CN103018700A - 使用s-参数的增强的任意波形发生器波形校准 - Google Patents

Abstract

本发明的实施例提供了利用S-参数来校准任意波形发生器的增强的方法以及根据这些方法校准的任意波形发生器。提供所述方法用于校准任意波形发生器的单个、非交错信道，校准多个交错信道，以及校准交错的和非交错的多对信道，以生成差分信号。

Description

使用S-参数的增强的任意波形发生器波形校准

技术领域

本发明涉及测试和测量仪器，并且更具体地，本发明涉及任意波形发生器的校准。

背景技术

任意波形发生器(AWG)是用来生成具有实际上任何波形的模拟信号的测试和测量仪器。操作中，用户将期望的模拟信号逐点地限定为一系列的数字值。AWG然后使用精度数字模拟转换器来“播放”数字值以提供模拟信号。诸如可从Oregon的Beaverton的Tektronix公司获得的AWG7000任意波形发生器系列之类的AWG用于宽带信号发生应用、高速串行数据的接收器压力测试、以及需要复杂信号创建的其他应用。

由于各种原因，由AWG产生的信号的测量频率特性有时候不同于其输入波形数据的频率特性。已经提出了校准技术以校正AWG的输出响应，然而，这些技术中没有一种被证明是完全令人满意的。

因此，存在对于增强的校准AWG的方法的需要。

发明内容

本发明的实施例提供了利用S-参数来校准任意波形发生器的增强的方法，以及根据这些方法校准的任意波形发生器。提供这些方法用于校准任意波形发生器的单个、非交错信道，校准多个交错信道，以及校准交错和非交错两者的多对信道，以生成差分信号。

本发明的目的、优点和其他新颖的特征将在结合所附权利要求和附图来阅读时，从下面的详细描述中显而易见。

附图说明

图1描绘了根据本发明的第一实施例的任意波形发生器的简化的高级框图。

图2描绘了对应于图1的第一信号流图形。

图3描绘了对应于图1的第二信号流图形。

图4描绘了对应于图1的方法。

图5描绘了根据本发明的第二实施例的任意波形发生器的简化的高级框图。

图6描绘了对应于图5的第一信号流图形。

图7描绘了对应于图5的第二信号流图形。

图8描绘了对应于图5的方法。

具体实施方式

1.对反射波的考虑

发明人已经认识到，AWG似乎具有不完美的输出响应，因为现有的AWG校准技术没有考虑AWG与测量仪器之间的反射波在校准期间的交互作用、或者AWG与被测试装置(DUT)之间的反射波在使用期间的交互作用。

因此，本发明的实施例提供了校准AWG的信道的方法以及根据这些方法校准的任意波形发生器，所述方法和任意波形发生器不仅考虑了信道的输出响应，而且还考虑了AWG与测量仪器之间的反射波在校准期间的交互作用、以及AWG与DUT之间的反射波在使用期间的交互作用。

图1描绘了根据本发明的实施例的具有单个、非交错信道的AWG 100。在工作中，处理器105接收描述期望的输出模拟信号的波形数据。该波形数据可以从存储器、存储装置等接收。处理器105可以实现为在通用微处理器、专用特定应用集成电路(ASIC)、场效应可编程门阵列(FPGA)等上运行的软件。处理器105将校正滤波器g应用于波形数据，以校正信道的输出响应。可以通过将校正滤波器g与波形数据在时域中卷积、或者通过将校正滤波器g与波形数据在频域中相乘在一起来将校正滤波器g应用于波形数据。使用数字到模拟转换器(DAC)110将处理过的波形数据转化成模拟信号。模拟信号被模拟输出电路115滤波，模拟输出电路115可以包括放大器、衰减器、开关、重构滤波器等。被滤波的模拟信号然后被应用于DUT 120。“单个、非交错信道”指的是从DAC 110通过模拟输出电路115的信号路径。在一些实施例(未示出)中，DAC 110提供差分输出。在该情况中，两个输出可以被认为是一对信道或单个差分信道。

在一些实施例中，校正滤波器g被如下地计算：

现在参照图2，利用诸如采样示波器之类的校准测量仪器来测量信道的输出响应(幅度和相位)。利用诸如时域反射仪(TDR)或网络分析仪之类的校准测量仪器来测量源匹配或反射系数。它们一起形成源S_21s和S_22s的s-参数。为了在后面的分析中清楚起见，这些被分别写成τ和Γ_s。

$\left[\begin{array}{c}{b}_1\\ b_2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}0& 0\\ \mathrm{\τ}& {\mathrm{\Γ}}_s\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{a}_1\\ a_2\end{array}\right]$ 方程(1)

S_11s和S_12s等于0，因为DAC的输入本质上是数字的，而非模拟的，且因此没有应用于其输入的数字数据被反射回，并且没有应用于其输出的模拟信号能够穿过到达其输入。

为了完成分析，DUT输入反射系数(Γ_L)必须是已知的。然后，响应方程可以写成：

b₂＝a_sgτ+a₂Γ_s                方程(2)

a₂＝b₂Γ_L                      方程(3)

将方程(3)替换到方程(2)中，产生：

b₂＝a_sgτ+b₂Γ_LΓ_s             方程(4)

重排方程(4)以对b₂进行求解，则产生：

$b_2=\frac{a_s\mathrm{g\τ}}{1-{\mathrm{\Γ}}_L{\mathrm{\Γ}}_s}$ 方程(5)

将方程(5)替换到方程(3)中，产生：

$a_2=\frac{a_s\mathrm{g\τ}{\mathrm{\Γ}}_L}{1-{\mathrm{\Γ}}_L{\mathrm{\Γ}}_s}$ 方程(6)

A.校准

校准测量仪器限定为正确地测量来自匹配的50欧姆源的入射波的相位和幅度的仪器。其输入并非必然匹配，并且具有输入反射系数Γ_L。类似地，校准的AWG限定为产生进入到匹配的50欧姆负载内的精确波形并且具有输出反射系数Γ_s的AWG。在该情况下，方程(5)简化为：

b_2match＝a_sgτ          方程(7)

并且：

$\frac{b_{2\mathrm{match}}}{a_s}=1$ 方程(8)

因此：

$g_{\mathrm{match}}=\frac{1}{\mathrm{\τ}}$ 方程(9)

然而，当校准仪器和源被放在一起时(其中，g＝1)，测量结果为：

$b_{2\mathrm{meas}}=\frac{a_s\mathrm{\τ}}{1-{\mathrm{\Γ}}_L{\mathrm{\Γ}}_s}$ 方程(10)

重新排列方程(10)，则产生：

$\mathrm{\τ}=\frac{b_{2\mathrm{meas}}}{a_s}(1-{\mathrm{\Γ}}_L{\mathrm{\Γ}}_s)$ 方程(11)

将方程(11)替换到方程(9)中，产生：

$g_{\mathrm{match}}=\frac{1}{\mathrm{\τ}}=\frac{a_s}{b_{2\mathrm{meas}}(1-{\mathrm{\Γ}}_L{\mathrm{\Γ}}_s)}$ 方程(12)

B.驱动DUT

现在，当利用校准源来驱动新的装置时，产生的前向波为：

$b_{2\mathrm{DUT}}=\frac{a_s{g}_{\mathrm{match}}\mathrm{\τ}}{1-{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{LDUT}}{\mathrm{\Γ}}_s}$ 方程(13)

最后，必须考虑DUT输入反射系数。期望的输出刚好为a_sg_matchτ，因此校正滤波器g为：

g＝g_match(1-Γ_LDUTΓ_s)            方程(14)

其中，g_match表示表现为匹配负载的校正滤波器，Γ_LDUT表示DUT的输入反射系数，并且Γ_s表示AWG的输出反射系数。

在一些实施例中，DUT输入反射系数是理想的、计算的值，其被选择使得校正滤波器对输出响应进行校正，以便在插入匹配的50欧姆负载、开路电路或任何其他指定阻抗时它是正确的。该校正滤波器能够在制造期间生成，存储在AWG中，并且在DUT s-参数不可用时被使用。在其他实施例中，DUT输入反射系数是用户测量的值，在这种情况下，校正滤波器对输出响应进行校正使得它在插入DUT时是正确的。

尽管上文示出和描述的AWG仅仅具有单个、非交错信道，但将意识到，这种同样的校准方法也能够用来改善具有多个交错信道的AWG的输出响应。也就是说，能够通过考虑AWG与测量仪器之间的反射波在校准期间的交互作用、以及AWG与DUT之间的反射波在使用期间的交互作用来改善交错AWG的输出响应。在该情况下，前面形成的校正滤波器g能够原样地使用，假若多个交错信道被处理为单个较高速率非交错信道，并且信道(Γ_s)的源匹配等于任意波形发生器的网络源匹配(S_net)，如下面详细描述的。

C.添加外部装置

现在参照图3，当诸如电缆、上变频器等之类的外部装置125用在AWG100与DUT 120之间时，在外部装置125的输出处进行校准能够更为合适。在该情况下，校正滤波器g本质上与上文所述相同。这是因为，当外部装置125的s-参数与源参数级联(cascade)时，新的有效源输出的形式由于源矩阵的第一行中的两个零而保持相同。这些变换的源参数能够利用处于适当位置的外部装置125来直接地测量或者利用已知的基准面板AWG1000参数和外部装置参数来计算。

图4描绘了根据本发明的实施例的校准任意波形发生器的信道的方法400。在步骤405中，信道的输出响应(τ)被测量。在步骤410中，信道的源匹配(Γ_s)被测量。在步骤415中，DUT的输入反射系数(Γ_L)被确定。在步骤420中，基于τ、Γ_s和Γ_L计算用于信道的校正滤波器(g)。步骤405、410和415不必按照所示的顺序来执行，而是能够以任何顺序执行。

2.校正多个交错信道

很多AWG通过使多个信道交错在一起而实现较高的采样率。然而，当这样做时，产生的输出响应由于若干原因而更难校正。第一个原因是，交错信道的各个输出响应将不匹配，且因此单个校正滤波器不能够完全正确。第二个原因是，总的输出响应将受到多个源之间的反射以及多个源与DUT之间的反射的影响。

因此，本发明的实施例提供了校准AWG的多个交错信道的方法以及根据这些方法校准的任意波形发生器，所述方法和任意波形发生器考虑了每个交错信道的输出响应，AWG与测量仪器之间的反射波在校准期间的交互作用以及AWG与DUT之间的反射波在使用期间的交互作用，或者同时地考虑以上两个因素。因为将在下面论述，这些方法独立地校正每个信道的输出响应，并且将校正滤波器应用于到每个DAC的较低采样率波形输入而不是全采样率波形。

图5描绘了根据本发明的实施例的具有两个交错信道的AWG 500。AWG 500类似于AWG 100，不同之处在于其包括代替单个DAC 110的两个DAC 510A和510B，以及组合器530。两个DAC 510A和510B被两个时钟信号(未示出)计时，这两个时钟信号相对于彼此相移180°。在工作中，处理器505将波形数据分成用于第一信道的样本和用于第二信道的样本，然后向用于第一信道的样本应用第一校正滤波器g₁以及向用于第二信道的样本应用第二校正滤波器g₂。g₁和g₂分别对第一交错信道和第二交错信道的输出响应进行校正，并且还考虑了AWG 500与测量仪器之间的反射波在校准期间的交互作用、以及AWG 500与DUT 120之间的反射波在使用期间的交互作用。DAC 510A将用于第一信道的样本转化成第一模拟信号，并且DAC 510B将用于第二信道的样本转化成第二模拟信号。然后以组合器530将第一和第二模拟信号组合成单个模拟信号，组合器530是用来组合模拟信号的任何装置。产生的模拟信号具有各个DAC 510A和510B中的任一个的双倍的采样率。如在AWG 100中那样，组合的模拟信号然后被用模拟输出电路115滤波并且被应用于DUT 120。“第一交错信道”指的是从处理器505通过DAC 510A到模拟输出电路115的信号路径，并且“第二交错信道”指的是从处理器505通过DAC 510B到模拟输出电路115的信号路径。

在一些实施例中，校正滤波器g₁和g₂被如下地形成：

组合器530可以是用来组合模拟信号的任何装置。然而，在下面的论述中，组合器530被认为是对称的电阻式功率组合器。因此，现在参照图6，组合器530能够通过3×3的s-参数矩阵来表示：

$S=\left[\begin{array}{ccc}{s}_{11}& s_{12}& s_{13}\\ s_{21}& s_{22}& s_{23}\\ s_{31}& s_{32}& s_{33}\end{array}\right]$ 方程(15)

在矩阵符号中，s-参数方程是：

B＝SA                       方程(16)

其中：

$B=\left[\begin{array}{c}{b}_1\\ b_2\\ b_3\end{array}\right],$ 以及 $A=\left[\begin{array}{c}{a}_1\\ a_2\\ a_3\end{array}\right]$ 方程(17)

在附录中形成了考虑源参数和组合器的对输出的解。

B＝(1-SΓ)^-1STA_s             方程(18)

然而，这种方法的困难在于，该解需要知道每个信道的反射和透射参数的细节，连同组合器的两个内部端口一起。然而，一旦仪器组装好，直接测量各个参数是非常困难的。如果它们完全能够确定的话，那么它将仅是通过校准测量和计算的复杂集合来完成的，因为仅仅能够在输出处观察到响应。

另一方面，如果从单个输出端口的视点来观察AWG，则内部交互作用的细节不重要。在图7中描绘了该视点，其中输出波是从每个信道到输出的响应的总和，并且DUT 120与输出端口处的网络单个端口反射系数交互作用。总的网络三个端口s-参数网络能够被认为包括DAC输出、互连、以及组合器。通过这种简化，方程(16)和(17)变为：

B′＝S_netA′             方程(19)

$B^{\′}=\left[\begin{array}{c}{b}_1^{\′}\\ b_2^{\′}\\ b_3\end{array}\right],$ 及 $A^{\′}=\left[\begin{array}{c}{a}_1^{\′}\\ a_2^{\′}\\ a_3\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{a}_{s1}{g}_1\\ a_{s2}{g}_2\\ a_3\end{array}\right]$ 方程(20)

两个源端口是理想化的；在源与有效组合器之间没有反射，其意味着S₁₁和S₂₂为零；且，返回波b′₁和b′₂为零，其意味着S₁₁、S₁₃、S₂₁和S₂₃全部为零。因此：

$S_{\mathrm{net}}=\left[\begin{array}{ccc}0& 0& 0\\ 0& 0& 0\\ s_{31}^{\mathrm{net}}& s_{32}^{\mathrm{net}}& s_{33}^{\mathrm{net}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}0& 0& 0\\ 0& 0& 0\\ {\mathrm{\τ}}_1^{\mathrm{net}}& {\mathrm{\τ}}_2^{\mathrm{net}}& {\mathrm{\Γ}}_3^{\mathrm{net}}\end{array}\right]$ 方程(21)

其中，和

是通过有效组合器测量的两个源的输出响应。

和被“独立地”测量，也就是说，在DAC 510B设定为零的情况下测量DAC510A的各个输出响应，并且在DAC 510A设定为零的情况下测量DAC510B的各个输出响应。

还留有对于b₃的方程，b₃取决于两个源波和来自负载a₃的反射：

$b_3={\mathrm{\τ}}_1^{\mathrm{net}}{a}_{s1}{g}_1+{\mathrm{\τ}}_2^{\mathrm{net}}{a}_{s2}{g}_2+{\mathrm{\Γ}}_2^{\mathrm{net}}{a}_3$ 方程(22)

a₃＝b₃Γ_L            方程(23)

将方程(23)替代到方程(22)中，产生：

$b_3={\mathrm{\τ}}_1^{\mathrm{net}}{a}_{s1}{g}_1+{\mathrm{\τ}}_2^{\mathrm{net}}{a}_{s2}{g}_2+{\mathrm{\Γ}}_s^{\mathrm{net}}{b}_3{\mathrm{\Γ}}_L$ 方程(24)

重新排列，则产生：

$b_3=\frac{{\mathrm{\τ}}_1^{\mathrm{net}}{a}_{s2}{g}_2+{\mathrm{\τ}}_2^{\mathrm{net}}{a}_{s2}{g}_2}{1-{\mathrm{\Γ}}_s^{\mathrm{net}}{\mathrm{\Γ}}_L}$ 方程(25)

方程25是来自通过输出端口与负载之间的反射所修正的每个信道的响应的总和。对于单个信道的情况，其与方程5相同，不同之处在于源传输是两个源的总和。

A.校准

现在，当插入匹配负载时，输出为：

$b_{3\mathrm{match}}={\mathrm{\τ}}_1^{\mathrm{net}}{a}_{s1}{g}_1+{\mathrm{\τ}}_2^{\mathrm{net}}{a}_{s2}{g}_2$ 方程(26)

如果来自每个DAC的输出都在其他的DAC设定为零的情况下独立地测量，那么两个校正因子为：

$g_{1\mathrm{match}}=\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_1^{\mathrm{net}}}=\frac{a_{s1}}{b_{3\mathrm{meas}}^1(1-{\mathrm{\Γ}}_L{\mathrm{\Γ}}_s)}$ 方程(27)

$g_{2\mathrm{match}}=\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_2^{\mathrm{net}}}=\frac{a_{s2}}{b_{3\mathrm{meas}}^2(1-{\mathrm{\Γ}}_L{\mathrm{\Γ}}_s)}$ 方程(28)

最后，校准源的输出为：

$b_3=({\mathrm{\τ}}_1^{\mathrm{net}}{a}_{s1}{g}_{1\mathrm{match}}+{\mathrm{\τ}}_2^{\mathrm{net}}{a}_{s2}{g}_{2\mathrm{match}})\frac{1}{1-{\mathrm{\Γ}}_s^{\mathrm{net}}{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{LDUT}}}$ 方程(29)

B.驱动DUT

与单个信道的情况相似，如果DUT反射系数是已知的，那么源波形能够被补偿以对其进行校正。校正的该部分能够包括在用于每个DAC的总滤波器中或者以全采样率应用于起始波形，因为其对于两个DAC是相同的。

$b=({\mathrm{\τ}}_1^{\mathrm{net}}{a}_{s1}{g}_{1\mathrm{match}}+{\mathrm{\τ}}_2^{\mathrm{net}}{a}_{s2}{g}_{2\mathrm{match}})\frac{1}{g_{\mathrm{refl}}}$ 方程(30)

其中：

$g_{\mathrm{refl}}=1-{\mathrm{\Γ}}_s^{\mathrm{net}}{\mathrm{\Γ}}_{\mathrm{LDUT}}$ 方程(31)

因此，校正滤波器g₁和g₂如下：

g₁＝g_match1g_refl        方程(32)

g₂＝g_match2g_refl        方程(33)

其中g_match1和g_match2表示表现为匹配负载的第一和第二校正滤波器。

尽管上面的论述描述了对于具有两个交错信道的系统生成两个校正滤波器，但应当理解的是，通过应用类似的推论，还能够对使用更高交错度的系统形成附加的校正滤波器。也就是说，能够对具有三个交错信道、四个交错信道等的系统生成校正滤波器。在这种情况下，为了归纳对于任意数量的交错信道的符号，g₁、g₂等共同称为g_n，并且

和

等共同称为

另外，尽管上述校正滤波器同时考虑了交错信道的各个输出响应以及同时考虑了DUT与多个源之间的反射的影响，但也能够生成仅仅考虑交错信道的各个输出响应的校正滤波器。也就是说，在一些实施例中，通过独立地测量每个交错信道的输出响应以及然后完全基于其相应的测量输出响应生成多个校正滤波器(每个交错信道一个校正滤波器)来校准任意波形发生器。在该情况下，每个校正滤波器等于其相关的测量输出响应的倒数。在其他实施例中，DUT输入反射系数和AWG的网络源匹配也被测量并且用来提高这些校正滤波器的精度。

图8描绘了根据本发明的实施例的校准任意波形发生器的多个交错信道的方法800。在步骤805中，多个输出响应(所述多个交错信道中的每一个有一个输出响应)被测量(τ_n ^net)。可选地，在步骤810中，任意波形发生器的输出端口的网络源匹配被测量(S_net)。可选地，在步骤815中，被测试装置的输入反射系数被确定(Γ_L)。在步骤820中，基于τ_n ^net、S_net和Γ_L计算多个校正滤波器(g_n)，所述多个交错信道中的每个有一个校正滤波器。步骤805、810和815不是必须按照所示的顺序来执行，而是可以以任何顺序执行。

3.校正用来生成差分信号的多对信道

在一些情况中，多对信道被用来生成差分信号，多对单个、非交错信道和多对多个交错信道两者。这些信道中的每一个都能够利用上述技术被单独地校准。可替代地，能够通过用差分参数替代单端参数而使用上述技术同时地校准多对信道。也就是说，信道的单端输出响应(τ)将被一对单端、非交错信道的差分输出响应，或一对多个交错信道的差分输出响应等替代。

从前面的论述中应当理解，本发明代表了测试和测量仪器领域中的显著进步。尽管为了说明的目的图示并描述了本发明的具体实施例，但应当理解，可以在不偏离本发明的精神和范围的情况下进行各种修改。因此，除了被所附权利要求限制之外，本发明应当不受其他限制。

附录

如上所述，用3端口s-参数矩阵表示组合器：

B＝SA                方程(34)

其中：

方程(35)

在用于两个信道和负载的反射系数给定的情况下，A的单元为：

a₁＝a_s1g₁τ₁+Γ_s1b₁         方程(36)

a₂＝a_s2g₂τ₂+Γ_s2b₂         方程(37)

a₃＝Γ_Lb₃                   方程(38)

然后，方程(34)能够写成：

B＝STA_s+SΓB                方程(39)

其中：

$\mathrm{\Γ}=\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{\Γ}}_{s1}& 0& 0\\ 0& {\mathrm{\Γ}}_{s2}& 0\\ 0& 0& {\mathrm{\Γ}}_L\end{array}\right],$ $T=\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{\τ}}_1& 0& 0\\ 0& {\mathrm{\τ}}_2& 0\\ 0& 0& {\mathrm{\τ}}_L\end{array}\right],$ 及 $A_s=\left[\begin{array}{c}{a}_{s1}{g}_1\\ a_{s2}{g}_2\\ a_3\end{array}\right]$ 方程(40)

接下来，重新排列以对B求解：

(1-SΓ)B＝STA_s              方程(41)

B＝(1-SΓ)^-1STA_s            方程(42)

方程(42)能够在(1-SΓ)^-1S＝K的情况下写成简单的矩阵方程：

B＝KA_s                      方程(43)

并且，然后：

A＝S^-1KA_s                   方程(44)

方程(43)对B中的所有三项进行求解，但是b₃是我们所关注的一个。根据方程(40)和(43)，b₃的解是：

b₃＝k₃₁a_s1g₁+k₃₂a_s2g₂+k₃₃a₃       方程(45)

但是a₃刚好是：

a₃＝b₃Γ_L           方程(46)

其能够被替代到方程(43)中并且对b₃求解。

方程(43)不是完全的s-参数方程，因为b₁和b₂在内部而不是在限定a_s1和a_s2的端口处。然而，其给出了假定能够写出网络有效s-参数方程的可能。

Claims (7)

1.一种校准任意波形发生器的多个交错信道的方法，包括以下步骤：

测量多个输出响应

所述多个交错信道中的每一个有一个输出响应；以及

基于

计算多个校正滤波器(g_n)，所述多个交错信道的每一个有一个校正滤波器。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：

测量所述任意波形发生器的输出端口的网络源匹配(S_net)，以及

确定被测试装置的输入反射系数(Γ_L)；

并且其中所述多个校正滤波器(g_n)基于

S_net和Γ_L来计算。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多个交错信道中的每一个包括差分信道。

4.根据权利要求2所述的方法，其中，Γ_L是理想的计算值。

5.根据权利要求2所述的方法，其中，Γ_L是测量值。

6.根据权利要求1所述的方法，其中：

将外部装置连接于所述任意波形发生器的输出端口；以及

在所述外部装置的输出端口处执行校准。

7.一种根据权利要求1-6中任一项的方法校准的任意波形发生器。

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