CN105988029A - 用于任意波形和函数发生器波形监测的电缆效应的去嵌入 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种用于确定期望由受测设备接收的波形的方法。该方法包括：在任意波形和函数发生器的输出端输出由所述任意波形和函数发生器的波形生成部件生成的波形；通过电缆将所述任意波形和函数发生器的波形生成部件生成的波形发送到受测设备；由所述任意波形和函数发生器的监测部件在所述输出端监测波形；以及由所述波形监测部件根据被所述电缆改变的所生成的波形确定被变换波形，所述被变换波形期望由所述受测设备接收。

Description

用于任意波形和函数发生器波形监测的电缆效应的去嵌入

技术领域

本申请涉及任意波形和函数发生器，更具体地，涉及一种在不知道受测设备信息的情况下去嵌入同轴电缆对输出波形测量和/或监测影响的任意波形和函数发生器。

背景技术

任意波形和函数发生器(Arbitrary Waveform and Function Generator,AFG)被广泛应用于生成连续/突发的用户定义的数学函数波形信号，以用于电路设计和测试。通常地，在AFG仪器的工作频率范围内，其输出阻抗为50欧姆，受测设备(Device UnerTest,DUT)的阻抗会影响AFG仪器的实际输出信号。

在一个典型的操作中，通常使用低插入损耗的电缆来连接AFG与DUT。对于低频和阻抗匹配而言，AFG的波形监测函数运作得很好，其具有易于补偿的很小的电缆衰减。然而，对于高频的情况(也即当电缆长度与信号波长可比拟并且DUT的负载阻抗与AFG输出阻抗不匹配时)，由于传输线的阻抗变换，在AFG的本地输出端测得的信号可能会与加载到DUT远端的实际信号差别很大，下文中将这种现象称为电缆效应(cable effect)。

发明内容

本发明的一些实施例包括一种用于确定期望由受测设备接收的波形的方法，该方法包括在任意波形和函数发生器的输出端输出由所述任意波形和函数发生器的波形生成部件生成的波形；通过电缆将所述任意波形和函数发生器的波形生成部件生成的波形发送到受测设备；由所述任意波形和函数发生器的波形监测部件在所述输出端监测波形；由所述波形监测部件根据被所述电缆改变的所生成的波形确定一个被变换波形，所述被变换波形期望由所述受测设备接收。

本发明的一些实施例包括任意波形和函数发生器，其包括波形生成部件、波形监测部件和显示器。该波形生成部件被配置为在输出端输出波形，所述波形监测部件被配置为监测所述输出端输出的波形。所述波形检测部件包括波形去嵌入(de-embedding)处理器，所述波形去嵌入处理器被配置为根据被电缆改变的生成的波形确定被变换波形，所述被变换波形期望由所述受测设备接收。所述显示器被配置为显示所述被变换波形。

附图说明

图1示出了一种现有的任意波形和函数发生器的示意图；

图2示出了根据本申请所公开的技术的一些方面的一种任意波形和函数发生器的示意图；

图3示出了一种用于将电缆效应从获取的波形去嵌入的方法的示意图；

图4示出了图2中的波形去嵌入模块的框图。

具体实施方式

在附图中，本申请所公开的系统和方法中相似或相应的元件由相同的标号表示，其中这些附图并非一定按比例绘制的。

图1示出了AFG 100的一种典型设计。该AFG 100包括信号生成部件101和波形监测部件102，该信号生成部件101生成一个信号以发送给DUT，该波形监测部件102在AFG输出端104处的一个本地测试点监测该信号生成部件101生成的信号。

在信号生成部件101中，波形信号，例如正弦函数波形信号或用户定义的任意波形信号，被以特定的时间/相位间隔和特定的垂直分辨率数字化，并且存储在数字化波形存储器(Digitized Waveform Memory)108中。时间/相位到地址映射器(Time/Phase to AddressMapper)106在接收自系统时钟116的特定时钟的驱动下，访问数字化波形存储器108，从而按照实现用户指定的信号波形频率的正确时间/相位间隔输出数字化波形。

然后，该数字化波形被从数字化波形存储器108中输出至数模转换器(Digital-to-Analog,DAC)，从而将该数字化波形转换为模拟信号，该模拟信号被通过波形重构滤波器112发送，并且输出给放大器114，从而使得该模拟信号的幅度符号用户要求。这个模拟信号被通过输出端104发送，并且通过同轴电缆传输到远端的DUT。

如上文所述，该波形监测部件102在AFG输出端104的一个本地测试点监测信号生成部件101生成的信号。

高阻抗放大器118可以调整其增益/衰减以产生合适的输出信号幅度。然后，抗混叠滤波器120滤除模数转换器(Analog-to-Digital Converter,ADC)122频带外的高频噪声。ADC122将接收到的模拟信号转换为数字化波形。该数字化波形被波形采集控制器(WaveformAcquisition Controller)124采集并存储在波形采集存储器(Waveform Acquisition Memory)126中。同步模块130生成触发信号132，以确保可以在一个完整的信号周期内完成采集。存储在波形采集存储器126中的所采集的数字化波形被发送给波形显示控制器(WaveformDisplay Controller)128，用以在AFG上进行波形显示和/或波形监测。

例如，采用如图1所示的AFG配置，在输出端104的一个本地测试点采集到一个正弦波信号。通过波形采集控制器124，利用触发信号132，从相位0°开始采集，直至相位360°时结束。数字化的采集信号存储于波形采集存储器126中并发送至波形显示控制器128。然而，因为电缆效应，所采集到的波形可能与通过同轴电缆连接到该AFG的DUT处的远端波形有很大差别。也就是说，由于这个波形受到电缆效应的影响，在AFG测试点处采集的波形将不能反映DUT实际接收到的波形。

如图2所示，根据本发明的一些实施例，在AFG 200中使用了波形去嵌入模块(Waveform De-embedding Module)202。正如下文中进一步具体说明的，该波形去嵌入模块202可以将电缆效应从所采集的波形中去嵌入，从而恢复DUT端实际使用的波形，以用于波形显示和/或波形监测。

采用图2中所示的AFG 200，在没有DUT信息的情况下，也可以将电缆效应从被监测的波形中去嵌入。这样，可以将波形监测和测试从AFG虚拟地移至DUT。

起初，在将AFG与特定的电缆和DUT连接时，去嵌入电缆效应的测量包括两个步骤。第一步进行校准，而第二步则是针对各种信号进行电缆效应的去嵌入。

图3给出了根据本申请所公开的技术的一些实施例的一种用于去嵌入电缆效应的方法。电缆效应既可以从正弦波中去嵌入，也可以从其他类型的波形中去嵌入。

起初，在将AFG特定的电缆和DUT连接时，进行校准。在操作300，在同轴电缆端接有匹配负载的情况下，其中匹配负载也即阻抗等于同轴电缆特征阻抗Z_C的负载，针对频率为f的正弦波测量输出端104处的电压。通过同步采集，该测量提供了AFG 200的额定输出(nominal output)的复数(complex)测量结果V_{mea_nom}，即V_{mea_nom}可以用方程(1)表示为复数形式：

$V_{\mathrm{mea}\_\mathrm{nom}}=\mathrm{Abs}\left(V_{\mathrm{mea}\_\mathrm{nom}}\right)e^{\mathrm{jAmgle}\left(V_{\mathrm{mea\; nom}}\right)}---\left(1\right)$

其中，同步触发信号用作参考相位。

在操作302，在同轴电缆端接开路负载的情况下，也即信号被负载完全反射的情况下，通过同步采集针对频率为f的正弦波测量输出端104的电压，从而得到测量结果V_{mea_open}。该测量结果可以与V_{mea_open}一起用于确定复数比k_o，正如方程(2)所表示的：

$k_o=\frac{V_{\mathrm{mea}\_\mathrm{open}}}{V_{\mathrm{mea}\_\mathrm{nom}}}=1+e^{-2l(\mathrm{\α}+\mathrm{j\β})}---\left(2\right)$

其中，α为未知的该同轴电缆的衰减系数，β为未知的该同轴电缆的波数(waveformnumber)，l为未知的同轴电缆的长度。

然后在操作304，按照指定的频率步进Δf，扫描该AFG 200的整个频率范围，以表征(characterize)同轴电缆连接开路负载时的参数k_o，该参数通常与频率有关。也就是说，以指定的频率步进在整个频率范围扫描V_{mea_nom}和V_{mea_open}。对非正弦波形进行去嵌入需要多个频率点的k_o(2πf)数据集合，这是因为非正弦函数占据一个频率范围而不仅仅是正弦信号的一个频率点。然后，将这些值存储在该AFG 200的一个存储器(图中未示出)中的一个系数表中。

在操作306，在同轴电缆端接用户负载也即DUT的情况下，针对频率为f的正弦波测量输出端104处的电压，从而确定V_{mea_load}。然后使用方程(3)计算复数比k_l：

$k_l=\frac{V_{\mathrm{mea}\_\mathrm{load}}}{V_{\mathrm{mea}\_\mathrm{nom}}}=1+e^{-2l(\mathrm{\α}+\mathrm{j\β})}\frac{Z_{\mathrm{DUT}}-Z_C}{Z_{\mathrm{DUT}}+Z_C}---\left(3\right)$

其中，Z_DUT为未知的DUT输入阻抗。

在操作308，按照指定的频率步进Δf扫描该AFG 200的整个频率范围，以表征参数k_l，该参数通常与频率有关。也就是说，以指定频率步进在整个频率范围扫描V_{mea_load}。对非正弦波形进行去嵌入需要多个频率点的k_l(2πf)数据集合，这是因为非正弦函数占据一个频率范围而不仅仅是正弦信号的一个频率点，。然后，将这些值存储在该AFG 200的一个存储器(图中未示出)中的一个系数表中。

在将k_o和k_l存储在AFG存储器的系数表中之后，AFG随后便可以开始对实际生成的信号进行去嵌入。也就是说，该AFG将首先在操作310中确定信号生成部件101生成的信号是正弦信号还是任意波形。

在操作312中，如果生成了正弦信号，则可以查找用户设置的信号生成的信号频率点处的系数k_o和k_l，从而利用方程(4)计算同轴电缆远端的DUT处实际接收的信号：

$V_{\mathrm{DUT}}=2V_{\mathrm{mea}\_\mathrm{nom}}\frac{Z_{\mathrm{DUT}}}{Z_{\mathrm{DUT}}+Z_C}{e}^{-l(\mathrm{\α}+\mathrm{j\β})}=V_{\mathrm{mea}\_\mathrm{nom}}\frac{k_o+k_l-2}{\sqrt{k_o-1}}=V_{\mathrm{mea}\_\mathrm{nom}}{k}_d---\left(4\right)$

在操作314，如果生成了任意(非正弦)波形，则计算时域表示的V_{mea_nom}的傅里叶变换以得到频域表示的V_{mea_nom}(2πf)，并且可以在频域计算测量结果以得到V_DUT(2πf)。换言之，使用了整个频率范围内的k_o和k_l系数。然后，对V_DUT(2πf)进行反傅里叶变换得到时域表示的实际波形V_DUT，参见方程(5)：

即，通过使用图2所示的波形去嵌入模块202，从AFG 200输出端104处的测量结果中去嵌入或者恢复出了V_DUT，从而可以预测通过同轴电缆后DUT实际接收到的信号。

可选地，通过使用一种精心设计的脉冲信号或任意波形信号来加快上述频率扫描的测量过程。该过程与之前方法基本相同，除了这种方法计算V_{mea_nom}，V_{mea_open}和V_{mea_load}的傅里叶变换以及在频域计算k_o和k_l，而不是在扫描频率范围时逐个频率点地重复计算。需要指出的是，这种脉冲算法可以节约测量时间，但相应的代价是降低了精度，其原因是它对噪声更敏感。

图4示出了图2所示的去嵌入模块的框图，该模块使用了三条分开的路径。第一路径使用单一频率的正弦波测量V_{mea_nom}，V_{mea_open}和V_{mea_load}，正如在操作300，302和306中所讨论的。如图4所示，采集的波形400被发送至第一路径中的多个开关。当第一开关402被使能(enabled)时，其利用采集的波形测量连接匹配负载时的V_{mea_nom}，正如在操作300中所讨论的。当第二开关404被使能时，其利用采集的波形测量连接开路负载时的V_{mea_open}，正如在操作302中所讨论的。当第三开关406被使能时，其利用采集的波形测量将DUT的用户负载连接至同轴电缆时的V_{mea_load}，正如在操作306中所讨论的。

正如步骤302和306中所示，使用除法器408将V_{mea_open}除以V_{mea_nom}，并且使用除法器410将V_{mea_load}除以V_{mea_nom}，以分别计算k_o和k_l。根据上述操作312中所讨论的，波形去嵌入模块202利用方程计算k_d。这样，得到了单个频率点处的去嵌入系数。

然而，根据在操作304和308中讨论的，需要对整个频率范围进行扫描以得到各个指定频率步进的k_o和k_l。对于电缆和DUT的一个具体配置，这种频率扫描过程仅需要在波形去嵌入之前执行一次。这样，可以获得与频率有关的k_d(2πf)的校准/去嵌入函数，其被存储为系数表，用于将来进行正弦波和任意波形的监测/测试，正如之前所讨论的。

在第二路径中，如果去嵌入开关410被使能，则所采集的波形经过开关414被发送到去嵌入计算路径。对于正弦信号，该信号通过正弦信号选择开关414进入乘法器416，用以进行在单个信号频率点处去嵌入的幅度调整和相位偏置，然后经过开关418和412送至波形控制器(图中未示出)进行显示。对于任意信号，其通过任意信号选择开关414，送到用以将其变换成频域形式信号的FFT 420。该频域形式的信号然后送到用于进行幅度和相位调整的乘法器422，以在整个信号频率范围内进行去嵌入。然后，频域形式的去嵌入信号送到反向FFT 424，用以将其变换为时域形式的信号。然后，时域形式的去嵌入信号经过开关418和412送至波形显示控制器(图中未示出)进行显示。

在最后一个路径中，如果去嵌入开关410没有被使能，则可以通过开关412将采集的波形送至波形显示控制器(图中未示出)进行显示。

下面给出了本申请所公开的技术的去嵌入仿真示例，在这个示例中，使用了一个AFG和一个示波器，该AFG只有一个信号生成部件。

首先，AFG配置为生成频率为10MHz、峰峰值为1Vpp的正弦波，其端接50欧姆阻抗。该AFG的触发输出信号(trigger out signal)被用于触发示波器进行数据采集。同轴电缆一端连接AFG，另一端端接50欧姆阻抗。连接示波器通道的高阻抗探头被用于测量AFG输出端的电压，即V_{mea_nom}(注意：在电缆上切出一测试窗口，以用于探头接触，这适用于下文讨论的探头测试)。

然后将该电缆断开，使得该电缆开路，从而通过连接示波器通道的高阻抗探头测量AFG输出端处的电压，以确定V_{mea_open}。然后将该电缆连接到DUT以测量AFG输出端的电压，从而确定V_{mea_load}，并且通过连接示波器通道的高阻抗探头测量DUT的实际电压。然后采用图3所示的上述方法计算AFG输出端的去嵌入电压，即V_DUT，并将其与DUT端测得的实际电压进行比较。与远端DUT处实际产生的电压波形相比，这种方法产生的去嵌入电压波形的幅度误差小于11％，相位误差小于3°。

可以得出结论，在没有DUT的任何信息的情况下，可以通过上述所公开的技术对电缆效应进行去嵌入处理，并且有效地使得波形监测/测试可以从仪器虚拟地移至DUT，这种方法被称为“虚拟监测(Virtual Monitoring)”。另外，基于上述公开的技术，改善AFG以使得其具有补偿/预修正(pre-emphasis)能力变得可行，该补偿/预修正能力用以改善针对各种DUT的输出失真。换句话说，用户可以观察到基于信号生成部件101生成信号的、被DUT接收到的测试信号的准确表示。

根据一些示例，波形去嵌入模块202可以包括各种硬件元件，软件元件，或者这两者的组合。硬件元件的示例包括器件、逻辑器件、部件、处理器、微处理器、电路、处理器电路、电路元件(如晶体管、电阻、电容、电感，等等)、集成电路、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑器件(PLD)、数字信号处理器(DSP)、场可编程门阵列(FPGA)、存储器单元、逻辑门、寄存器、半导体器件、芯片、微芯片、芯片组，等等。软件元件的示例包括软件部件、程序、应用、计算机程序、应用程序、设备驱动程序、系统程序、软件开发程序、机器程序、操作系统程序、中间件、固件、软件模块、例程、子例程、函数、方法、过程、软件界面、应用程序接口(API)、指令集、计算代码、计算机代码、代码段、计算机代码段、字、数值、符号，或者它们的任意组合。考虑到许多因素，确定某个示例是否使用硬件元件和/或软件元件实现可能会不同，这些因素例如包括期望的计算速度、功率水平、耐热性、处理周期预算、数据输入速度、数据输出速度、存储器资源、数据总线速度以及其他设计和性能约束。

在本申请的优选实施例中描述并表示了所公开的技术的原理，但是很显然，在不偏离这些原理的情况下，可以对所公开的技术的安排和细节进行修改。我们要求保护在所附的权利要求的实质和范围内的所有修改和变化。

Claims (14)

1.一种用于确定期望由受测设备接收的波形的方法，包括：

在任意波形和函数发生器的输出端输出由所述任意波形和函数发生器的波形生成部件生成的波形；

通过电缆将所述任意波形和函数发生器的波形生成部件生成的波形发送到所述受测设备；

由所述任意波形和函数发生器的波形监测部件在所述输出端监测波形；以及

由所述波形监测部件根据被所述电缆改变的所生成的波形确定被变换波形，所述被变换波形期望由所述受测设备接收。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述输出端监测所述波形的步骤进一步包括：

测量所述电缆端接有匹配负载时所述输出端处的波形，以确定V_{mea_nom}；

测量所述电缆端接有开路负载时所述输出端处的波形，以确定V_{mea_open}；以及

测量所述电缆端接有来自所述受测设备的负载时所述输出端处的波形，以确定V_{mea_load}；以及

在指定频率计算k_o和k_l，其中 $k_o=\frac{v_{\mathrm{mea}\_\mathrm{open}}}{v_{\mathrm{mea}\_\mathrm{nom}}},k_l=\frac{v_{\mathrm{mea}\_\mathrm{load}}}{v_{\mathrm{mea}\_\mathrm{nom}}}.$

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，当所生成的波形为正弦波时，由所述波形监测部件确定被变换波形的步骤进一步包括采用以下方程计算期望由所述受测设备接收的所述被变换波形V_DUT：

$V_{\mathrm{DUT}}=V_{\mathrm{mea}\_\mathrm{nom}}\frac{k_o+k_l-2}{\sqrt{k_o-1}}$

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述输出端监测所述波形的步骤进一步包括以指定步进扫描所述任意函数和波形发生器的整个频率范围，从而在每个指定的频率步进下测量V_{mea_nom}，V_{mea_open}和V_{mea_load}，并且计算每个指定频率步进对应的k_o和k_l，以计算k_o(2πf)和k_l(2πf)。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，当生成的波形为非正弦波形时，由所述波形监测部件确定被变换波形的步骤进一步包括采用以下方程计算期望由所述受测设备接收的所述被变换波形V_DUT：

其中 $k_o=\frac{v_{\mathrm{mea}\_\mathrm{open}}}{v_{\mathrm{mea}\_\mathrm{nom}}}$ 而 $k_l=\frac{v_{\mathrm{mea}\_\mathrm{load}}}{v_{\mathrm{mea}\_\mathrm{nom}}}.$

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述待测设备是未知的。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电缆的相位延迟和衰减是未知的。

8.一种任意波形和函数发生器，包括：

波形生成部件，其被配置为在输出端输出波形；

波形监测部件，其被配置为监测在所述输出端输出的所述波形，所述波形监测部件包括：

波形去嵌入处理器，其被配置为根据被电缆改变的生成的波形确定被变换波形，所述被变换波形期望由受测设备接收，以及

显示器，其被配置为显示所述被变换波形。

9.根据权利要求8所述的任意波形和函数产生器，其特征在于，所述波形监测部件被进一步配置为：

测量所述电缆端接有匹配负载时所述输出端处的波形，以确定V_{mea_nom}；

测量所述电缆端接有开路负载时所述输出端处的波形，以确定V_{mea_open}；以及

测量所述电缆端接有来自受测设备的负载时所述输出端处的波形，以确定V_{mea_load}；以及

在指定频率计算k_o和k_l，其中而

10.根据权利要求8所述的任意波形和函数产生器，其特征在于，当所生成的波形为正弦波时，所述波形去嵌入处理器被进一步配置为采用以下方程计算期望由所述受测设备接收的所述被变换波形V_DUT：

$V_{\mathrm{DUT}}=V_{\mathrm{mea}\_\mathrm{nom}}\frac{k_o+k_l-2}{\sqrt{k_o-1}}$

11.根据权利要求8所述的任意波形和函数产生器，其特征在于，所述波形监测部件被进一步配置为以指定步进扫描所述任意函数和波形发生器的整个频率范围，从而在每个指定的频率步进下测量V_{mea_nom}，V_{mea_open}和V_{mea_load}，并且计算每个指定频率步进对应的k_o和k_l，以计算k_o(2πf)和k_l(2πf)。

12.根据权利要求11所述的任意波形和函数产生器，其特征在于，当所生成的波形为非正弦波形时，所述波形去嵌入处理器被进一步配置为采用以下方程计算期望由所述受测设备接收的所述被变换波形V_DUT：

其中 $k_o=\frac{v_{\mathrm{mea}\_\mathrm{open}}}{v_{\mathrm{mea}\_\mathrm{nom}}},k_l=\frac{v_{\mathrm{mea}\_\mathrm{load}}}{v_{\mathrm{mea}\_\mathrm{nom}}}.$

13.根据权利要求8所述的任意波形和函数产生器，其特征在于，所述待测设备是未知的。

14.根据权利要求8所述的任意波形和函数产生器，其特征在于，所述电缆的相位延迟和衰减是未知的。