CN107064610B

CN107064610B - 基于群延迟的平均

Info

Publication number: CN107064610B
Application number: CN201611130130.2A
Authority: CN
Inventors: J.J.皮克德; K.谭
Original assignee: Tektronix Inc
Current assignee: Tektronix Inc
Priority date: 2015-12-09
Filing date: 2016-12-09
Publication date: 2021-05-11
Anticipated expiration: 2036-12-09
Also published as: US20170168092A1; EP3179259A1; JP6910791B2; EP3179259B1; US10345339B2; JP2017106921A; CN107064610A

Abstract

本发明涉及基于群延迟的平均。本发明的实施例提供用于通过找到信号之间的群延迟并且将其用于计算经平均的结果，来在平均两个或更多数据信号时改进信噪比（SNR）的技术和方法。在一个实施例中，计算信号的直接平均值并且针对直接平均值和每一个数据信号找到相位。在每一个信号与直接平均值之间找到相位差。相位差然后用于补偿信号。平均经补偿的信号提供比常规平均技术更精确的结果。所公开的技术可以用于改进仪器精度而同时最小化诸如较高频衰减之类的影响。例如，在一个实施例中，所公开的技术可以使得实时示波器能够进行更加精确的S参数测量。

Description

基于群延迟的平均

技术领域

本发明涉及用于平均数据信号而同时最小化由诸如抖动之类的影响导致的失真的改进的方法。

背景技术

直接平均通常用于改进诸如示波器之类的测量仪器中的测量精度。通过取多个信号的平均值（或者平均从单个信号获取的多个样本），结果的信噪比（SNR）可以增加，这是因为非重复的噪声和失真被平均掉。但是，当信号具有抖动时，经平均的结果可能失真。当信号被平均时，该抖动导致结果的较高频部分比结果的其余部分衰减得更多。这可以典型地被视为经平均的结果中的较缓慢的上升沿。

通常，测量仪器可能将抖动引入到它们正在测量的信号中。例如，实时示波器中的触发抖动将抖动引入到通过示波器获取的样本中。因此，这些仪器可能甚至在使用平均时也不能够如更加昂贵的设备那样精确地做出测量。因此，存在对于最小化抖动对经平均的结果的影响的改进的平均技术的需要。

改进的平均技术对于数个不同信号处理应用可以是有用的，并且可以允许具有获取抖动的仪器取代更加昂贵的仪器。例如，在一个实施例中，改进的平均技术可以允许实时示波器测量被测设备的S参数。

在一个示例中，所公开的技术可以允许实时示波器测量S参数而不需要诸如矢量网络分析仪（VNA）之类的附加仪器。随着比特率增加，高速串行数据链路仿真和测量日益增加地需要在对数据链路中的组件建模时使用S参数。例如，为了全面表征和仿真图1中所示的串行数据链路100，发射器（Tx）105的输出阻抗（由反射系数S₂₂表示）、接收器（Rx）115的输入阻抗（由反射系数S₁₁表示）和信道110的全部S参数（S₁₁，S₁₂，S₂₁和S₂₂）都是需要的。

传统上，需要具有采样示波器的时域反射计（TDR）系统或矢量网络分析仪（VNA）来测量这些类型的S参数，以用于两端口或多端口网络表征。这些专用仪器通常是昂贵的，并且不是广泛可得到的。相比之下，实时示波器常用于调试、测试和测量高速串行数据链路。使用实时示波器来测量数据链路的S参数将是方便的。

不幸的是，虽然一些之前的方法允许实时示波器测量S参数或相关功能，但是它们未使得示波器能够进行足够精确的测量以消除对于附加的VNA或基于采样示波器的TDR解决方案的需要。例如，Agilent的一个现有技术解决方案（在美国专利申请No. 13/247,568（“'568申请”）中描述）使用精密探头来测量探头阻抗和被测设备（DUT）的转移函数。这些测量结果然后可以用于创建嵌入式或非嵌入式滤波器，以补偿所测量到的系统特性。但是使用该方法测量的转移函数未提供针对DUT的精确延迟信息。例如，较长的高质量线缆可能具有与较短但是较低质量的线缆相同的幅度损失。但是这两个线缆具有非常不同的群延迟特性。由于在'568申请中公开的方法未测量精确的延迟信息，因此其不足够精确以确定正在使用何种类型的线缆。

美国专利申请No. 14/673,747（“'747申请”）确实描述了一种使用实时示波器连同信号发生器和功率分配器来测量完整S参数的方法。但是在'747申请中公开的方法由于实时示波器中固有的触发抖动而仍旧有测量错误的倾向。

如以上所讨论的，实时示波器的精度可以通过使用平均来改进。但是实时示波器具有触发抖动，其导致信号的较高频部分比信号的其余部分衰减得更多。这可以典型地被视为所测量到的信号中的较缓慢的上升沿。由于现有技术平均解决方案未解决该衰减，因此它们未使得实时示波器能够如诸如VNA或采样示波器之类的其它仪器那样精确地做出测量。

此外，当平均重复数据模式时，模式必须全部对准。传统上，模式基于边沿交叉或者通过使用互相关来对准。但是模式中的噪声可能使边沿交叉失真，导致基于边沿的方法中的精度的损失。并且互相关在计算上是昂贵的。

因此，存在对于进行更精确的信号测量的改进的平均技术的需要。

发明内容

本发明的实施例在平均多个信号时使用群延迟来改进信噪比。这消除由于抖动而发生在常规平均技术中的失真。所公开的技术可以使用在使用平均的任何应用中，或者由任何类型的设备或仪器所使用。例如，在一个实施例中，所公开的技术可以由实时示波器用于以较大精度测量S参数，而不管示波器的固有触发抖动。这可以允许实时示波器取代更加昂贵的设备。在另一实施例中，所公开的技术可以在平均从多个获取获得的重复数据模式时、或者在平均从单个长获取获得的重复数据信号的多个部分时使用。并且，由于所公开的技术在计算上是高效的，因此它们可以由具有较少处理能力的设备使用。

附图说明

图1描绘了现有技术高速串行数据链路系统。

图2描绘了两个矢量的平均值的相位和幅度。

图3描绘了依照本发明的一个实施例的用于补偿数据信号之间的时间迁移的方法。

图4描绘了相比于使用现有技术平均技术获得的幅度图线的，依照所公开的发明获得的幅度图线。

图5描绘了相比于利用现有技术VNA测量的插入损失的，依照所公开的发明测量的插入损失。

图6描绘了依照本发明的用于执行时钟恢复的示例性仪器。

具体实施方式

图1描绘了串行数据链路系统的高级框图。发射器（Tx）105通过信道110连接到接收器（Rx）115。如本领域中已知的，信道110可以由任何物理传输介质构成，所述物理传输介质包括铜导线、同轴线缆、光纤或（在无线传输的情况下）空气。信道110还可以由多个介质构成。

实时示波器常用于测量串行数据链路系统的特性。如以上所讨论的，实时示波器中的触发抖动引入水平迁移，其导致所测量到的信号的较高频部分在使用平均时衰减。两个原本相同的数据信号（例如信号a和b）之间的水平时间迁移（还称为抖动）导致这两个信号之间的恒定群延迟。该群延迟导致这两个信号之间的成比例的相位差ΔΦ。时间差Δt与相位差ΔΦ之间的关系可以在以下等式中看到：

（等式1）

这些水平迁移对经平均的结果所具有的影响可以在频域中检查。在特定频率f处，每一个信号可以由复数坐标中的矢量表示，如图2中所示。在图2中，两个数据信号a和b由矢量

205和

210表示。

205和

210之间的相位差为ΔΦ 220。

取

205和

210的直接平均值得出矢量

215。如图2中所描绘的，矢量

215指向线

225的中点。矢量

215垂直于线

225，并且二等分角度ΔΦ。

215的幅度是cos(ΔΦ/2)乘以

205和

210的共同幅度。当

205和

210异相（即当ΔΦ 220不为零）时，

215的幅度将小于

205和

210的共同幅度。

所公开的技术通过在执行平均之前显式地测量和补偿Δt来解决数据信号之间的时间迁移。通过补偿时间迁移，相位差ΔΦ 220对于需要平均的所有数据信号减小到零。因此经平均的矢量

215将具有与

205和

210相同的幅度，因为cos(0)=1。

根据本发明的一个实施例，获取两个或更多数据信号

并且计算所有数据信号的直接平均值

。针对每一个个体信号

计算群延迟

，并且针对平均信号

计算平均群延迟

。接着，计算每一个信号的群延迟

与平均群延迟

之间的差值。补偿该差值以创建经补偿的信号

。最后，经补偿的信号一起被平均以创建经平均的结果

。

图3描绘了根据本发明的一个实施例的用于执行基于群延迟的平均的示例性流程图。在步骤300处，获取两个或更多数据信号

。在步骤305处计算所有数据信号的直接平均值，以获得经平均的信号

。

在图3中所示的实施例中，通过使用每一个信号的相位来确定群延迟。在步骤310处，确定经平均的信号

的相位

。在一个实施例中，相位通过执行针对经平均的信号

的快速傅里叶变换（FFT）来计算。在另一实施例中，相位

通过取经平均的信号

的导数并且执行针对

的导数的FFT来计算。在两个实施例中，可以在执行FFT之前可选地应用窗口函数。窗口函数通过消除到相邻频率箱（frequency bin）中的泄漏来改进性能。

在步骤315处，类似于步骤310，针对个体数据信号计算相位

。在一个实施例中，通过执行针对每一个信号

的FFT来计算相位

。在其中在步骤310中导数用于确定

的实施例中，必须在执行FFT之前在步骤315处计算每一个信号的导数，以找到每一个导数的相位。在两个实施例中，可以可选地在执行FFT之前应用窗口函数。

在步骤310和315中，执行对信号还是其导数的FFT的决定可以取决于信号包含什么类型的数据。例如，当信号的起始和结束值不接近于彼此（例如如阶跃状波形中那样）时，使用信号的导数可以是优选的。对于其它类型的信号，使用信号自身可以得出更好的结果。

在步骤320处，计算每一个个体相位

与平均相位

之间的相位差

。在一个实施例中，在步骤310和315中找到的相位可以展开并且用于计算针对每一个个体信号的相位差。例如，可以从展开的个体相位

减去展开的平均相位

以获得相位差

。还可以使用计算相位差的任何其它合适的方法。

在步骤325处，计算每一个相位差

的斜率

。在一个实施例中，可以使用最小均方（LMS）方法来执行直线拟合。当执行LMS拟合时可以可选地使用加权函数。例如，该相位图线在较低频率处比其在较高频率处更平滑。为了获得更加精确的斜率，比高频值更多地加权低频值可以是有用的。

相位斜率可以被直接补偿，或者首先转换成时间差。在其中补偿时间差的实施例中，斜率

首先用于在步骤330处确定针对每一个信号

的时间迁移

。例如，以上的等式1描述斜率与时间迁移之间的关系。在一个实施例中，针对每一个信号的时间迁移

可以通过用该信号的相位差的斜率除以2π * f（其中f是频率）来确定。换言之：

（等式2）

在步骤335处，补偿信号。在其中在步骤330处计算时间迁移的实施例中，补偿时间迁移

。在一个实施例中，在每一个个体信号（或其导数）

上执行的FFT的结果可以与

相乘以获得经补偿的FFT结果

——其中j表示负一的平方根，f是频率，并且

是每一个信号的时间迁移。在其它实施例中，经补偿的FFT结果

可以替代地通过将FFT结果与

相乘来获得。

在步骤340处，经补偿的FFT结果

被平均并且转换到时域，以便获得经平均的时域结果。在一个实施例中，平均经补偿的信号

以获得经平均的结果

，并且逆FFT（IFFT）用于将经平均的结果

转换到时域。在另一实施例中，可以在平均IFFT结果以获得经平均的时域结果

之前，首先执行IFFT以将每一个经补偿的信号

转化到时域。

在其中在步骤310或315中使用信号的导数的实施例中，在步骤345处对在步骤335中获得的经平均的结果积分，以将经平均的结果返回到其正确形式。尽管图3中描绘的实施例使用相位和时间导数，但是可以替代地使用用于确定和补偿群延迟的任何已知方法。

所公开的基于群延迟的方案具有若干优点。首先，通过补偿时间迁移，所公开的技术通过保留较高频率处的经平均的信号水平来改进总体SNR。第二，所公开的技术使用FFT和IFFT，FFT和IFFT在计算上比必须在平均数据信号之前对准它们的常规方案（诸如互相关方法）更高效。第三，所公开的技术通过使用最小均方（LMS）类型的线拟合来获得经平均的结果，这产生可以直接用于补偿时间迁移的单个值。相比之下，常规互相关方法要求额外的内插步骤以找到时间迁移

的值。第四，所公开的技术使用每一个数据信号中的所有数据点来获得

的值。与此相对的，基于边沿交叉的常规方法仅使用每一个数据信号中的波形的边沿周围的几个数据点。最后，所公开的技术可以用于提供平均重复数据模式的在计算上高效的方式，而同时提供比传统基于边沿的方法更精确的结果。

图4描绘了针对经历了导数操作的阶跃状数据信号的幅度图线。如图4中所示，依照本发明获得的基于群延迟的平均结果的幅度（通过图线405示出）在与常规平均的结果（通过图线410示出）相比时在30GHz处改进约2dB。

图5描绘了依照本发明的使用实时示波器获得的插入损失测量结果505。如图5中所示，对于高达25GHz的频率，插入损失曲线505与利用VNA取得的插入损失测量510相关。这说明，在给定频率范围内，所公开的技术使得实时示波器能够与VNA类似精确地测量信号。

在一个实施例中，改进的基于群延迟的平均技术可以由诸如实时示波器之类的示例性通用设备600执行——如图6中所描绘的。设备600可以通过可以为数字或模拟输入的物理输入605或诸如网络、存储器或设备接口之类的接口，来获取数据信号。在其中接口605接收模拟信号的实施例中，模拟到数字（A/D）转换器610可以用于将模拟信号转换成数字信号。在另一实施例中，数据信号可以从存储器（例如存储器620）或从另一设备获取。存储器620可以存储指令，所述指令在被执行时使处理器615执行改进的基于群延迟的平均技术。存储器620还可以存储从物理接口605获取的数据。在所公开的方法期间获得的一个或多个中间或最终结果可以存储在存储器620中、输出到不同设备或用于通过处理器615进行另外的操作。存储器620可以包括一个或多个分离的存储器，包括位于一个或多个其它设备中的存储器。

尽管出于说明的目的而描述了本发明的具体实施例，但是对本领域技术人员将清楚的是，可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改。例如，所公开的技术不限于计算实时示波器中的s参数，而是可以用于补偿任何其它仪器或设备中的时间迁移，或者用于其它类型的信号处理。并且，如之前所讨论的，任何合适的方法可以用于确定和补偿群延迟。另外，可以使用确定或估计导数的任何合适的方法。例如，如本领域中已知的，可以通过取其差值来估计信号的导数。尽管使用了术语“数据信号”，但是要理解的是，可以对任何类型的所获取的信号（即“被测信号”）执行本技术。同样地，本领域普通技术人员将理解信号的相位、延迟和群延迟之间的关系。相应地，除非如随附权利要求所限制的那样，否则本发明不应当受到限制。

Claims

1.一种用于测量两个或更多被测信号的方法，包括：

获取两个或更多被测信号；

基于所述两个或更多被测信号来确定平均信号；

确定针对所述平均信号的平均群延迟；

确定针对所述两个或更多被测信号中每一个的个体群延迟；

确定所述平均群延迟与每一个个体群延迟之间的差值；

通过补偿每一个差值来创建经补偿的信号；

平均所述经补偿的信号以产生经平均的结果；以及

输出所述经平均的结果。

2.权利要求1所述的方法，其中：

确定平均群延迟的步骤包括确定针对所述平均信号的相位；

确定针对所述两个或更多被测信号的个体群延迟的步骤包括确定针对所述两个或更多被测信号的个体相位；并且

确定所述平均群延迟与所述个体群延迟之间的差值的步骤包括确定所述平均信号相位与所述个体相位之间的差值。

3.权利要求2所述的方法，其中确定所述平均信号的相位的步骤包括：

对所述平均信号执行时间到频率变换；以及

从所述时间到频率变换的结果获得相位；并且

其中确定所述两个或更多被测信号的相位的步骤包括对所述两个或更多被测信号执行时间到频率变换，以及从所述时间到频率变换的结果获得相位。

4.权利要求2所述的方法，其中确定针对所述平均信号的相位的步骤包括：

计算所述平均信号的导数；

对所述平均信号的导数执行时间到频率变换；以及

从所述时间到频率变换的结果获得相位；并且

其中确定所述两个或更多被测信号的相位的步骤包括：

计算所述两个或更多被测信号的导数；

对所述导数执行时间到频率变换；以及

从所述时间到频率变换的结果获得相位。

5.权利要求2所述的方法，其中确定所述平均信号相位与所述个体相位之间的差值的步骤包括：

展开所述平均信号的相位；

展开所述被测信号的个体相位；以及

通过从所述被测信号的展开相位减去所述平均信号的展开相位来确定相位差。

6.权利要求3所述的方法，其中所述差值包括第一差值并且补偿所述差值的步骤包括：

通过使用最小均方方法来执行针对每一个差值的直线拟合；

至少部分地基于斜率来获得第二差值；以及

补偿所述第二差值。

7.权利要求6所述的方法，其中补偿所述差值的步骤还包括：

基于所述第二差值来确定针对所述两个或更多被测信号的时间迁移；以及

将对所述两个或更多被测信号的时间到频率变换的结果与

相乘，其中j表示负1的平方根，f表示频率，并且

表示时间迁移。

8.权利要求3所述的方法，其中对所述平均信号执行时间到频率变换的步骤包括确定所述平均信号的导数，以及对所述平均信号的导数执行时间到频率变换；并且

其中对所述两个或更多被测信号执行时间到频率变换的步骤包括确定所述两个或更多被测信号中的每一个的导数，以及对所述导数执行时间到频率变换。

9.权利要求4所述的方法，其中输出所述经平均的结果的步骤还包括对所述经平均的结果积分。

10.权利要求2所述的方法，其中平均所述经补偿的信号以产生经平均的结果的步骤包括：

在频域中平均两个或更多经补偿的信号以产生经平均的频域结果；以及

通过对所述经平均的频域结果执行频率到时间变换来产生经平均的结果。

11.权利要求2所述的方法，其中平均所述经补偿的信号以产生经平均的结果的步骤包括：

通过对每一个经补偿的信号执行频率到时间变换来创建时域经补偿的信号；以及

平均所述时域经补偿的信号以产生经平均的结果。

12.一种配置成计算两个或更多被测信号的基于群延迟的经平均的结果的测量仪器，包括：

配置成获得所述两个或更多被测信号的物理接口；

配置成存储所述两个或更多被测信号的数字表示和所述经平均的结果的存储器；

配置成执行存储在存储器中的指令的处理器；以及

配置成存储指令的存储器，所述指令在由所述处理器执行时，执行权利要求1-11中所述的方法中的一个。

13.权利要求12所述的测量仪器，还包括配置成创建所述两个或更多被测信号的数字表示的模拟到数字转换器。

14.一种包含指令的计算机可读介质，所述指令当在处理器上执行时，执行权利要求1-11中所述的方法中的一个。