，可在混合信号中加入表示读写数据时序的部分，它规定转换的位置，这种时序可从简单1F或2F单频模式到最大长度为2n-1的伪随机位串(PRBS)或用户自定义数据模式。混合脉冲和这些数据在AWG中连接起来建立读/写信道信号，也可以利用附加参数进行编辑，如磁轨平均振幅(TAA)、脉冲宽度( PW)、非线性转换位移(NLTS)及不对称信号等。

读/写通道信号建立后，可通过图形编辑器加入振幅和时钟变量。图3显示将读/写信号和一个脉冲连接起来，目的是对信号进行改变，用图形编辑器很容易插入遗失的字节或加入额外字节。图中有两个标记点，其中标记2表示每个数据点的时间，标记1代表整个波形记录中脉冲的衰减情况。标记通常用于触发读写信号，或为信号采集装置如示波器和逻辑分析仪确定触发位置。图4显示了修正后的脉冲幅度。

设计人员改变时序可以帮助调试验证后续硬件指标富余量。改变时序的方法与丢弃(或增加)字节很类似，用指针确定相应的区域，对相应波形点进行“缩放”以得到规定的时间位移。这里的缩放与放大缩小不同，是将每一个目标数据点都乘上或除以一个缩放系数。缩放允许时间位移超过4.0GS/s的250皮秒限制，对AWG710来说，最小时钟波形位移为400飞秒(fs)。



AWG同时还为驱动器开发人员提供了波形实时排序能力。实时排序(RTS)有两个重要作用，第一，它允许将多个波形无缝连接起来，不会影响输出信号；第二，RTS可将较长信号传送给被测器件。这两种功能可使驱动器开发人员安排系列波形以对产品进行长期评估。

RTS的关键是对AWG存储器进行分配，没有RTS的AWG必须存储整个波形。例如要存储三种不同的信号各500个周期，每个信号1,000个点，则需要能存储150万点的RAM(3×500×1000)。而实时序列发生器可以不间断地自动重复每段波形，所以带RTS的AWG只要存储一个波形周期就可以了，用RTS储存上述序列只需要存储3,000点的RAM。由于AWG存储波形的容量有限，因此实时序列功能就显得很重要。在有些应用中，以4.0GS/s(250皮秒间隔)模拟10毫秒写入需要4,000万点波形存储量。实际的一个序列可能含有几百个波形，波形中还带有由逻辑和软件状态决定的条件跳跃和分支，符合条件的还要调用下一个序列。



AWG为驱动器开发人员提供了多种方法生成模拟波形，包括规定波形和最坏情形波形。第一个方法是用内建的图形编辑器提供的组建和波形操作内部工作环境(如图3和图4)；第二种方法通过公式编辑器创建信号，可提供更复杂的波形。公式编辑器将复杂数学函数汇编到模拟和数字等式中，图5是产生分散频谱时钟的部分公式内容。还有一种很流行的方法是利用数字存储示波器的记录能力将波形记录下来，然后转到AWG内存中，通常这种转移通过GPIB或LAN等外部控制方式来实现，也可以用软盘。当波形转入AWG存储器以后，就好像是用图形编辑器建立的一样，可对它进行编辑和回放。另外也可以从模拟程序如 MATLAB或MathCAD中下载 ASCII数据。