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​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。 ​

​4月8日及10日，德思特《面向未来量子通信与大物理研究》线上研讨会圆满结束。感谢大家的观看与支持！ 在直播间收到一些观众的技术问题，我们汇总了热点问题并请讲师详细解答，在此整理分享给大家，请查收！ DDS信号源：量子通信关键技术的新引擎——从原理到应用的全景解析 Q： DDS Core的基础参数有哪些？如何进行编程？ DDS Core的基础参数包括频率、相位以及电压幅值等。每个参数都对应特定命令，可直接在FPGA中写入。此外，我们还提供复杂信号生成的示例程序，如有需要可联系获取。 Q： DDS信号源的频率分辨率如何？输出频率范围有多宽？ 目前我们提供的DDS信号源最高频率可达400M。同时我们也提供其他类型的AWG，其最高采样率可达17G，正弦波带宽约为10G。 Q：相位跳变模式和相位偏移模式有何不同？实际应用中应如何选择？ 相位跳变模式下，每次触发时相位与上一次设置无关，会将上次相位清零并更新为最新相位；相位偏移模式则利用相位累加器建立相位关系，例如在IQ信号90度相位关系的控制中，相位偏移模式可实现精准控制，用户可根据具体相位控制需求选择合适模式。 Q：板卡通过什么接口发送什么指令？是否提供配套上位机程序？ 板卡支持多种指令发送方式。我们提供Python、C++等语言接口的配套上位机程序，其中Python针对DDS模式的API命令最为完善，还提供可视化的旋钮式上位机面板方便直接控制DDS信号源。 Q：DDS模式下，如何在切换点同时设置频率、相位和幅值？ 可通过命令序列实现，每个参数设置对应一行命令，在命令序列模块中可单独设置频率、幅度、持续时间，也能设置频率斜率、幅值斜率等参数，通过触发操作有序组合输出这些命令。 Q：AWG和DDS如何影响量子计算机的开发效率？ DDS信号源频率、振幅和相位变化速度极快，延迟仅6.4纳秒；AWG延迟至少2毫秒。AWG需计算机系统先计算波形并存储到卡的缓存再加载，流程导致延迟高。DDS基于FPGA在硬件直接更改相位和频率，凭借低延迟显著提升计算效率，更适合高频度复杂切换场景。 Q：改变DDS Core中的相位会对电压产生怎样的影响？ 改变DDS Core中的相位会通过不同调制方式对光信号电压产生影响，此外，频率调整、施加不同电信号电压幅值等方式也能实现对光信号电压的调制。 从量子通信到物理探索：AWG技术的多维度应用与实践 Q：任意波形发生器和任意函数发生器有什么区别？ 任意函数发生器基于DDS技术，能够产生标准函数波形，例如标准正弦波、方波、脉冲以及各类调制信号。而任意波形发生器（AWG）是依据存储的数字数据创建波形，相比之下，AWG的灵活性更高，AFG则在使用上更为简洁。我们的产品配备了两种不同的上位机软件，方便用户直接使用AFG和AWG模式。 Q：使用AWG有哪些好处？ 在实验室环境，尤其是缺乏大型设备的情况下，AWG可通过信号仿真模拟复杂的信号环境，为后续算法和理论研究提供支持。其核心优势在于灵活性高且精度出色，能够满足多样化的科研与测试需求。 Q： 脉冲发生器如何检测通道偏移的情况？ 我们的脉冲发生器支持多脉冲和高级脉冲序列模式，用户可通过设置不同通道或不同脉冲之间的时序偏差，模拟并检测设备的通道偏移情况。 Q：设备支持哪些调制方式？ 我们的产品既支持幅度调制（AM）、频率调制（FM）、相位调制（PM）等标量信号仿真，也能实现FSK（频移键控）、PSK（相移键控）等复杂矢量信号的仿真。这些调制方式均可通过AWG内置软件轻松设置。 Q：设备是否支持自定义波形的产生？如何实现？ 支持。AWG的主要优势之一就是能够产生自定义波形。我们的软件配备波形编辑器功能，用户可编辑波形中每个样本点的数据并导入设备输出；此外，也可以通过MATLAB等工具仿真波形，将其保存为TXT或CSV格式文件，再导入AWG设备生成自定义波形，操作方式十分灵活。 Q：设备配备了哪些接口和模块？ 设备前后面板均设有接口。后面板支持网口、USB和GPIB接口；在数据交互方面，配备触发输入/输出通道、时钟输入/输出通道以及mark输出接口。用户可设置特定触发条件，利用mark输出信号与其他设备联动，实现同步操作。 Q：设备最多可以支持多少个模拟通道和数字通道？ 高端系列设备最多支持四台设备同步，模拟通道输出最多可达16路，数字信号最多支持128路输出。以TS-AWG4000系列为例，单台设备最高支持8个通道输出，四台同步时可实现32路模拟通道输出。 Q：AWG技术未来的发展趋势是怎样的？ 随着应用场景复杂度提升以及对精度要求日益增高，AWG技术将朝着高精度、高采样率、高分辨率方向发展。受限于当前内部架构，难以同时实现高采样率与高分辨率，但我们正不断探索突破。目前，我们的产品在17G采样率下可达到14位分辨率，16位分辨率下采样率可达12.32G，处于行业领先水平，未来还将持续向更高性能迈进。 ​

​ 一、多音DDS模式 DDS（直接数字合成）是一种从单个固定频率参考时钟生成任意周期波的方法，广泛用于信号生成应用。德思特AWG（任意波形发生器）上实现的DDS功能基于添加多个“DDS 核心”以生成多载波（多音调）信号的原理，每个载波都有自己明确定义的频率、幅度和相位。除了这些静态参数之外，还内置了频率和幅度斜率等动态参数，以允许多个内核进行固有的线性变化。 在最简单的情况下，用户将特定DDS内核的命令频率和幅度写入，然后AWG将连续输出单个周期性正弦波，直到用户向其写入更改。这些更改以命令的形式写入（有关可用命令的列表，请参见下部分），并添加到先进先出(FIFO)缓冲区。然后，这些命令按照写入的顺序执行。 下方示例显示了16个DDS内核的输出，这些内核的独立固定频率在50MHz到125MHz之间，间隔为5MHz。 16个正弦波DDS核在频域的输出 二、可用的DDS命令 1、内置单行命令 ●设置DDS核心频率 ●设置DDS核心的幅度 ●设置DDS核心的相位 ●DDS核心的启动线性频率斜率 ●DDS核心的启动线性幅度斜率 ●设置数字输出 ●改变执行模式 ●设置输出定时器 2、有多个命令组成的高级命令 从PC到AWG卡的快速DMA控制命令每秒可发送数百万条DDS命令。这提供了广泛的灵活性，并允许执行以下功能： ●由多个线性斜率命令组成的S形频率/幅度斜率 ●由多个线性斜率命令组成的自定义频率/幅度斜率 ●由多个幅度变化命令组成的AM调制 ●由多个频率变化命令组成的FM调制 ●由多个频率变化命令组成的FSK（频率移位键控）调制 什么是斜率（slope）？ 斜率Slope指的是频率或幅度随时间变化的速率。在信号生成和调制技术中，斜率通常用来描述信号参数（如频率或幅度）的变化速度。例如，一个线性斜率表示频率或幅度以恒定的速率增加或减少。 3、示例（C++API） 以下示例生成一个110 MHz的信号，持续100毫秒，然后在接下来的100毫秒内从110 MHz线性递增到120 MHz，之后保持120 MHz直到停止。这里没有显示AWG的通用初始化和放大器设置： 三、FIFO命令 DDS功能通过写入驱动程序内部列表的命令来控制，当发送以下命令时： SPCM_DDS_CMD_WRITE_TO_CARD 这些命令列表会被写入AWG卡中。这些命令列表被放入一个先进先出FIFO（命令队列）缓冲区，并一个接一个地执行。下方的命令队列土概览展示了如何使用命令来生成单个DDS核心的不同输出状态。命令队列中的命令从上到下执行。 设置首先被写入一组“影子寄存器”，这些寄存器是与活动DDS配置寄存器并行的一组独立寄存器。一个命令接一个命令地操作影子寄存器，直到接收到SPCM_DDS_CMD_EXEC_AT_TRIG命令，然后停止从FIFO写入影子寄存器，AWG开始等待下一个内部触发。接收到触发后，影子寄存器会被传输到活动寄存器中。 左侧显示发出的DDS命令，右侧显示带有时间信息的结果输出 四、定时和触发 DDS命令被写入AWG内部存储器，并可以通过三种不同的方式执行： ● 手动： 使用单独的执行命令来执行队列中的命令，计时完全由软件完成。 ● 触发： 命令执行等待外部触发信号，这允许与外部实验控制紧密交互。 ● 定时器： 具有非常精细的时间分辨率的可编程定时器定义了命令执行时间。 在大多数情况下，将使用所有三种模式的组合，在命令序列之间混合这些模式没有任何问题。上面的例子展示了定时器的用法。 五、优势 DDS模式可用于任何需要纯正弦信号的应用场合。无需计算数千甚至数百万个样本并将其传输到AWG内存，只需几个简单的DDS命令即可完成这项工作。多音DDS模式在控制声光偏转器(AOD)和声光调制器(AOM)时特别有用，这些通常用于物理学，尤其是量子实验。使用具有频率斜率的多音正弦信号可以在量子实验中以简单的方式移动原子，这允许通过实验控制软件的一些命令来操作光镊。 具有多音DDS模式的AWG通过附加放大器驱动声光调制器来控制激光 ​