電気技術者は、正弦波やマルチトーン波、あるいは任意の関数など、高品質な信号を生成する必要がある場合があります。例えば、製品に搭載されているMCUアナログ入力インタフェースの周波数特性を把握したい場合、異なる周波数の正弦波でインタフェースを加振し、刺激周波数の関数としてその応答を確認したいと思うかもしれません。これを実現するための典型的なツールは、任意波形発生器（AWG）です。しかし、AWG がない場合、あるいは AWG が 1 個だけでなく 10 個必要な場合はどうでしょうか。私たちは、Introspect Technologyの非常に柔軟性の高い製品を使って、独自の任意波形発生器を作成することにしました。どのように作成したかは、こちらをご覧ください。まず、AWGとは何なのか？

任意波形発生器の構造

最近の任意波形発生器は、デジタル合成とデジタル・アナログ変換技術に依存しています。図1を参照すると、波形はまずソフトウェアで数値的に設計される。例えば、正弦波を発生させる場合、正弦波の値を時間的に変化させた高精度の数値列として設計するのが一般的である。ここでいう「精度」とは、正弦波の定量的な値を表すビット数のことである。32ビットであれば、8ビットよりも忠実に正弦波を表現することができる。

図1：代表的なAWGのブロック図

波形サンプルは、次にAWG内部のデジタルメモリに保存されます。最後に、波形サンプル（まだ単なる数字の羅列）は、デジタル／アナログ変換器（DAC）を通じて高周波数で「クロック」される。DACは、各数値（つまり正弦波の各サンプル）を、電圧などの物理量に変換する。当然ながら、AWGの動作にとってDACの機能は非常に重要で、ある微細な数値を電圧レベルのような明確な物理量に変換する必要があるからだ。例えば、正弦波を12ビットで表現する場合、DACはそのフルスケール電圧の244ppm（1 / 2^12）の分解能で量を解決する必要がある。

AWGのコストは、その内部で使用されるDACのコストに支配されることが多い。

SV5C-DPTXCPTXは1個ではなく12個のAWGを内蔵しています。

このブログでSV5C-DPTXCPTX（下図2）を取り上げるのは、一見奇妙に思えるかもしれません。SV5C-DPTXCPTXは、今回取り上げるD-PHYモードで動作させると、MIPI® D-PHYジェネレータとなります。パターンジェネレータであるということは、デジタルパターンを生成するということであり、これが主な機能である。しかし、SV5C-DPTXCPTXには豊富な減損処理機能があるため、実は非常に高度なDAC技術が搭載されているのです。

図2：Introspect TechnologyのMIPIジェネレーターは、実際にはそれ以上のものである

図 3 を参照すると、SV5C-DPTXCPTX の各ピンは独自の AWG を含んでいます! つまり、各ピンは MIPI テスト用の豊富なパターン生成チェーンを持ち、さらにアナログ変調パスも内蔵しているため、レシーバテストの障害（D-PHY パターンの HS 部分のコモンモードノイズ注入）を生成することが可能です。つまり、SV5C-DPTXCPTXは、D-PHYモードでは10個、C-PHYモードでは12個の独立したAWG測定器を搭載しているのです。このように、SV5C-DPTXCPTXは実験室での試験において、実に多目的に使用できるツールなのです。SV5C-DPTXCPTXをどのようにプログラムしたのか、その内容をご紹介します。

図3：Introspectの受賞歴のあるパターン生成チェーンアーキテクチャ

SV5C-DPTXCPTXをAWGとして動作させるためのプログラム作成方法

まず、D-PHYモードでの運用を行いました。周知の通り、この製品自体はコンボ製品であり、D-PHYとC-PHYの両方に対応することができます。どちらのモードでもAWGの機能は十分に発揮されるが、D-PHYモードでの運用は、C-PHYの変調を気にせずオールゼロパターンを流せばよいので若干楽である。いずれにせよ、下図を参考に、Introspect ESP Softwareのデフォルト設定を利用し、CustomPatternコンポーネントを追加しただけである。このコンポーネントでは、パターンタイプをHSのみに設定し、オールゼロのパターンを生成するようにプログラムしています。

図4：まずはSV5C-DPTXでアイドルパターン（デジタルビットが出力されていない状態）を生成するようにプログラミングを行った

そして、以下の図5に示すように、CommonModeNoiseコンポーネントのセットを作成しました。これらのコンポーネントは、それぞれ独立してプログラムすることができ、ジェネレータのどのピンにも取り付けることができます。つまり、4つのデータレーンと1つのクロックレーンに対して、10個の異なるCommonModeNoiseコンポーネントを作成する必要がありました。

図5：システム内の各ワイヤーに独立したCommonModeNoiseコンポーネントを追加し、10個の独立した信号源とした

最後に、CommonModeNoiseコンポーネントは、異なる信号（今回のアプリケーションでは主にサイン波）を生成するようにプログラムするだけです。これが、私たちがしなければならないことのすべてでした。

いくつかの結果波形

下図は、10個の信号源のうち4個を4チャンネル・オシロスコープに表示したものです。見ての通り、各チャンネルがそれぞれサイン波を生成している。このケースでは、すべての信号源が同じ振幅の正弦波を生成するようにプログラムされているが、4つの異なる周波数を持つようにプログラムされている。

図6：10AWGの4チャンネル、それぞれ異なる周波数の正弦波を発生させる

次に、各シグナルジェネレーターに固有の振幅をプログラムした。そこで、すべての周波数を同じ値にしました。次に、各チャンネルに異なる振幅を選択しました。このように、Introspect ESPソフトウェアから非常に簡単に波形を生成することができます。

図7：10AWGの4チャンネル、それぞれ異なる振幅の正弦波を生成

最後に、1GHzでの波形を紹介します。次の図では、信号発生器の出力を被試験デバイス（DUT）にルーティングしており、DUTの位相特性の違いを見ることができます。 青と赤の波形は、黄色と緑の波形とは異なる位相を持っています。

図8：4チャンネルでの1GHz刺激に対するDUTの応答

まとめ

SV5C-DPTXCPTX1台で、最大1GHzの周波数で10個の独立した正弦波を発生させることができるのです。これは非常に大きな性能であり、研究室にある既存の機器を活用して実に創造的なソリューションを生み出すことができるのです。不況で設備予算が減少している時こそ、信頼できるIntrospect Technology SV5C-DPTXCPTXに頼ることで、革新的な信号を生成し続けることができるのです!