CN117890663A - 一种基于脉冲驱动型任意波形交流量子电压工作裕度的调试测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明为解决脉冲驱动型交流量子电压生成过程中调整难度大且无法准确评估所生成的交流量子电压工作裕度的问题，提供了一种基于脉冲驱动型任意波形交流量子电压工作裕度的调试测量方法。结合基于离散傅里叶变换的信号拟合算法和基于黄金分割比例的自动搜索算法，对脉冲驱动型交流量子电压生成过程中涉及的多项设备参数进行优化调整，为保证装置生成交流量子电压提供可靠的调整方案；通过改变直流偏置量，构建可描述交流量子电压工作裕度的差值分布图，为工作裕度的评估提供有效的测量方案。这项创新方法为脉冲驱动型交流量子电压工作裕度的调试和测量带来了便利，并且有望提高基于交流量子电压生成装置的工作性能和应用可靠性。

Description

一种基于脉冲驱动型任意波形交流量子电压工作裕度的调试 测量方法

技术领域

本发明属于计量领域，具体涉及一种基于脉冲驱动型任意波形交流量子电压工作裕度的调试测量方法。

背景技术

目前使用可编程约瑟夫森芯片已成功合成峰值可达10V的阶梯波交流量子电压信号，然而受限于阶梯波过渡过程的特性，仅在音频频率下才能保持相对较高的测量准确度。相较之下，基于脉冲驱动型正弦波量子电压可以在高达100kHz的频率下依旧维持较高的准确性，且可以合成具有量子准确度的任意波形信号。但要生成准确的基于脉冲驱动型任意波形交流量子电压，必须对脉冲驱动型约瑟夫森芯片的每个阵列进行精准的驱动和补偿，这需要对系统的多个关键影响参数进行迭代调整，使得工作量巨大，且存在着难以准确评估生成的基于脉冲驱动型任意波形交流量子电压工作裕度的挑战。

发明内容

本发明旨在解决现有技术中存在的问题，提供一种基于脉冲驱动型任意波形交流量子电压工作裕度的调试测量方法。结合基于离散傅里叶变换(DFT)的任意波形信号拟合算法和基于黄金分割比例的自动搜索算法，对射频任意波形合成器的输出幅值与16/32位FIR滤波系数、微波放大器的眼图交叉水平与增益大小、偏置补偿电流的幅值、相位与直流偏置多项参数进行迭代优化调整，为保证装置生成交流量子电压提供可靠的调整方案；改变偏置补偿电流源的偏置量，通过信号拟合算法分析各组被测信号，构建可描述交流量子电压工作裕度的差值分布图，为交流量子电压工作裕度测量提供有效方案。这项创新方法为脉冲驱动型交流量子电压工作裕度的调试和测量带来了便利，并且有望提高基于脉冲驱动型交流量子电压生成装置的工作性能和应用可靠性。

本发明的技术方案如下：

步骤一：通过射频任意波形合成器输出的脉冲信号，该脉冲信号为具有一定幅值和固定基波频率的正弦波或含有谐波的任意波信号，根据该脉冲信号的基波频率来指定ADC采样器中的采样率Fs；

步骤二：通过离散傅里叶变换计算每一组被测信号中的所有采样点，求得被测信号的特征参数，拟合成标准曲线，并获取被测信号与标准曲线对应各采样点处的差值，进一步计算差值的平方和与标准差；

步骤三：采用基于黄金分割比例的自动搜索算法，并结合步骤二中所得平方和与标准差结果，调整射频任意波形合成器的输出信号幅值与16位/32位FIR滤波器系数、微波放大器的眼图交叉水平与增益大小、偏置补偿电流源的幅值、相位和直流偏置；

步骤四：参数搜索过程完成后，规定偏置补偿电流源的偏置变化范围，逐步等量增加偏置大小并采集记录每一组偏置改变后被测信号的数据。按照步骤二的方法拟合各组被测信号的标准曲线并计算与被测信号的差值，并将每组拟合后的标准曲线的首个最大值所在位置作为起始点，指定各组差值从各自的起点位置开始选取两个或三个整周期的数据量，按照偏置补偿电流源的输出大小顺序从上至下排列汇总在一起，形成工作裕度分布图；

步骤五：改变步骤三中首个被改变的参数大小，重复执行步骤二至步骤五，将各组工作裕度分布图进行对比，选择工作裕度最大时所对应的各项设备参数大小作为最佳工作状态。

所述步骤一是这样实现的：

所述射频任意波形合成器产生的正弦波或任意波码型信号的基波频率和谐波频率，在复杂的周期性信号中，与信号最长周期相等的正弦波分量称为基波，相应于这个周期的频率称为基波频率；频率等于基波频率的整倍数的正弦波分量被称为谐波，其频率称为谐波频率；

所述采样率Fs，是指模拟信号转换为数字信号的模数转换器采集模拟信号的“样本”或数据点的速率，单位为样本数/秒(Sa/s)，根据正弦波或任意波码型信号的基波频率和谐波频率指定，以保证整周期采样；

所述步骤二是这样实现的：

在这一步骤中，采用基于离散傅里叶变换的任意波形信号拟合算法，计算被测电压的信号特征并拟合成标准曲线。首先，对被测信号进行离散傅里叶变换，将时域信号x转换成频域信号X，通过频谱可得到正弦波或任意波信号的直流分量A₀、基波与各次谐波的频率f[m]、幅值A[m]和相位φ[m]。具体步骤如下：

被测信号的离散傅里叶变换公式如下：

式中x表示时域离散信号，X是时域离散信号经过DFT计算后的频域信号，n表示时域离散信号的编号，m表示频域离散信号的编号，N表示时域离散信号与频域信号的点数；

通过离散傅里叶变换得到的频域信号计算被测信号的直流分量A₀、基波与各次谐波的频率f[m]、幅值A[m]和相位φ[m]。计算公式如下：

φ[m]＝arg(X[m])

式中m表示频域信号的编号，f[m]表示基波与各次谐波的频率，Fs表示信号采样率，N表示频域信号的点数，A₀表示频域信号的直流分量，X[0]表示频域信号的基波分量，A[m]表示各次谐波幅值，X[m]表示频域信号的各次谐波分量，φ[m]表示各次谐波相位，arg表示计算幅角的函数。

经过上述参数计算结果，可以对被测信号x重新拟合出一个标准曲线x’，其数学表达式如下：

式中m表示频域信号的编号，N表示频域信号的点数，A₀表示频域信号的直流分量，A[m]表示各次谐波幅值，f[m]表示基波与各次谐波的频率，φ[m]表示各次谐波相位。

将被测信号与拟合的标准曲线上的采样点一一对应计算差值diff，这种差值反映了被测信号与拟合曲线之间的偏差或误差，并计算差值的平方和F_val，其数学表达式如下：

diff[n]＝x[n]-x'[n]；

式中diff是被测信号与拟合的标准曲线上的差值，x表示被测信号，x’表示拟合的标准曲线，F_val表示差值的平方和，n表示时域离散信号的编号。

进一步计算所有差值的标准差：

式中diff表示差值，σ与μ分别表示差值的标准差与差值的平均值；n表示差值信号的编号，N表示差值的点数。

所述步骤三是这样实现的：

在这一优化步骤中，采用基于黄金分割比例的自动搜索算法，结合步骤二中得到的差值平方和与标准差作为反馈值，对设备参数进行调整。

具体步骤如下：首先被测信号离散傅里叶变换计算得到拟合的标准曲线后，规定拟合的标准曲线与被测信号的差值平方和与标准差将作为调整的评判参考值，在自动搜索过程开始前评判参考值均为零；接着，规定待调参数的类型，按照“射频任意波形合成器的幅值参数—微波放大器的眼图交叉水平—微波放大器的增益大小—偏置补偿电流源的幅值—偏置补偿电流源的相位与直流偏置—射频任意波形合成器的16位/32位FIR滤波器系数”的顺序对各参数依次进行调整，规定待调参数的可调范围[a,b]，规定允许最小可调范围的值k，规定调整比例大小为黄金分割比例进一步，通过可调范围[a,b]与黄金分割比例/>计算新的调整区间[c,d]；

d＝a+b-c；

式中是黄金分割比例，约等于0.618，[a,b]是待调参数的可调区间范围，[c,d]是计算后的可调区间范围；

将被调参数的大小分别调整到c和d，分别采集设备参数改变后的信号，拟合其标准曲线，计算与被测信号的差值平方和f_val(c)与f_val(d)。对比变化前后的差值平方和，若f_val(c)<f_val(d)，则b＝d,a＝a，否则a＝c,b＝b，新的搜索区间为被重新赋值后的区间[a,b]。重复上述步骤直到最终的调整范围[a,b]满足预定的最小允许可调范围值k为止，即|a-b|＜k；改变下一项待调参数类型，重复上述步骤，直到射频任意波形合成器的输出信号幅值与16位/32位FIR滤波器系数、微波放大器的眼图交叉水平与增益大小、偏置补偿电流源的幅值、相位与直流偏置参数按顺序经过参数自动搜索过程，调整完成。

所述步骤四是这样实现的：

在这一步骤中，在预定的范围内逐步等量增加偏置补偿电流的偏移量，采集被测信号并按照基于离散傅里叶变换的任意波形信号拟合算法拟合标准曲线，计算标准曲线与被测信号对应采样点的差值，以评估不同偏移量对被测信号的影响。

首先，规定偏置补偿电流源偏移量的改变范围，偏移量从起始值逐步等量增大，待装置生成电压稳定后，采集每次偏移量改变后的被测信号并按顺序保存数据。接着，分别拟合各组被测信号的标准曲线，并计算与被测信号的差值。进一步将各组标准曲线中首个最大值所在的位置作为起始点，指定各组差值从该起始点开始，选取2个或3个整周期的数据量，依次按照偏移量的大小从上到下排列起来，从而形成一张能表现基于脉冲驱动型任意波形交流量子电压工作裕度的差值分布图。

这个差值分布图将提供关于补偿电流偏移量对基于脉冲驱动型任意波形交流量子电压工作裕度的影响信息，有助于确定在选择最优的补偿电流偏移量范围。通过分析差值分布图，可以更深入地理解偏置补偿电流的影响。

所述步骤五是这样实现：

规定在自动搜索过程中首个被改变的射频任意波形合成器的幅值参数的变化范围，从起始值逐步等量增大幅值大小，重复步骤二至步骤四的流程，得到对应不同幅值大小的各组差值分布图并进行比较，从中挑选在保证工作裕度最大情况下各项参数值作为交流量子电压装置的最佳工作状态。

综上所述，通过采集信号、分析信号、调整设备、测量量子工作裕度的步骤，能够可靠准确地调试脉冲驱动型交流量子电压装置，测量交流量子电压工作裕度，获得最佳工作状态下的设备参数值，为脉冲驱动型任意波形交流量子电压的生成和使用提供有效保障。

附图说明

图1基于脉冲驱动型任意波形交流量子电压的工作裕度的影响参数调控测量实现流程图；

图2参数选择模块示意图；

图3基于黄金分割比例的自动搜索算法示意图；

图4FIR系数位置查找算法示意图；

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的说明：

一种基于脉冲驱动型任意波形交流量子电压工作裕度的调试测量方法，其具体实现流程如图1所示：首先，选择待调试设备和待调整参数，规定调整范围，结合基于离散傅里叶变换的信号拟合算法和基于黄金分割比例的自动搜索算法，对设备参数进行优化调整。多项参数调整完后，测量交流量子电压工作裕度，评估生成交流量子电压的量子态。

流程开始时，首先选择待调试设备和待调整参数，如图2所示。如若选择调试微波放大器，则可调整其微波增益或眼图水平参数，规定参数的调整范围[a,b]与精度要求k；若选择调试射频任意波形合成器，则可调整其码型信号幅值，规定待调参数的调整范围[a,b]与精度要求k，或FIR滤波器系数，规定待调参数的数量为16位或32位，使用于表示当前待调位置的标志位与用于统计循环次数的标志位等于零；若选择调整偏置电流源的信号，则可调整其电流幅值与相位，规定待调参数的调整范围[a,b]与精度要求k；

选定待调设备和待调参数后，开始使用基于黄金分割比例的自动搜索算法进行判断，如图3所示。它基于黄金分割比例，将搜索区间逐步缩小，并在每次迭代中通过比较函数值来决定搜索方向，直到达到预定的精度要求。基于黄金分割比例的自动搜索算法是一种优化算法，通常用于在一个有界区间内寻找函数的最优解。它基于黄金分割比例，将搜索区间逐步缩小，并在每次迭代中通过比较函数值来决定搜索方向，直到达到预定的精度要求。具体步骤如下：首先被测信号离散傅里叶变换计算得到拟合的标准曲线后，规定拟合的标准曲线与被测信号的差值平方和与标准差将作为调整的评判参考值，在自动搜索过程评判参考值均为零；接着，规定待调参数的类型，按照“射频任意波形合成器的幅值参数—微波放大器的眼图交叉水平—微波放大器的增益大小—偏置补偿电流源的幅值—偏置补偿电流源的相位与直流偏置—射频任意波形合成器的16位/32位FIR滤波器系数”的顺序对各参数依次进行调整，规定待调参数的可调范围[a,b]，规定允许最小可调范围的值k，规定调整比例大小为黄金分割比例进一步，通过可调范围[a,b]与黄金分割比例/>计算新的调整区间[c,d]：

d＝a+b-c；

再将设备参数大小分别调整到c和d，测量生成的量子电压信号，拟合标准曲线并计算与被测信号的差值平方和f_val(c)与f_val(d)。若f_val(c)<f_val(d)，则b＝d,a＝a，否则a＝c,b＝b，新的搜索区间为新赋值的区间[a,b]。重复上述步骤直到最终的调整范围[a,b]满足预定的精度要求为止，即|a-b|＜k；改变下一项待调参数类型，重复上述步骤，直到射频任意波形合成器的输出信号幅值与16位/32位FIR滤波器系数、微波放大器的眼图交叉水平与增益大小、偏置补偿电流源的幅值、相位与直流偏置参数按顺序经过参数自动搜索过程，调整完成。

其中，所述被测信号经过基于离散傅里叶变换的拟合算法得到拟合的标准曲线后，计算与被测信号的差值平方和将作为调整的判据，具体为对被测信号x进行离散傅里叶变换，将时域信号转换成频域信号X。被测信号的离散傅里叶变换公式如下：

式中x表示时域离散信号，X是时域离散信号经过DFT计算后的频域信号，N表示时域离散信号与频域信号的点数，n表示时域离散信号的编号，m表示频域离散信号的编号；

通过离散傅里叶变换得到的频域信号计算被测信号的直流分量A₀、基波与各次谐波的频率f[m]、幅值A[m]和相位φ[m]。计算公式如下：

φ[m]＝arg(X[m])

式中m表示频域信号的编号，f[m]表示基波与各次谐波的频率，Fs表示信号采样率，N表示频域信号的点数，A₀表示频域信号的直流分量，X[0]表示频域信号的基波分量，A[m]表示各次谐波幅值，X[m]表示频域信号的各次谐波分量，φ[m]表示各次谐波相位，arg表示计算幅角的函数。

经过上述计算结果，可以对被测信号x重新拟合出一个标准曲线x’，其数学表达式如下：

式中m表示频域信号的编号，N表示频域信号的点数，A₀表示频域信号的直流分量，A[m]表示各次谐波幅值，f[m]表示基波与各次谐波的频率，φ[m]表示各次谐波相位。

将被测信号与拟合的标准曲线上的采样点一一对应计算差值diff，这种差值反映了被测信号与拟合曲线之间的偏差或误差，并计算差值的平方和F_val，其数学表达式如下：

diff[n]＝x[n]-x'[n]；

式中diff是被测信号与拟合的标准曲线上的差值，x表示被测信号，x’表示拟合的标准曲线，F_val表示差值的平方和，n表示时域离散信号的编号。

进一步计算所有差值的标准差：

式中diff表示差值，σ与μ分别表示差值的标准差与差值的平均值；n表示差值信号的编号，N表示差值的点数。

射频任意波形合成器的FIR滤波系数包含多个可调值，调整方向为由边缘向中间，具体流程如图4所示。从FIR滤波系数的最左侧第一位开始调整，重复上述的基于黄金分割比例的自动搜索算法进行判定和搜索，直到调整范围缩小到符合预定的精度要求。达到要求后，用于统计循环次数的计数参数加一，再判断被调位置是否小于待调位置数量总数p的一半，进行以下计算：

m＝m+1；

其中n是当前被调的位置，p是待调位置数量总数，m是已调位置的个数。直到m＝p，即所有FIR滤波系数调整完成。

当所有参数调整好后，开始测量并评估基于脉冲驱动型任意波形交流量子电压工作裕度。具体步骤如下，首先规定偏置补偿电流源偏移量的变化范围以及变化次数，计算每次改变偏移量的步距大小。测量工作裕度过程开始，偏置补偿电流的偏移量从起始值开始按照步距大小等量增加。每次改变偏移量采集信号，并将原始数据按顺序保存。通过基于离散傅里叶变换的任意波形信号拟合算法拟合被测信号的标准曲线，计算与计算标准曲线与被测信号的差值。为了便于观测与提高图像美观，分别对各组被测信号的拟合曲线x’中首个最大值所在的位置编号，并作为各组标准曲线与被测信号差值的起始点，选取2个或3个整周期的数据量，依次按照偏移量的大小从上到下排列起来，从而形成一张能表现基于脉冲驱动原理产生的任意波形交流量子电压工作裕度的差值分布图，其中记录了在不同补偿电流偏移量下被测信号与拟合曲线的差值情况。

为了找到一组使工作状态最佳的设备参数值，可以通过改变自动搜索过程首个被改变的射频任意波形合成器的幅值参数的变化范围，重复上述步骤，按照“射频任意波形合成器的幅值参数—微波放大器的眼图交叉水平—微波放大器的增益大小—偏置补偿电流源的幅值—偏置补偿电流源的相位与直流偏置—射频任意波形合成器的16位/32位FIR滤波器系数”的顺序依次进行调整，得到稳定的交流量子电压与对应的差值分布图，通过分布图比较不同大小的参数设置下的交流量子电压工作裕度大小，从中挑选在保证工作裕度最大情况下各项参数值作为交流量子电压装置的最佳工作状态。

Claims (5)

1.一种基于脉冲驱动型任意波形交流量子电压工作裕度的调试和测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：通过射频任意波形合成器输出的脉冲信号，该脉冲信号为具有一定幅值和固定基波频率的正弦波或含有谐波的任意波信号，根据该脉冲信号的基波频率来指定ADC采样器中的采样率Fs；

步骤二：通过离散傅里叶变换计算每一组被测信号中的所有采样点，求得被测信号的特征参数，拟合成标准曲线，并获取被测信号与标准曲线对应各采样点处的差值，进一步计算差值的平方和与标准差；

步骤三：采用基于黄金分割比例的自动搜索算法，并结合步骤二中所得平方和与标准差结果，调整射频任意波形合成器的输出信号幅值与16位/32位FIR滤波器系数、微波放大器的眼图交叉水平与增益大小、偏置补偿电流源的幅值、相位和直流偏置；

步骤四：参数搜索过程完成后，规定偏置补偿电流源的偏置变化范围，逐步等量增加偏置大小并采集记录每一组偏置改变后被测信号的数据，按照步骤二的方法拟合被测信号的标准曲线并计算与被测信号的差值，并将每组拟合后的标准曲线的首个最大值所在位置作为起始点，指定各组差值从各自的起点位置开始选取两个或三个整周期的数据量，按照偏置补偿电流源的输出大小顺序从上至下排列汇总在一起，形成工作裕度分布图；

步骤五：改变步骤三中首个被改变的参数大小，重复执行步骤二至步骤五，将各组工作裕度分布图进行对比，选择工作裕度最大时所对应的各项设备参数大小作为最佳工作状态。

2.根据权利要求1所述的一种基于脉冲驱动型任意波形交流量子电压工作裕度的调试和测量方法，其特征在于，所述步骤二具体为：

首先，对被测信号x进行离散傅里叶变换，将时域信号转换成频域信号X，具体包括：

被测信号的离散傅里叶变换公式如下：

式中x表示时域离散信号，X是时域离散信号经过DFT计算后的频域信号，N表示时域离散信号与频域信号的点数，n表示时域离散信号的编号，m表示频域离散信号的编号；

通过离散傅里叶变换得到的频域信号计算被测信号的直流分量A₀、基波与各次谐波的频率f[m]、幅值A[m]和相位φ[m]，计算公式如下：

φ[m]＝arg(X[m])

式中m表示频域离散信号的编号，f[m]表示基波与各次谐波的频率，Fs表示信号采样率，N表示时域离散信号与频域信号的点数，X[0]表示频域信号的基波分量，A[m]表示各次谐波幅值，X[m]表示频域信号的各次谐波分量，φ[m]表示各次谐波相位，arg表示计算幅角的函数；

经过上述计算结果，可以对被测信号x重新拟合出一个标准曲线x’，其数学表达式如下：

将被测信号与拟合的标准曲线上的采样点一一对应计算差值diff，这种差值反映了被测信号与拟合曲线之间的偏差或误差，并计算差值的平方和F_val，其数学表达式如下：

diff[n]＝x[n]-x'[n]；

式中diff是被测信号与拟合的标准曲线上的差值，x表示被测信号，x’表示拟合的标准曲线，F_val表示差值的平方和，n表示时域离散信号的编号；

进一步计算所有差值的标准差：

上式中diff表示差值，σ与μ分别表示差值的标准差与差值的平均值；n表示差值信号的编号，N表示差值的点数。

3.根据权利要求1所述的一种基于脉冲驱动型任意波形交流量子电压工作裕度的调试和测量方法，其特征在于，式中步骤三具体包括：

首先被测信号离散傅里叶变换计算得到拟合的标准曲线后，规定拟合的标准曲线与被测信号的差值平方和与标准差将作为调整的评判参考值，在自动搜索过程开始前评判参考值均为零；接着，规定待调参数的类型，按照“射频任意波形合成器的幅值参数—微波放大器的眼图交叉水平—微波放大器的增益大小—偏置补偿电流源的幅值—偏置补偿电流源的相位与直流偏置—射频任意波形合成器的16位/32位FIR滤波器系数”的顺序对各参数依次进行调整，规定待调参数的可调范围[a,b]，规定允许最小可调范围的值k，规定调整比例大小为黄金分割比例进一步，通过可调范围[a,b]与黄金分割比例/>计算新的调整区间[c,d]；

d＝a+b-c；

式中是黄金分割比例，[a,b]是待调参数的可调区间范围，[c,d]是计算后的可调区间范围；

将被调参数的大小分别调整到c和d，分别采集设备参数改变后的信号，拟合其标准曲线，计算与被测信号的差值平方和f_val(c)与f_val(d)；对比变化前后的差值平方和，若f_val(c)<f_val(d)，则b＝d,a＝a，否则a＝c,b＝b，新的搜索区间为被重新赋值后的区间[a,b]；重复上述步骤直到最终的调整范围[a,b]满足预定的最小允许可调范围值k为止，即|a-b|＜k；改变下一项待调参数类型，重复上述步骤，直到射频任意波形合成器的输出信号幅值与16位/32位FIR滤波器系数、微波放大器的眼图交叉水平与增益大小、偏置补偿电流源的幅值、相位与直流偏置参数按顺序经过参数自动搜索过程，调整完成。

4.根据权利要求1所述的一种基于脉冲驱动型任意波形交流量子电压工作裕度的调试和测量方法，其特征在于，式中步骤四具体包括：

规定偏置补偿电流源偏移量的改变范围，偏移量从起始值逐步等量增大，待装置生成电压稳定后，采集每次偏移量改变后的被测信号并按顺序保存数据；分别拟合各组被测信号的标准曲线，并计算与被测信号的差值；将各组标准曲线中首个最大值所在的位置作为起始点，指定各组差值从该起始点开始，选取两个或三个整周期的数据量，依次按照偏移量的大小从上到下排列起来，从而形成一张能表现基于脉冲驱动型任意波形交流量子电压工作裕度的差值分布图。

5.根据权利要求1所述的一种基于脉冲驱动型任意波形交流量子电压工作裕度的调试和测量方法，其特征在于，式中步骤五具体包括：

规定在自动搜索过程中首个被改变的射频任意波形合成器的幅值参数的变化范围，从起始值逐步等量增大幅值大小，重复步骤二至步骤四的流程，得到对应不同幅值大小的各组差值分布图并进行比较，从中挑选在保证工作裕度最大情况下各项参数值作为交流量子电压装置的最佳工作状态。