标签: 任意波形发生器

​在量子技术飞速发展的今天，实现高效稳定的量子态操控是推动量子计算、量子通信等领域迈向实用化的关键。任意波形发生器（AWG）作为精准信号控制的核心设备，在量子实验中发挥着不可或缺的作用。丹麦哥本哈根大学的研究团队 基于单个量子点实现确定性三量子比特纠缠光子源的实验，便是AWG应用的经典案例，充分展现了其在量子态操控中的强大能力 。 在该实验中，研究团队的目标是利用量子点内的电子自旋和发射的光子，构建具有高保真度的三量子比特纠缠态，即格林伯格-霍恩-泽林格（GHZ）态。然而，要实现这一目标，需要电子自旋进行极其精确的相干操控，这正是AWG大显身手之处。 AWG的首要任务是 生成微波调制信号 。实验采用德思特TS-AWG5064型号的任意波形发生器，它能够产生最高6GHz的低频微波信号。这些低频信号与频率为8.2GHz的外部本地振荡器（LO），借助Mini-CircuitsZX05-153LH-S+混频器进行混频，从而产生高频边带信号。随后，通过ZVBP-10R5G-S+高通滤波器滤除低频成分，得到实验所需的高频信号，如用于驱动电子自旋塞曼能级跃迁的22GHz信号。该高频信号经放大后加载到电光调制器（EOM），实现对激光相位和幅度的调制，进而实现对电子自旋的操控。这一过程就像是给激光信号“编码”，让激光能够按照实验需求，准确地与电子自旋相互作用。 除了生成信号，AWG还承担着 精确控制自旋操作时序 的重任。在整个实验流程中，从核自旋窄化到GHZ态生成，每一个步骤都离不开AWG对脉冲序列的精准把控。在核自旋窄化环节，AWG发送两个重叠的1.1µs拉曼脉冲和一个1.2µs泵浦脉冲，有效抑制了核自旋噪声，将电子自旋退相干时间从2ns大幅延长至33ns，为后续的自旋操作提供了稳定的条件。而在GHZ态生成过程中，AWG输出一系列特定宽度（如4ns）的π/2和π脉冲，并与皮秒激光脉冲配合，实现了自旋与光子发射时间的纠缠。为确保所有操作的精确性，AWG与现场可编程门阵列（FPGA）通过72.63MHz射频信号实现外部时钟同步，使自旋操作与光子检测事件能够精确对齐。 AWG的性能优势在实验中得到了充分体现。 其频率范围可满足从低频信号生成到高频信号转换的需求，时间分辨率达到纳秒级，能够快速响应量子点自旋操控的要求 。此外，AWG支持自定义波形，研究团队可以根据实验需求调整脉冲形状，如使用高斯脉冲、方波等，以优化自旋旋转保真度，减少非共振激发误差。在与其他光电器件的协同工作中，AWG与电光调制器（EOM）、声光调制器（AOM）紧密配合，实现了对激光光路和自旋状态的全方位控制。同时，通过实时监控和误差校准机制，AWG能够动态调整激光功率等参数，确保实验的稳定性和准确性。 该实验最终成功实现了保真度为56(2)%的三量子比特GHZ态，并通过违反双可分性准则10个标准差，证明了真正的三粒子纠缠。这一成果的取得，AWG功不可没。 它不仅为高保真自旋操控提供了保障，还为未来量子系统向更多量子比特扩展奠定了基础 。通过灵活编程脉冲序列，基于AWG的量子操控技术有望实现从三量子比特到八量子比特甚至更多量子比特的突破，推动量子计算和量子通信等领域的发展。 从丹麦哥本哈根大学的这项研究可以看出，AWG在量子实验中的应用具有重要意义。它凭借 精准的信号生成和时序控制能力 ，成为连接理论设计与实验实现的关键桥梁，为量子技术的创新发展提供了有力支撑。随着技术的不断进步，AWG有望在更多量子应用场景中发挥更大作用，助力人类探索量子世界的奥秘，实现量子技术的广泛应用。 德思特TS-AWG5000可生成 低至230ps的亚纳秒脉冲，在50Ω负载下电压幅度可达5Vpp，上升和下降时间小于110ps 。脉冲可以生成任意形状，为用户在所有实验条件下提供最大的灵活性。 ​

​德思特合作伙伴Spectrum仪器于5月14日宣布旗下TS-DN2.63xNETBOX系列推出四款全新型号的任意波形发生器（AWG）， 其输出速率高达10GS/s，分辨率为16位 。新产品采用以太网连接技术，可通过电脑、笔记本电脑以及企业网络直接控制。 此次发布的新产品主要服务于自动化和远程测试领域，尤其适用于直流至2.5GHz宽带的信号生成。 新款任意波形发生器（AWG）体积小，重量轻。仅需一根标准的以太网或LXI线，即可连接至任意电脑或网络。 高分辨率16位数模转换器（DAC）技术能够生成高纯度、低噪音的波形， 非常适用于刺激响应测试或闭环型测试场景。 每个AWG通道均配备独立的DAC，并支持输出范围可完全编程的单端输出或差分输出模式。在单端模式下，波形幅度可达±500mV（负载为50Ω），而在差分模式下，波形幅度可达±1V（负载为100Ω）。当使用高阻抗终端时，输出电平则翻倍，最大可达±2V。 德思特合作伙伴Spectrum仪器目前推出了35款不同型号的generatorNETBOX，客户可根据实际需求为所需功能付费。这一设计能使信号生成更便捷，更具成本效益。 TS-DN2.63x系列产品提供单通道和双通道配置，其中包括 2GSamples（4GB）标准内存，并可扩展至8GSamples（16GB） 。在不受干扰的情况下，这一设计能够在800毫秒10GS/s的采样率下实现长波形回放。用户能够从多种智能触发功能和信号生成模式中进行选择，其中包括单触发、重复触发、多次触发以及FIFO流式传输模式。在FIFO模式下，用户可在重放存储波形的同时，将新数据上传至任意波形发生器。 每款产品均配备SBench6软件，支持波形生成、控制与分析。用户可通过方程定义波形，使用内置函数发生器，或从数字化仪、示波器及模拟工具中导入数据。针对定制化开发需求，Spectrum仪器还提供了适用于C++、Python、MATLAB、LabVIEW等编程环境的软件开发工具包（SDK） 新产品能够通过前面板连接器支持的外部时钟和触发信号无缝集成至自动化系统中，同时具备多功能I/O线路，用以标记输出、状态标志或实现同步或异步信号传输。为了满足特定需求，新产品还提供了数字脉冲发生器选项。 该设备重量不足7千克，可选择配备机架安装套件，因此非常适合用于移动场景、台式操作和基于Rack服务器机架。 这些新型超高速任意波形发生器（AWG）已成为generatorNETBOX系列的最新成员。该系列产品目前涵盖35种不同型号，采样率范围从40MS/s至10GS/s。所有NETBOX设备均享受五年质保服务，终身免费软件及固件更新，并由德思特Spectrum设计工程师团队提供直接技术支持。 新款旗舰产品generatorNETBOX的最高输出率可达10GS/s、2.5GHz带宽、16位分辨率，并支持单端及差分输出模式 关于Spectrum仪器 Spectrum仪器公司成立于1989年，采用独特的模块化理念设计并生产了200多种数字化仪和信号发生器产品，其中包括PC卡（PCIe和PXIe）以及独立的以太网设备（LXI）。35年以来，Spectrum仪器已经赢得了全球众多客户的信赖，产品也被众多行业领军企业和多所知名大学广泛使用。公司总部位于德国汉堡，旗下产品均可享受五年的质保及专业工程师提供的技术支持。 ​

​德思特PCIe/PXIe AWG板卡， 拥有高达1.25 GS/s采样率，16 bit 分辨率，每张卡最多 4 个通道。多通道AWG可以在内部与星形集线器同步，从而可以构建具有多达64个同步通道的系统。德思特generatorNETBOX系列的单个独立便携台式设备，基于以太网/ LXI，从2个通道开始，最多可容纳24个通道。这些多通道波形发生器通常用于物理实验，非常适合量子研究。配置免费的上位机软件Sbench 6, 提供二次开发包，可以在您想要的软件平台上控制输出复杂的仿真波形。

1、简介 在无线电通信领域，信号正迅速走向全数字化。这一趋势主要是由于与模拟信号相比，数字信号具有更高的频谱效率。为了满足用户日益增长的需求，信号的中心频率、频谱密度和频段都在不断增加；因此，设备在每一次操作中都变得越来越复杂和关键。 在这方面，现代最先进的任意波形和函数发生器可以克服这一问题，提供前所未有的灵活性，为工程师提供了一个强大的工具，用于产生所有类型的信号和数字调制，以测试传输或接收链的不同阶段，如调制器、解调器、混频器、滤波器、放大器、低噪声放大器（LNA）等。 不同阶段需要不同类型的信号，下面我们将介绍一些AWG应用实例： ✓ 生成 比特流和触发输出信号 （用于下一阶段同步），以测试编码器系统的性能。 ✓ 生成提供给一个或两个通道的 正交基带信号 ，以测试不同参数（如符号数、传输滤波器类型、噪声电平）的符号传输/接收。 ✓ 生成 中频/射频信号 ，以测试混频器、中频滤波器、发射器放大器和接收器级。 2、 数字调制的比特流生成 如今，串行协议因其在距离、抗噪和性能方面的优势，已广泛应用于许多通信标准中。这种通信方式由比特流组成，发射系统将比特流并行化并转换成符号。 使用德思特TS-AWG-5000系列可以生成比特流，并设置频率、振幅、比特形状等所有参数。 3、 使用序列发生器生成比特流 使用AWG，您可以将“0”和“1”的位形加载到内存中，然后设置仪器，使其按照精确的序列或外部输入的函数来重现位“0”或位“1”，从而生成依赖于外部源的位流。 作为示例，我们展示了使用序列器和标记通道生成比特流的方法。通道一用于生成比特形状，在本例中，由标记输出生成回零代码和每个比特上的脉冲。通道二包含一个非回零代码，用于触发通道一。这样，图案的定义和位形的定义就脱钩了。 通道1的定序器包含位“0”（波形“BitLow”）和位“1”（波形“BitHigh”）的位形状。条目2和条目3被编程为无限次重复，并在触发事件发生时跳转到另一个波形：当触发上升沿发生时，序列器从位“0”跳转到位“1”；相反，当触发下降沿发生时，序列器从位“1”跳转到位“0”。 第二个通道的序列包含我们想要重现的比特序列，在示例中，它是由一些直流电平队列创建的，其中比特“0”的值为0V，比特“1”的值为300mV，但也可以加载包含比特序列的文件。 在编译比特流时，必须考虑到接收触发器输入需要1.8µs的时间，因此为避免错误，应遵守超过2µs的最小比特周期（500kbps）。通道2音序器的前两个条目是延迟和脉冲：延迟提供启动通道1并使其处于等待状态所需的时间；脉冲提供启动通道1所需的触发器。通道1的第一个定序器入口是另一个0V直流电平，起“等待”作用，在接收到通道2的脉冲上升沿后重现。通道1的第一个波形（0V直流电平）与脉冲波形之间的持续时间差提供了必要的偏移，以确保边缘在波形结束前到达。这种延迟、脉冲和等待状态之间的博弈确保了通道之间的同步。 4、 I-Q信号生成 在现代数字通信中，基带信号通常由两个数字信号I（同相）和Q（正交）组成，这两个信号由调制器组合而成。虽然现代通信以数字技术为基础，但输出信号是模拟信号，因此存在该领域的典型问题：设备噪声会降低最大信噪比、非线性、正交误差、I和Q信道不平衡，从而导致符号星座失真和理论性能降低。 使用第三方软件，如NI Labview®或Matlab/Simulink®，可以创建不同类型的基带信号，无论是否存在上述缺陷，并将生成的波形加载到仪器内存中。 通过这种方式，您可以创建并存储同一调制方案的多种变体，并在测试期间调用它们来评估系统性能并找到最佳参数集。 德思特TS-AWG-5000系列可提供多达8个模拟通道、4个标记输出端和多达32个数字输出端，这些输出端与单个仪器的主通道同步；使用混合波形可通过与发送到被测设备的模拟波形同步的数字线标记事件。 5、 使用Simulink模块生成I-Q信号 以下Simulink®示例用于在传输和接收链的不同点提供信号： 成形滤波器的改进：成形滤波器是发射端和接收端之间的匹配滤波器，可削减带宽以满足频谱占用的要求，并可避免符号间干扰（ISI）。最常用的滤波器是升余弦滤波器（通常为平方根形式）和高斯滤波器。在滤波器之前提供数字调制（第2点），就可以通过改变设置参数或调制类型来测试滤波器的性能。 ● 上变频测试 ： 基带信号通常由2个混频器调制，并乘以本地振荡器信号。要测试这些电路，必须在滤波器之后提供I和Q通道（第3点）。 ● 基带接收链测试： 一旦信号返回基带，一些电子电路就会对信号进行解调。 ●1:随机数流。 ●2(I)、2(Q)：16-QAM直接输出（整形滤波器之前）。 ●3(I)、3(Q)：经过减损和提高余弦整形滤波器后的16-QAM信号。 ●4(I)、4(Q)：AWGN信道后的16-QAM信号。 Simulink®提供了多个库块，只需将它们组合起来并设置参数，即可建立系统模型。 在本文中，我们将举例说明如何构建一个模型来生成I-Q基带信号，并添加传输滤波器和一些损伤，如I-Q不平衡、AWG N信道噪声（或衰减）。最后将结果导出到Matlab®工作区，并通过使用SCPI命令驱动仪器的脚本加载到仪器内存中。 我们建议在可能的情况下，将所有“至工作区”块的“采样时间”设置为AWG采样周期，在示例中设置为162ps（6.16GS/s）。这样，生成的采样阵列将与AWG架构直接兼容。 遗憾的是，并非所有Simulink模块都支持十进制采样时间，在这种情况下，建议将Simulink采样时间设为1，并将“模拟时间”设为要加载到AWG的采样数量。 6、 IF/RF生成 I-Q信号可以使用外部调制器进行合成，但外部调制器可能会增加不必要的失真，此外，如果要改变所分析的调制方案，还需要更换调制器。通过AWG直接合成射频/中频可以克服上述问题。 通过使用NILabview®或Matlab/Simulink®等软件，可以直接创建RF/IF调制信号，并添加不完美信号，最后将结果加载到AWG存储器中。 德思特TS-AWG-5000系列可在基带模式下生成高达2GHz的射频调制信号，过采样率超过4倍，以确保信号具有良好的频谱质量。此外，射频模式选项允许仪器以12.32GS/s的采样率工作，并可生成高达6GHz的射频调制信号。 7、 使用Simulink模块生成射频信号 利用所述Simulink模型，可以在传输和接收链的不同阶段生成调制信号： ● 发射机射频放大器测试 ：在正交调制中，射频放大器的线性度非常重要，因为非线性会导致额外的不必要调制，如AM/AM和AM/PM转换。通常使用VNA测量射频放大器的特性，VNA提供正弦波并分析响应。相反，AWG可以直接向放大器提供调制射频信号，从而在实际工作条件下进行测试（Simulink模型的第5点）。最终结果取决于设备的工作点和热效应，因此使用正弦波进行测量可能会得出与放大器实际工作条件不同的结果。 ● 接收器射频部分测试 ：射频部分主要由滤波器、低噪声放大器(LNA)、混频器和载波恢复电路组成；该部分只能传输所需的信号。在本Simulink示例（模型的第6点）中，我们在与载波的不同距离处添加了两个干扰信号，以测试接收器的性能。 ● 接收器链测试 ：射频调制信号可用于测试整个接收器链，提供不同损伤的调制信号并观察接收器的性能（模型第6点）。 ● 均衡器测试 ：现代接收机可根据信号功率在多个天线之间切换，或将多个信号合并以获得最佳信号。 可以用相同的射频信号加载AWG信道，但信号的振幅或相位不同；这样就可以测试均衡器的性能。对于这种测试，AWG排序器非常有用，因为它可以创建一个波形 该Simulink模型是前一个模型的扩展：在基带部分之后，我们添加了两个乘法器来模拟混频器，并添加了两个正弦函数来模拟本地振荡器。 此外，在射频生成部分之后，我们还增加了两个正弦函数来模拟载波附近的干扰信号。 8、 使用射频模式生成射频无线信号 德思特TS-AWG-5000系列任意波形发生器可在基带模式下工作，实时采样率为6.16GS/s，或在射频模式下工作，插值采样率为12.32GS/s。使用射频模式，可以生成射频无线信号和高达6GHz的调制脉冲。 通过内部调制器和上变频器，可以生成单载波或双载波的射频信号（单载波和双载波模式）；使用这种模式，可以在两个频率之间轻松切换，并实时增加不同频率之间的幅度和偏移等损耗。 ​

​ 利用AWG操作钻石中的氮空位色彩中心 金刚石中的颜色中心是晶格中的缺陷，其中碳原子被不同种类的原子取代，而相邻的晶格位点则是空的。由于色心具有明亮的单光子发射和光学可触及的自旋，因此有望成为 未来量子信息处理和量子网络的固态量子发射器。 量子点和金刚石中的氮空位色彩中心是实现自旋量子比特和相干光子纠缠的两个最成熟的系统。然而，在这两种系统之间，氮空位显示出超过1秒的出色相干时间，但缺乏产生无差别光子所需的零声子线（ZPL）高效发射，而量子点则在发射特性方面显示出巨大前景，但仅限于数十纳秒的相干时间。 这凸显了使用固态量子发射器所面临的典型挑战： 1. 单光子产生 2. 发射器自旋相干时间 最近对部分SiV金刚石中IV族空位中心的研究表明，在满足这些领域的要求方面大有可为。 锡基空位中心具有良好的自旋特性，在纳米结构中具有强烈而稳定的零光子线发射，因此非常适合集成到纳米光子平台中。 金刚石中的IV族空位中心因其晶体学对称性而显示出卓越的光学特性，这有利于零光子线发射。 SiV中心在100mK时的相干时间为10毫秒，而SnV预计在2K时的相干时间与此相似--2K是标准氦低温恒温器容易达到的温度。 德思特TS-AWG-5000系列已被用于控制用于操控金刚石中单个锡空位中心的实验脉冲序列。TS-AWG-5000 能够产生高幅度（大于1.5伏）的窄电方波脉冲，以控制电光幅度调制器，从而产生短激光脉冲。 利用这种机制，能够产生接近高斯形状的光脉冲，其Full-width-half-max（半高全宽，简称FWHM）最窄可以到280ps。此外，TS-AWG-5064已被用于驱动电光相位调制器，以产生高达约2GHz的频率边带，从而能够利用相位稳定的激光场驱动两个光学转换。 TS-AWG-5000的数字输出通道可控制声光振幅调制器，或用于产生触发脉冲，为实验序列计时。 未来，有必要根据序列中某个读数的结果对测量协议进行实时控制。 ​