DE102019132367A1

DE102019132367A1 - Elektronische Anordnung zum Erzeugen und Auswerten von Mikrowellensignalen und Verfahren zum Betreiben einer solchen

Info

Publication number: DE102019132367A1
Application number: DE102019132367.3A
Authority: DE
Inventors: Oliver Sander; Martin Weides; Nick Karcher; Richard Gebauer; Oliver Krömer
Original assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 2019-11-28
Filing date: 2019-11-28
Publication date: 2021-06-02
Anticipated expiration: 2039-11-29
Also published as: DE102019132367B4

Abstract

Elektronische Anordnung zum Erzeugen und Auswerten von Mikrowellensignalen (100) mit zwei Schnittstellen umfassend: ein Steuerungssystem (110) umfassend: einen Applikationsprozessor (111), der derart eingerichtet ist, dass damit Ansteuermittel bereitgestellt sind; eine digitale Einheitszelle (120) umfassend: einen Signalgenerator (121), der derart eingerichtet ist, dass damit digitale Mikrowellensignale erzeugbar sind, ein Datenerfassungs- und -verarbeitungssystem (122), das derart eingerichtet ist, dass damit digitale Mikrowellensignale verarbeitbar sind, und eine Ablaufsteuerung (123), die derart eingerichtet ist, dass damit Abläufe innerhalb der digitalen Einheitszelle (120) koordinierbar sind, wobei zumindest das Steuerungssystem (110) und die digitale Einheitszelle auf einer Plattform (105) integriert sind; und eine analoge Einheitszelle (130), umfassend: einen DA-Wandler (131), der derart eingerichtet ist, dass damit digitale Mikrowellensignale in Mikrowellensignale wandelbar sind, einen AD-Wandler (132), der derart eingerichtet ist, dass damit Mikrowellensignale in digitale Mikrowellensignale wandelbar sind, und eine HF-Elektronik (133), die derart eingerichtet ist, dass damit Mikrowellensignale konditionierbar sind; wobei die erste Schnittstelle derart eingerichtet ist, dass damit eine externe Ansteuerung bereitgestellt ist und die zweite Schnittstelle derart eingerichtet ist, dass damit ein Senden und Empfangen von Mikrowellensignalen durchführbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektronische Anordnung zum Erzeugen und Auswerten von Mikrowellensignalen und Verfahren zum Betreiben einer solchen, insbesondere eine elektronische Anordnung zum Erzeugen und Auswerten von Mikrowellensignalen, welche es ermöglicht eine skalierbare und flexibel einsetzbare elektronische Anordnung platz- und kostensparend zu realisieren.
Ein System zum Erzeugen und Auswerten von Mikrowellensignalen im Basisband ist in [1] beschrieben. Die Funktionalität der dort beschriebenen Vorrichtung entspricht im Wesentlichen einer digitalen Einheitszelle in der elektronischen Anordnung, die in dieser Erfindung beschrieben ist. Das System enthält im Gegensatz zur hierin offenbarten elektronischen Anordnung jedoch weder ein separates Steuerungssystem noch ist die notwendige Hochfrequenzelektronik Bestandteil des Systems. Eine Erzeugung der Mikrowellensignale ist daher nur im Basisband, und nicht direkt mit der gewünschten Frequenz möglich. Für die in dieser Erfindung offenbarten elektronischen Anordnung wird daher für gängige Anwendungen, im Gegensatz zum System aus [1], keine weitere Elektronik mehr benötigt. Auch ein konkretes Skalierungskonzept fehlt in [1]. Das zusätzliche Steuerungssystem in der elektronischen Anordnung erlaubt unter anderem komplexere Abläufe, eine automatische Kalibration des Systems sowie ein autonomes Betreiben der elektronischen Anordnung. Durch das beschriebene Skalierungskonzept ist zudem die Erzeugung und Auswertung vieler Mikrowellensignale parallel möglich. Beides ist mit dem System aus [1] nicht möglich.
Die konventionellen Produkte OPX von Quantum Machines und QCCS von Zurich Instruments bieten die Erzeugung und Detektion von Mikrowellensignalen im Basisband an. Beide Geräte ermöglichen ebenfalls nur die Erzeugung und Auswertung von Mikrowellensignalen im Basisband, und sind aufgrund der fehlenden Hochfrequenzelektronik zur Umsetzung auf die gewünschte Frequenz von der hierin offenbarten elektronischen Anordnung zu unterscheiden.
Das konventionelle Quantum Engineering Toolkit der Firma Keysight umfasst ein modulares System bestehend aus Modulen zum Erzeugen von Mikrowellensignalen im Basisband, Modulen zum Auswerten selbiger, sowie Module zur Ansteuerung. Ferner kann mit mehreren separaten Geräten auch die Hochfrequenzelektronik abgebildet werden. Die fehlende Integration der benötigten Hochfrequenzelektronik erschwert jedoch die Skalierung des Systems, und ist daher von der hierin offenbarten elektronischen Anordnung zu unterscheiden. Ferner unterscheidet sich das Skalierungskonzept, da keine digitalen und analogen Einheitszellen existieren, die für eine effiziente Skalierbarkeit entscheidend sind. Die fehlende Integration der Module auf eine Plattform ist ein weiterer Unterschied, wodurch die Synchronisierung aufwändiger und die Latenz bei Informations- und Steuersignalaustausch zwischen den Modulen größer ist.
Im Stand der Technik existiert bisher keine elektronische Anordnung, die eine effiziente Skalierung ermöglicht. In allen existierenden Ansätzen, sofern überhaupt vorgesehen, müssen viele Einzelgeräte kombiniert und aufwendig synchronisiert werden. Dies hat einen hohen Platzbedarf und teure Systemkosten zur Folge, was wiederum die Skalierbarkeit einschränkt.
Somit ergibt sich die objektive technische Aufgabe eine elektronische Anordnung zum Erzeugen und Auswerten von Mikrowellensignalen bereitzustellen, welche es ermöglicht eine skalier- und flexibel einsetzbare elektronische Anordnung platz- und kostensparend zu realisieren.
Diese zuvor genannte objektiv technische Aufgabe wird mit der hierin offenbarten Vorrichtung gemäß dem Gegenstand des ersten unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Hierauf bezogene Neben- bzw. Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen bzw. Ausführungsformen wieder. Vorteilhafte Weiterbildungen, welche einzeln oder in beliebiger Kombination realisierbar sind, sind in den abhängigen Ansprüchen dargestellt.
Im Folgenden werden die Begriffe „aufweisen“, „umfassen“ oder „einschließen“ oder beliebige grammatikalische Abweichungen davon in nicht-ausschließlicher Weise verwendet. Dementsprechend können sich diese Begriffe sowohl auf Situationen beziehen, in welchen, neben den durch diese Begriffe eingeführten Merkmalen, keine weiteren Merkmale vorhanden sind, oder auf Situationen, in welchen ein oder mehrere weitere Merkmale vorhanden sind. Beispielsweise kann sich der Ausdruck „A weist B auf“, „A umfasst B“ oder „A schließt B ein“ sowohl auf die Situation beziehen, in welcher, abgesehen von B, kein weiteres Element in A vorhanden ist (d.h. auf eine Situation, in welcher A ausschließlich aus B besteht), als auch auf die Situation, in welcher, zusätzlich zu B, ein oder mehrere weitere Elemente in A vorhanden sind, beispielsweise Element C, Elemente C und D oder sogar weitere Elemente.
Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass die Begriffe „mindestens ein“ und „ein oder mehrere“ sowie grammatikalische Abwandlungen dieser Begriffe, wenn diese in Zusammenhang mit einem oder mehreren Elementen oder Merkmalen verwendet werden und ausdrücken sollen, dass das Element oder Merkmal einfach oder mehrfach vorgesehen sein kann, in der Regel lediglich einmalig verwendet werden, beispielsweise bei der erstmaligen Einführung des Merkmals oder Elementes. Bei einer nachfolgenden erneuten Erwähnung des Merkmals oder Elementes wird der entsprechende Begriff „mindestens ein“ oder „ein oder mehrere“ in der Regel nicht mehr verwendet, ohne Einschränkung der Möglichkeit, dass das Merkmal oder Element einfach oder mehrfach vorgesehen sein kann.
Weiterhin werden im Folgenden die Begriffe „vorzugsweise“, „insbesondere“, „beispielsweise (bspw.)“ oder ähnliche Begriffe in Verbindung mit optionalen Merkmalen verwendet, ohne dass alternative Ausführungsformen hierdurch beschränkt werden. So sind Merkmale, welche durch diese Begriffe eingeleitet werden, optionale Merkmale, und es ist nicht beabsichtigt, durch diese Merkmale den Schutzumfang der Ansprüche und insbesondere der unabhängigen Ansprüche einzuschränken. So kann die Erfindung, wie der Fachmann erkennen wird, auch unter Verwendung anderer Ausgestaltungen durchgeführt werden. In ähnlicher Weise werden Merkmale, welche durch „in einer Ausführungsform“ oder durch „in einer weiteren Ausführungsform“ eingeleitet werden, als optionale Merkmale verstanden, ohne dass hierdurch alternative Ausgestaltungen oder der Schutzumfang der unabhängigen Ansprüche eingeschränkt werden soll. Weiterhin sollen durch diese einleitenden Ausdrücke sämtliche Möglichkeiten, hierdurch eingeleitete Merkmale mit anderen Merkmalen zu kombinieren, seien es optionale oder nicht-optionale Merkmale, unangetastet bleiben.
In einer ersten Ausführungsform umfasst eine elektronische Anordnung zum Erzeugen und Auswerten von Mikrowellensignalen, die zumindest eine erste und eine zweite Schnittstelle aufweist, ein Steuerungssystem, eine digitale Einheitszelle, die jeweils zumindest eine erste und eine zweite Schnittstelle aufweisen und eine analoge Einheitszelle, die zumindest eine erste, eine zweite und eine dritte Schnittstelle aufweist. Außerdem umfasst das Steuerungssystem einen Applikationsprozessor, der derart eingerichtet ist, dass damit Ansteuermittel der elektronischen Anordnung bereitgestellt sind. Zudem weisen die Schnittstellen des Steuerungssystems zumindest jeweils eine Kopplung mit dem Applikationsprozessor auf und die erste Schnittstelle des Steuerungssystems weist zumindest eine Kopplung zu der ersten Schnittstelle der elektronischen Anordnung auf. Die digitale Einheitszelle umfasst einen Signalgenerator, ein Datenerfassungs- und -verarbeitungssystem und eine Ablaufsteuerung. Dabei ist der Signalgenerator derart eingerichtet, dass damit digitale Mikrowellensignale erzeugbar sind, das Datenerfassungs- und -verarbeitungssystem ist derart eingerichtet, dass damit digitale Mikrowellensignale verarbeitbar sind, und die Ablaufsteuerung ist derart eingerichtet, dass damit Abläufe innerhalb der digitalen Einheitszelle koordinierbar sind. Außerdem weist die Ablaufsteuerung jeweils zumindest eine Kopplung mit dem Signalgenerator und dem Datenerfassungs- und -verarbeitungssystem innerhalb der digitalen Einheitszelle auf. Darüber hinaus weist die erste Schnittstelle der digitalen Einheitszelle jeweils zumindest eine Kopplung mit dem Signalgenerator, dem Datenerfassungs- und -verarbeitungssystem und der Ablaufsteuerung auf. Zudem weist die zweite Schnittstelle der digitalen Einheitszelle jeweils zumindest eine Kopplung mit dem Signalgenerator und dem Datenerfassungs- und -verarbeitungssystem auf. Zusätzlich sind zumindest das Steuerungssystem und die digitale Einheitszelle auf einer Plattform integriert und die zweite Schnittstelle des Steuerungssystems weist mit der ersten Schnittstelle der digitalen Einheitszelle zumindest eine Kopplung auf. Die analoge Einheitszelle umfasst einen Digital-Analog-Wandler, einen Analog-Digital-Wandler und eine Hochfrequenzelektronik. Dabei ist der Digital-Analog-Wandler derart eingerichtet, dass damit digitale Mikrowellensignale in Mikrowellensignale wandelbar sind, der Analog-Digital-Wandler ist derart eingerichtet, dass damit Mikrowellensignale in digitale Mikrowellensignale wandelbar sind, und die Hochfrequenzelektronik ist derart eingerichtet, dass damit Mikrowellensignale konditionierbar sind. Außerdem weist die Hochfrequenzelektronik mit dem Digital-Analog-Wandler und dem Analog-Digital-Wandler jeweils zumindest eine Kopplung auf. Zudem weist die erste Schnittstelle der analogen Einheitszelle jeweils zumindest eine Kopplung mit dem Digital-Analog-Wandler und dem Analog-Digital-Wandler auf. Ferner weist die zweite Schnittstelle der analogen Einheitszelle zumindest eine Kopplung mit der Hochfrequenzelektronik auf. Überdies weist die zweite Schnittstelle der analogen Einheitszelle ferner zumindest eine Kopplung mit der zweiten Schnittstelle der elektronischen Anordnung auf und die dritte Schnittstelle der analogen Einheitszelle weist jeweils mit dem Digital-Analog-Wandler und dem Analog-Digital-Wandler zumindest eine Kopplung auf. Darüber hinaus weist die zweite Schnittstelle der digitalen Einheitszelle mit der ersten Schnittstelle der analogen Einheitszelle zumindest eine Kopplung auf und die zweite Schnittstelle des Steuerungssystems weist mit der dritten Schnittstelle der analogen Einheitszelle zumindest eine Kopplung auf. Überdies ist die erste Schnittstelle der elektronischen Anordnung derart eingerichtet, dass damit eine externe Ansteuerung der elektronischen Anordnung bereitgestellt ist, und die zweite Schnittstelle der elektronischen Anordnung ist derart eingerichtet, dass damit ein Senden und Empfangen von Mikrowellensignalen durchführbar ist.
Diese elektronische Anordnung zum Erzeugen und Auswerten von Mikrowellensignalen ermöglicht es eine skalierbare sowie flexibel einsetzbare elektronische Anordnung platz- und kostensparend zu realisieren, da zumindest das Steuerungssystem und die digitale Einheitszelle auf einer Plattform integriert sind. Die analoge Einheitszelle kann ebenfalls teilweise oder vollständig integriert sein, aber auch separat ausgeführt werden. Sie ermöglicht es darüber hinaus die ausgegebenen Mikrowellensignale direkt mit der gewünschten Frequenz zu erzeugen. Das Steuerungssystem ermöglicht den autonomen Betrieb der elektronischen Anordnung und kann auch eine Mehrzahl von digitalen oder analogen Einheitszellen ansteuern, wie in einer späteren Ausführungsform dargestellt ist. Durch die Aufteilung in Einheitszellen wird insbesondere die Skalierbarkeit ermöglicht, ohne für jeden weiteren Mikrowellenausgang eine eigene elektronische Anordnung zu benötigen.
In einer weiteren, zweiten Ausführungsform weist die dritte Schnittstelle der analogen Einheitszelle ferner zumindest eine Kopplung mit der Hochfrequenzelektronik auf.
Durch die zusätzliche Verbindung mit der dritten Schnittstelle der analogen Einheitszelle wird eine Kopplung der Hochfrequenzelektronik mit dem Steuerungssystem erreicht. Diese Kopplung ermöglicht eine Konfiguration der Hochfrequenzelektronik, falls dies erforderlich ist, durch das Steuerungssystem und folglich dem Anwender.
In einer weiteren, dritten Ausführungsform weist das Steuerungssystem ferner einen Echtzeitprozessor auf. Zudem ist der Echtzeitprozessor derart eingerichtet, dass damit deterministische Ansteuermittel der digitalen Einheitszelle bereitgestellt sind. Außerdem weist der Applikationsprozessor mit dem Echtzeitprozessor zumindest eine Kopplung auf. Überdies weist die zweite Schnittstelle des Steuerungssystems zumindest eine Kopplung zum Echtzeitprozessor auf.
Der Echtzeitprozessor ermöglicht eine zeit-deterministische Ansteuerung der Plattform über die zweite Schnittstelle des Steuerungssystems. Diese deterministische Ansteuerung ist erforderlich, um reproduzierbare Messabläufe ohne eine zufällige Zeitdifferenz in den Ansteuerungsbefehlen zu erreichen. Durch die Kopplung mit dem Applikationsprozessor lässt sich der Echtzeitprozessor konfigurieren und Daten sowie Steuersignale können ausgetauscht werden.
In einer weiteren, vierten Ausführungsform weist die elektronische Anordnung ferner zumindest eine dritte Schnittstelle auf, die derart eingerichtet ist, dass damit eine Ein- und Ausgabe von digitalen Signalen zur und von der elektronischen Anordnung bereitgestellt ist. Außerdem umfasst die digitale Einheitszelle ferner ein digitales Triggermodul, das derart eingerichtet ist, dass damit die digitalen Signale erzeug- und auswertbar sind, und das mit der Ablaufsteuerung innerhalb der digitalen Einheitszelle zumindest eine Kopplung aufweist. Darüber hinaus weist die digitale Einheitszelle zumindest eine dritte Schnittstelle auf, die jeweils zumindest mit dem digitalen Triggermodul und mit der dritten Schnittstelle der elektronischen Anordnung zumindest eine Kopplung aufweist.
Durch die Anbindung der externen Schnittstelle und des Triggermoduls können von außen kommende digitale Signale ausgewertet und zur Ablaufsteuerung weitergegeben werden. Dies ermöglicht beispielsweise einen externen, zeitnahen Eingriff in die Ablaufsteuerung, wie ein Start oder Stopp des Ablaufs durch andere Geräte oder eine bedingte Verzweigung im Ablauf abhängig von einem Auslösesignal. Gleichzeitig können auch digitale Signale erzeugt und nach außen ausgegeben werden, beispielsweise um den Start von anderen Geräten auszulösen oder deren Ablauf zu beeinflussen. Dies ermöglicht auch eine einfache Form der Synchronisation mehrerer elektronischer Anordnungen.
In einer weiteren, fünften Ausführungsform basierend auf der vorhergehenden, vierten Ausführungsform weist die erste Schnittstelle der digitalen Einheitszelle zumindest eine Kopplung zum digitalen Triggermodul auf.
Durch die zusätzliche Verbindung mit der ersten Schnittstelle der digitalen Einheitszelle wird eine Kopplung des Triggermoduls mit dem Steuerungssystem erreicht. Diese Kopplung ermöglicht eine Konfiguration und manuelle Ansteuerung des Triggermoduls, falls dies erforderlich ist, durch das Steuerungssystem und folglich dem Anwender.
In einer weiteren, sechsten Ausführungsform weist die digitale Einheitszelle zumindest zwei Signalgeneratoren auf, wobei jeder der Signalgeneratoren zumindest eine Kopplung mit der Ablaufsteuerung innerhalb der digitalen Einheitszelle aufweist. Überdies weisen die erste und die zweite Schnittstelle der digitalen Einheitszelle jeweils zumindest eine Kopplung zu den Signalgeneratoren auf.
Durch die Erhöhung der Anzahl der Signalgeneratoren kann durch eine Ablaufsteuerung die synchrone Erzeugung mehrerer digitaler Mikrowellensignale ausgelöst werden. Dies ermöglicht es folglich, mehrere unabhängige Mikrowellensignale aus der Anordnung auszugeben. Auch ein deterministischer Zeitversatz zwischen mehreren digitalen Mikrowellensignalen ist möglich. Beispielsweise können so zwei oder mehr digitale Mikrowellensignale bei unterschiedlichen Frequenzen parallel erzeugt und ausgegeben werden.
In einer weiteren, siebten Ausführungsform sind zumindest zwei digitale Einheitszellen und die gleiche Anzahl analoger Einheitszellen vorgesehen. Außerdem bilden jeweils eine digitale Einheitszelle und eine analoge Einheitszelle genau ein Paar und innerhalb der Paare weist die zweite Schnittstelle der digitalen Einheitszelle mit der ersten Schnittstelle der analogen Einheitszelle zumindest eine Kopplung auf. Überdies weist die erste Schnittstelle der digitalen Einheitszellen jeweils mit der zweiten Schnittstelle des Steuerungssystems zumindest eine Kopplung auf. Darüber hinaus weist jeweils die zweite Schnittstelle der analogen Einheitszellen mit der zweiten Schnittstelle der elektronischen Anordnung zumindest eine Kopplung auf.
Durch die Duplizierung der analogen und digitalen Einheitszelle wird eine Skalierung des Systems ermöglicht, sodass viele Mikrowellensignale parallel erzeugt und ausgewertet werden können. Die Bildung von Paaren stellt hierbei sicher, dass alle in der digitalen Einheitszelle erzeugten digitalen Mikrowellensignale jeweils individuell in Mikrowellensignale umgewandelt und ausgegeben werden. Ebenso werden die in den analogen Einheitszellen aufgenommenen Mikrowellensignalen von genau einer digitalen Einheitszelle ausgewertet.
In einer weiteren, achten Ausführungsform basierend auf einer der ersten sechs beschriebenen Ausführungsformen sind zumindest zwei digitale Einheitszellen, zumindest eine analoge Einheitszelle sowie ferner ein Verbindungsmodul vorgesehen. Das Verbindungsmodul ist auf der Plattform integriert. Außerdem weist die erste Schnittstelle der digitalen Einheitszellen jeweils mit der zweiten Schnittstelle des Steuerungssystems zumindest eine Kopplung auf. Überdies weist jeweils die zweite Schnittstelle der analogen Einheitszellen mit der zweiten Schnittstelle der elektronischen Anordnung zumindest eine Kopplung auf. Darüber hinaus weist das Verbindungsmodul zumindest eine erste, eine zweite und eine dritte Schnittstelle auf, wobei die erste Schnittstelle des Verbindungsmoduls jeweils mit der zweiten Schnittstelle der digitalen Einheitszellen zumindest eine Kopplung aufweist und die zweite Schnittstelle des Verbindungsmoduls jeweils mit der ersten Schnittstelle der analogen Einheitszellen zumindest eine Kopplung aufweist. Die dritte Schnittstelle des Verbindungsmoduls weist mit der zweiten Schnittstelle des Steuerungssystems zumindest eine Kopplung auf. Ferner ist mit dem Verbindungsmodul eine konfigurierbare Zuordnung zwischen den zweiten Schnittstellen der digitalen Einheitszellen und den ersten Schnittstellen der analogen Einheitszellen bereitgestellt.
Im Gegensatz zur siebten Ausführungsform ist bei der achten Ausführungsform nicht notwendigerweise eine Eins-zu-Eins-Zuordnung zwischen analoger und digitaler Einheitszelle vorgesehen. Vielmehr ermöglicht das zusätzliche Verbindungsmodul eine flexible Zuordnung von analogen mit digitalen Einheitszellen. Die digitalen Mikrowellensignale jeder analogen Einheitszelle werden dabei an eine oder mehrere zugeordnete digitale Einheitszellen weitergegeben. Werden mehrere digitale Einheitszellen mit einer analogen Einheitszelle verbunden, so ermöglicht das Verbindungsmodul die Vereinigung der digitalen Mikrowellensignale der digitalen Einheitszellen zu einem einzigen oder mehreren digitalen Mikrowellensignalen. Dies kann beispielsweise durch eine punktweise Addition und gegebenenfalls eine Anpassung an den möglichen Wertebereich realisiert sein. Über die dritte Schnittstelle des Verbindungsmoduls kann diese Zuordnung konfiguriert und gegebenenfalls flexibel angepasst werden. Dadurch kann eine Messung mit unterschiedlichen Frequenzen und im Frequenzmultiplexverfahren erfolgen.
In einer weiteren, neunten Ausführungsform basierend auf der siebten oder achten Ausführungsform weisen ferner die ersten Schnittstellen der digitalen Einheitszellen untereinander jeweils zumindest eine Kopplung auf, die jeweils derart eingerichtet ist, dass damit ein Informationsaustausch zwischen den digitalen Einheitszellen bereitgestellt ist.
Dieser Informationsaustausch kann beispielsweise eine gegenseitige Ansteuerung, eine gegenseitige Konfiguration oder den Austausch von Informationen über ausgewertete Mikrowellensignale umfassen. Hierbei können alle digitalen Einheitszellen bis auf einen etwaigen Informationsaustausch unabhängig voneinander parallel ablaufen. Alternativ kann eine der digitalen Einheitszellen als Koordinator agieren und die übergeordnete Ansteuerung der anderen übernehmen.
In einer weiteren, zehnten Ausführungsform basierend auf der vorhergehenden Ausführungsform sind die Kopplungen zwischen den ersten Schnittstellen der digitalen Einheitszellen und der zweiten Schnittstelle des Steuerungssystems derart eingerichtet, dass damit ferner eine Synchronisierung zumindest zwischen den digitalen Einheitszellen bereitgestellt ist. Optional kann die Synchronisierung ferner auch die analogen Einheitszellen und/oder das Steuerungssystems sowie Teile hiervon umfassen.
Durch die Synchronisierung wird erreicht, dass durch das Steuerungssystem Konfigurationen und Befehle in allen synchronisierten Einheiten (digitale Einheitszellen, analoge Einheitszellen und/oder das Steuerungssystem sowie Teile hiervon) zu einem gleichen, definierten Zeitpunkt ausgeführt werden können. Somit kann gewährleistet werden, dass Mikrowellensignale verschiedener Einheiten zeitlich synchronisiert erzeug- und verarbeitbar sind.
In einer ersten Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum Erzeugen und Auswerten von Mikrowellensignalen folgende Verfahrensschritte:

a. Zuerst Bereitstellen einer elektronischen Anordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen elektronischer Anordnungen;
b. Dann Konfigurieren der elektronischen Anordnung über ihre erste Schnittstelle. Dabei umfasst das Konfigurieren das Bereitstellen eines zuvor bestimmbaren Ablaufs in der Ablaufsteuerung, zumindest je einer zuvor bestimmbare Amplitude und Phase der Mikrowellensignale in Abhängigkeit von der Zeit im Signalgenerator und zumindest ein zuvor bestimmbares Empfangsintervall und zumindest eine zuvor bestimmbare Auswertefunktion des Datenerfassungs- und -verarbeitungssystems;
c. Danach Starten der Ablaufsteuerung in der digitalen Einheitszelle über die erste Schnittstelle der elektronischen Anordnung;
d. Anschließend Erzeugen der Mikrowellensignale innerhalb des Signalgenerators gemäß dem Ablauf in der Ablaufsteuerung.
e. Als nächstes Synthetisieren und Konditionieren der Mikrowellensignale in der analogen Einheitszelle;
f. Im folgenden Schritt Senden der Mikrowellensignale über die zweite Schnittstelle der elektronischen Anordnung;
g. Im Anschluss Empfangen von externen Mikrowellensignalen über die zweite Schnittstelle der elektronischen Anordnung;
h. Im nächsten Schritt Konditionieren und Digitalisieren der zuvor empfangenen Mikrowellensignale in der analogen Einheitszelle; und
i. Darauffolgend Verarbeiten und Aufzeichnen der zuvor digitalisierten Mikrowellensignale innerhalb des Datenerfassungs- und -verarbeitungssystems.

Das Verfahren ermöglicht die Erzeugung und Auswertung von Mikrowellensignalen mit der elektronischen Anordnung in einer der vorhergehenden Ausführungsformen. Durch das Ausführen aller Schritte innerhalb der elektronischen Anordnung kann dies unabhängig von einem externen Kontrollgerät ablaufen, was externe Abhängigkeiten verringert und damit die Reproduzierbarkeit erhöht sowie potentielle Fehlerquellen reduziert.
In einer weiteren, zweiten Ausführungsform eines Verfahrens zum Erzeugen und Auswerten von Mikrowellensignalen umfasst das Verfahren ferner folgende Verfahrensschritte:

a. Zuerst Bereitstellen einer elektronischen Anordnung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen elektronischer Anordnungen;
b. Anschließend Bereitstellen zumindest eines Ablaufschemas mit zuvor bestimmbaren Ablaufsteuerbefehlen und Ablaufparametern zum Generieren und Anwenden von Konfigurationen für die elektronische Anordnung;
c. Dann Übertragen des Ablaufschemas mittels der ersten Schnittstelle auf das Steuerungssystem;
d. Danach Ausführen des Ablaufschemas durch den Applikations- oder Echtzeitprozessor;
e. Im folgenden Schritt Starten der Ablaufsteuerung in der digitalen Einheitszelle durch den Applikations- oder Echtzeitprozessor;
f. Im nächsten Schritt Durchführen der Verfahrensschritte d. bis i. gemäß der vorhergehenden ersten Ausführungsform und
g. dann Abfragen und Verarbeiten der im vorhergehenden Verfahrensschritt i. gemäß der vorhergehenden Ausführungsform aufgezeichneten Daten auf dem Steuerungssystem.

Durch das Einbeziehen des Applikations- oder Echtzeitprozessors können komplexere Abläufe realisiert werden. Insbesondere ist eine Rekonfiguration der elektronischen Anordnung zwischen Einzelabläufen und eine weiterführende Verarbeitung der aufgezeichneten Daten mit dem vollen Funktionsumfang, den diese Prozessoren bieten, möglich. Das Ablaufschema kann hierbei in Form eines Algorithmus bzw. einer Software realisiert sein, die auf dem jeweiligen Prozessor ausgeführt wird. Beispiele für Ablaufschema sind Frequenzdurchläufe, bei denen eine Messung mit unterschiedlichen Ausgabefrequenzen wiederholt wird, oder die Variation einer in der Ablaufsteuerung hinterlegten Pulssequenz, beispielsweise hinsichtlich Pulslängen und Pulsabständen, über mehrere Wiederholungen. Die Datenauswertung reicht hierbei von der Berechnung einer Fourier-Transformation, über die Auswertung statistischer Momente bis hin zu einer simplen Akkumulation von Einzelergebnissen, ggf. mit Bildung eines Mittelwerts. Weiterhin kann durch das Ablaufschema auch die Konfiguration der analogen Einheitszelle oder der Hochfrequenzelektronik erfolgen. Dies ermöglicht eine komplexe Kalibrierung der Signalkonditionierung bspw. mit iterativen Verfahren zur Anpassung der Pegel und Verzögerungen.
In einer weiteren, dritten Ausführungsform eines Verfahrens zum Erzeugen und Auswerten von Mikrowellensignalen basierend auf einer der beiden vorhergehenden Ausführungsformen hängt zumindest ein Teil der erzeugten Mikrowellensignale von einem Teilergebnis der verarbeiteten digitalisierten Mikrowellensignale innerhalb des Datenerfassungs- und -verarbeitungssystems ab. Dabei umfasst dieses Verfahren ferner folgende Verfahrensschritte:

a. Zuerst Durchführen der Verfahrensschritte a. bis i. gemäß der ersten Ausführungsform des Verfahrens zum Erzeugen und Auswerten von Mikrowellensignalen oder der Verfahrensschritte a. bis f. gemäß der zweiten Ausführungsform des Verfahrens zum Erzeugen und Auswerten von Mikrowellensignalen, wobei der Ablauf ferner zumindest eine Verzweigung aufweist, die zumindest zwei verschiedene Unterabläufe bereitstellt.
b. Dann Weitergeben von zumindest einem Teilergebnis des Datenerfassungs- und -verarbeitungssystems an die Ablaufsteuerung;
c. Danach Auswählen einer der Unterabläufe der Verzweigung basierend auf dem Teilergebnis; und
d. Anschließend Durchführen der Verfahrensschritte d. bis i. gemäß der ersten Ausführungsform des Verfahrens zum Erzeugen und Auswerten von Mikrowellensignalen und für jede zusätzliche Verzweigung im Ablauf ferner jeweils die Verfahrensschritte b. bis d..

Dieses Verfahren ermöglicht es, das Ergebnis der gemessenen und verarbeiteten Mikrowellensignale innerhalb des Ablaufschemas zu verwenden und auf Basis dieser Ergebnisse Entscheidungen zu treffen, die das Ablaufschema ändern. Dadurch ist es möglich auf gemessene Signale in Echtzeit zu reagieren, und somit eine davon abhängige Ausgabe zu erzeugen.
In einer weiteren, vierten Ausführungsform eines Verfahrens zum Erzeugen und Auswerten von Mikrowellensignalen basierend auf einer der beiden zuvor beschriebenen Ausführungsformen des Verfahrens zum Erzeugen und Auswerten von Mikrowellensignalen umfasst das Verfahren ferner folgende Verfahrensschritte:

a. Zuerst Bereitstellen der elektronischen Anordnung gemäß der zehnten Ausführungsform einer elektronischen Anordnung,
b. Dann Konfigurieren der elektronischen Anordnung gemäß dem Verfahrensschritt b. der ersten Ausführungsform eines Verfahrens zum Erzeugen und Auswerten von Mikrowellensignalen oder gemäß den Verfahrensschritten b. bis d. der zweiten Ausführungsform eines Verfahrens zum Erzeugen und Auswerten von Mikrowellensignalen,
c. Danach synchrones Starten der Ablaufsteuerungen über die zweite Schnittstelle des Steuerungssystems, und
d. Anschließend Durchführen der Verfahrensschritte:
1. i) d. bis i. gemäß der ersten Ausführungsform des Verfahrens zum Erzeugen und Auswerten von Mikrowellensignalen,
2. ii) f. bis g. gemäß der zweiten Ausführungsform des Verfahrens zum Erzeugen und Auswerten von Mikrowellensignalen oder
3. iii) d. bis i. gemäß der ersten Ausführungsform des Verfahrens zum Erzeugen und Auswerten von Mikrowellensignalen zusammen mit den Verfahrensschritten b. bis d. gemäß der dritten Ausführungsform des Verfahrens zum Erzeugen und Auswerten von Mikrowellensignalen.

Dieses Verfahren ermöglicht ein synchrones Starten aller digitaler Einheitszellen der elektronischen Anordnung, sodass mehrere Mikrowellensignale zeitgleich oder in fester zeitlicher Relation erzeugt, ausgegeben, und aufgezeichnet werden können. Damit ist eine Nutzung der skalierbaren elektronischen Anordnung gegeben.
In einer weiteren, fünften Ausführungsform eines Verfahrens zum Erzeugen und Auswerten von Mikrowellensignalen gemäß der vierten Ausführungsform des Verfahrens zum Erzeugen und Auswerten von Mikrowellensignalen, wobei zumindest ein Teil der erzeugten Mikrowellensignale von Teilergebnissen innerhalb der Datenerfassungs- und -verarbeitungssysteme abhängt, umfasst das Verfahren ferner:

a. Zuerst Durchführen der Verfahrensschritte a. bis d. gemäß der vierten Ausführungsform des Verfahrens zum Erzeugen und Auswerten von Mikrowellensignalen, wobei der Ablauf von zumindest einer Ablaufsteuerung ferner zumindest eine Verzweigung aufweist, die zumindest zwei verschiedene Unterabläufe bereitstellt;
b. Dann Weitergeben von zumindest einem Teilergebnis der Datenerfassungs- und -verarbeitungssysteme an zumindest eine Ablaufsteuerung der anderen digitalen Einheitszellen,
c. Danach Auswählen einer der Unterabläufe der Verzweigung basierend auf dem Teilergebnis, und
d. Anschließend Durchführen des Verfahrensschritts d. gemäß der vierten Ausführungsform des Verfahrens zum Erzeugen und Auswerten von Mikrowellensignalen und für jede zusätzliche Verzweigung im Ablauf ferner jeweils die Verfahrensschritte b. bis d..

Dieses Verfahren ermöglicht es, das Ergebnis der gemessenen und verarbeiteten Mikrowellensignale einer digitalen Einheitszelle innerhalb des Ablaufschemas einer anderen digitalen Einheitszelle zu verwenden und auf Basis dieser Ergebnisse Entscheidungen zu treffen, die das Ablaufschema ändern. Dadurch ist es möglich in einer skalierten Form auf gemessene Signale in Echtzeit zu reagieren, und somit eine davon abhängige Ausgabe zu erzeugen.
Die hierin beschriebenen Ausführungsformen elektronischer Anordnungen sind beispielsweise verwendbar für das Ansteuern und Auslesen von supraleitenden Quantenschaltkreisen; das Auslesen von supraleitenden Sensoren und Detektoren; das Generieren von gepulsten Mikrowellensignalen; das Ansteuern und Auslesen von NV-Zentren in Diamanten; die Kernspin-Tomographie und in der Kernspin-Spektrographie.
Jede dieser Verwendungszwecke bedarf des Einsatzes von Mikrowellensignalen, die extern erzeugt und auch wieder ausgewertet werden müssen. Bis auf wenige Ausnahmen ist für diese Anwendungsgebiete überwiegend Labor-Elektronik im Einsatz, die nicht speziell für diese Anwendung konzipiert wurde. Hierunter fallen insbesondere Arbiträr-Funktionsgeneratoren (arbitrary waveform generators, AWGs) zur Erzeugung von Basisbandsignalen im Megahertz-Bereich und Digitalisierer (digitizer) zur Aufzeichnung der von den Systemen zurückkehrenden Mikrowellensignalen. Dieser Aufbau birgt einige Nachteile. So verbrauchen diese Geräte viel Platz, sind vergleichsweise teuer, weniger energieeffizient und benötigen einen separaten Kontroll-PC, der die Geräte konfiguriert und auch während der Experimente ansteuert. Die verschiedenen Funktionen des Aufbaus, insbesondere die Erzeugung, Aufnahme und Kontrolle, sind hierbei auf mehrere Geräte räumlich verteilt. Im Gegensatz dazu erlauben es die hierin beschriebenen Ausführungsformen elektronischer Anordnungen, die Funktionalität der kompletten Ansteuerelektronik in ein System zu integrieren und damit die komplette Signalverarbeitungskette abzudecken. Gleichzeitig werden auch komplexe Online-Verarbeitungsschritte ermöglicht, sodass die aufgezeichneten Mikrowellensignale direkt verarbeitet und die gewünschte Information extrahiert werden kann.
Hierin sind unter dem Begriff „Mikrowellensignale“ elektromagnetische Wellen und analoge, zeitvariante Spannungen im Frequenzbereich von 1 MHz bis 300 GHz zu verstehen.
Hierin sind unter dem Begriff „digitale Mikrowellensignale“ wert- und zeitdiskrete digitale Wertefolgen im Frequenzbereich von 1 MHz bis 300 GHz zu verstehen.
Hierin ist unter dem Begriff „Kopplung“ eine Verbindung von mindestens zwei Komponenten zum Austausch von Informationen zu verstehen. Hierzu gehören insbesondere Daten, Steuersignale, Konfigurationssignale, Synchronisationssignale und Mikrowellensignale.
Der Begriff der Kopplung fokussiert auf die eigentliche Funktion des Informationsaustausches und abstrahiert von der konkreten technischen Realisierung und den damit verbundenen Eigenschaften. Je nach Anwendung sind unterschiedliche Anforderungen von der Kopplung zu erfüllen. Hierzu zählen u.a. Datendurchsatz, Latenz, Entfernung, Umgebungsbedingungen und Störanfälligkeit. Daher wird die Kopplung innerhalb eines Chips mit anderen Verfahren realisiert (bspw. AXI4, AXI-Stream) als eine Kopplung auf einer Leiterplatte (bspw. JESD204b, I2C, SPI, LVDS, PCIe, AXI-C2C). Einige dieser Verfahren kommen auch für die Kommunikation zwischen mehreren Leiterplatten zum Einsatz. Eine Kopplung über größere Entfernungen ist über Verfahren aus der Netzwerktechnik möglich. Zudem sind auch drahtlose Kopplungen (bspw. IEEE 802.11, IEEE 802.4b) möglich. Neben den zuvor genannten Beispielen digitaler Signale können Kopplungen auch analoge Signale übertragen (bspw. analoge Mikrowellensignale auf einer Koaxialleitung) . Kopplungen können direkt oder indirekt sein. Bei einer direkten Kopplung sind die Komponenten direkt miteinander verbunden. Bei einer indirekten Kopplung ist mindestens eine weitere, die Information verarbeitende Komponente dazwischengeschaltet. Indirekte Kopplungen umfassen Verbindungen in denen die übertragene Information zwischen den gekoppelten Entitäten zumindest einmal durch eine kopplungsspezifische Komponente modifiziert oder ergänzt wird. Dies umfasst eine Spannungsänderung oder ein Konditionieren bei elektrischen Signalen, hierzu zählen aktive Elemente wie Spannungsübersetzer, Verstärker und passive Elemente wie Dämpfungsglieder und Filter; eine Änderung des Übertragungsmediums, hierzu zählen Antennen, Hohlleiter; ein Hinzufügen von Informationen, die zur Übertragung notwendig sind (ITU-T X.200), hierzu zählt beispielsweise TCP/IP over Ethernet.
Hierin ist unter dem Begriff „Schnittstelle“ eine Verbindungsstelle der zugehörigen Komponente zu verstehen, die Ausgangs- oder Endpunkt mindestens einer Kopplung ist. Eine Schnittstelle umfasst physikalische und logische Anschlüsse. Dazu zählen bspw. Pins an integrierten Schaltungen, Pins an einem Stecker oder logische Grenzen eines Funktionsblocks.
Hierin ist unter dem Begriff „Plattform“ die Integration der umfassenden Komponenten auf zumindest einer der folgenden Technologien zu verstehen: einer gemeinsamen Leiterplatte (PCB), einem Field Programmable Gate Array (FPGA), einem anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC) oder einer vergleichbaren Technologie, die ebenfalls eine deterministische, echtzeitfähige Kopplung und Synchronisierung der umfassenden Komponenten ermöglicht.
Beispielsweise kann dies mit einem Xilinx Zynq UltraScale+, Zynq UltraScale+ RFSoC, Xilinx Versal oder Intel Stratix 10 realisiert werden. Diese müssen ggf. mit den später erwähnten Digital-Analog- und Analog-Digital-Wandlern kombiniert werden.
Hierin ist unter dem Begriff „Steuerungssystem“ ein System zu verstehen, welches die Beeinflussung des Verhaltens der verbundenen Komponenten ermöglicht. Gleichzeitig können dort auch weitere Aufgaben bearbeitet werden, die nicht notwendigerweise eine direkte Auswirkung auf die verbundenen Komponenten haben, beispielsweise die Durchführung von Berechnungen oder das Abrufen, Verarbeiten und Ausgeben bzw. Abspeichern von Daten der Komponenten.
Hierin ist unter dem Begriff „Konfiguration der elektronischen Anordnung“ oder einem sinngleichen Begriff (wie bspw. konfigurieren) die Konfiguration einer oder mehrerer Komponenten der elektronischen Anordnung durch das Steuerungssystem über dessen zweite Schnittstelle, sowie innerhalb des Steuerungssystems, zu verstehen.
Hierin ist unter dem Begriff „Applikationsprozessor“ ein frei programmierbares Rechenwerk zu verstehen. Dies ist eine Vorrichtung oder eine elektronische Schaltung, die gemäß übergebenen Befehlen andere Vorrichtungen oder elektrische Schaltungen steuert und dabei einen Algorithmus (Prozess) ausführt, der meist Datenverarbeitung beinhaltet. Neben durch den Nutzer definierbare Algorithmen, die beispielsweise aufgenommene Mikrowellensignale weiterverarbeiten oder die Konfiguration der elektronischen Anordnung während des Betriebs anpassen können, existiert zumindest ein bereits vorhandener Algorithmus, der die Kommunikation mit der elektronischen Anordnung von extern, beispielsweise über eine Ethernet-Verbindung, ermöglicht. Dieser Algorithmus umfasst einerseits Möglichkeiten zur Konfiguration der elektronischen Anordnung, andererseits ermöglicht er die Übertragung von Daten nach extern und das Empfangen und Weitergeben von Steuersignalen an die elektronische Anordnung. In diesem Algorithmus können auch weitere Funktionalitäten eines Treibers integriert sein. Beispielsweise kann dies das Umwandeln von Konfigurationswerten, die in einem Format mit nutzerfreundlicher Bedeutung übermittelt wurden, in für die elektronische Anordnung angepasste Größen umfassen.
Beispielsweise kann dieser Algorithmus zur Kommunikation existierende Übertragungsprotokolle verwenden, was eine einfache Anbindung durch den externen Nutzer ermöglicht. Dies umfasst Protokolle basierend auf Remote Procedure Calls, wie gRPC, zerorpc oder rpclib, ebenso wie allgemeinere Protokolle basierend beispielsweise auf ZeroMQ, TCP oder einer RESTful API.
Die Funktionalität des Applikationsprozessors kann beispielsweise auf einem vierkernigen Arm Cortex-A53 realisiert werden.
Hierin ist unter dem Begriff „Echtzeitprozessor“ ein frei programmierbares Rechenwerk zu verstehen. Dies ist eine Vorrichtung oder eine elektronische Schaltung, die gemäß übergebenen Befehlen andere Vorrichtungen oder elektrische Schaltungen steuert und dabei einen Algorithmus (Prozess) ausführt. Ferner werden quantitative Echtzeitanforderungen erfüllt. Das bedeutet, dass ein Ergebnis innerhalb eines vorher fest definierten Zeitintervalls garantiert berechnet ist, also vor einer bestimmten Zeitschranke vorliegt, sodass eine unmittelbare Steuerung und Abwicklung von Prozessen möglich ist. Auf dem Prozessor wird zumindest ein Algorithmus ausgeführt, im Folgenden „Taskrunner“ genannt, der den Datenaustausch und die Steuerung durch den Applikationsprozessor ermöglicht. Hiermit können Algorithmen auf den Echtzeitprozessor geladen werden, wodurch dieser konfiguriert ist. Die Algorithmen erlauben die deterministische und echtzeitfähige Ansteuerung und Konfiguration der elektronischen Anordnung, insbesondere der digitalen Einheitszelle, zur Laufzeit.
In einer Ausführungsform enthält der Applikationsprozessor darüber hinaus einen Compiler, der Quellcode für den Echtzeitprozessor entgegennimmt, und diesen in einen Algorithmus für den Echtzeitprozessor umwandelt, der anschließend auf diesen geladen werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform enthält der Taskrunner darüber hinaus Funktionen, die eine Interaktion des geladenen Algorithmus mit dem Taskrunner ermöglichen. Beispielsweise kann dies das Übertragen von Datenpaketen während der Laufzeit, das Mitteilen eines Ausführungsfortschritts und das Rückmelden von Fehlermeldungen umfassen.
Die Kommunikation zwischen dem Applikations- und dem Echtzeitprozessor kann über Interprozesskommunikation (IPC) erfolgen. Dies wird beispielsweise durch das Xilinx Open Asymmetrie Multi Processing (OpenAMP) Framework mittels der RPMsg API ermöglicht oder anderen Systemen basierend auf geteiltem Speicher und Inter-Prozessor-Interrupts(IPI), oder einem gemeinsamen Bus-System.
Die Funktionalität des Echtzeitprozessors kann beispielsweise auf einem zweikernigen Arm Cortex-R5 Echtzeitprozessor realisiert werden.
Hierin ist unter dem Begriff „IP-Core“ (von englisch „intellectual property core“) ein vorgefertigter Funktionsblock eines Chipdesigns (im Sinne von Bauplänen) in der Halbleiterindustrie zu verstehen. Je nach Anwendungsfall können die IP-Cores dabei beispielsweise als Bestandteil in einem ASIC gefertigt, oder als Bestandteil einer Konfiguration in einen FPGA oder andere programmierbare logische Schaltungen geladen werden. Ein IP-Core umfasst den Quellcode in Hardware-Beschreibungssprache (z.B. VHDL, Verilog) oder eine übersetzte Form des Quellcodes (Netzliste) des Funktionsblocks.
Hierin ist unter dem Begriff „digitale Einheitszelle“ ein IP-Core zu verstehen, der digitale Mikrowellensignale erzeugen und auswerten kann. Die digitale Einheitszelle ist aus weiteren verbundenen IP-Cores aufgebaut, sodass diese eine abgeschlossene, replizierbare, konfigurierbare, funktionale Einheit bilden.
Hierin ist unter dem Begriff „Signalgenerator“ ein IP-Core zu verstehen, der das Erzeugen vordefinierter digitaler Mikrowellensignale durch Anlegen von Steuersignalen ermöglicht. Insbesondere umfasst dies die Erzeugung von zeitlich begrenzten digitalen Mikrowellenpulsen.
In einer Ausführungsform des Signalgenerators können eine oder mehrere digitale Mikrowellensignale in einem integrierten Speicher hinterlegt und durch Steuersignale erzeugt werden.
In einer weiteren Ausführungsform des Signalgenerators können eine oder mehrere digitale Einhüllende in einem integrierten Speicher hinterlegt werden. Zusätzlich können weitere Eigenschaften des zu erzeugenden digitalen Mikrowellensignals hinterlegt werden, beispielsweise Frequenz, Amplitude, Phase und Pulslänge. Durch ein Steuersignal wird anhand der hinterlegten Einhüllenden und Eigenschaften ein entsprechendes digitales Mikrowellensignal erzeugt. Beispielsweise definiert das Steuersignal anhand eines Index die Position in einem Kommandospeicher, in welchem die Einhüllende sowie die weiteren Eigenschaften des zu erzeugenden digitalen Mikrowellensignals durch externe Konfiguration hinterlegt werden können.
In einer weiteren Ausführungsform des Signalgenerators, basierend auf der vorherigen Ausführungsform, werden die Eigenschaften des zu erzeugenden digitalen Mikrowellensignals zumindest teilweise zusammen mit dem Steuersignal an den Signalgenerator weitergegeben. Beispielsweise kann so die Länge oder Amplitude eines ausgegebenen Pulses durch die Ablaufsteuerung variiert werden, indem neben dem Steuersignal zum Auslösen des Pulses auch die entsprechende Größe mit übermittelt wird.
In einer weiteren Ausführungsform des Signalgenerators, basierend auf einer der vorherigen Ausführungsformen, enthält der IP-Core weiter einen konfigurierbaren Filterblock, mit welchem die erzeugten digitalen Mikrowellensignale weiter konditioniert werden können. Beispielsweise sind so unerwünschte lineare oder nichtlineare Beeinflussungen des Signals in der weiteren Signalkette korrigierbar.
In einer weiteren Ausführungsform des Signalgenerators, basierend auf einer der vorherigen Ausführungsformen, existiert eine Option, um den letztdefinierten Wert der Einhüllenden bis zum Erzeugen eines neuen Mikrowellensignals zu halten oder die Einhüllende wiederholt auszugeben. Dies ermöglicht insbesondere die Erzeugung von kontinuierlichen digitalen Mikrowellensignalen.
In einer weiteren Ausführungsform des Signalgenerators, basierend auf einer der vorherigen Ausführungsformen, werden zwei digitale Mikrowellensignale erzeugt, die als Quadratur- und Inphasen-Komponenten [2, S. 1182] für die Verwendung mit einem IQ-Mischer in der Hochfrequenzelektronik geeignet sind.
Hierin ist unter dem Begriff „Datenerfassungs- und -verarbeitungssystem“, im Folgenden auch DAQ-System genannt, ein IP-Core zu verstehen, der eine Eingabe, Speicherung und Auswertung von einem oder mehreren digitalen Mikrowellensignalen erlaubt. Dies kann sowohl kontinuierlich als auch ausgelöst durch Steuersignale erfolgen.
In einer Ausführungsform des DAQ-Systems werden die eingegebenen digitalen Mikrowellensignale einer definierten Länge, dem Empfangsintervall, in einem integrierten Speicher abgelegt. Dies erfolgt zeitfolgerichtig und gegebenenfalls einschließlich Zeitstempel.
In einer weiteren Ausführungsform des DAQ-Systems werden die digitalen Mikrowellensignale durch einen Filter konditioniert und anschließend abgespeichert. Mögliche Filter sind beispielsweise eine Summation, eine Unterabtastung, ein Digital Down Converter (DDC), ein Rolling-Mean-Filter, ein Filter mit endlicher Impulsantwort (FIR-Filter), ein Filter mit unendlicher Impulsantwort (IIR-Filter), ein Cascaded-Integrator-Comb-Filter (CIC-Filter), eine lineare Transformation oder eine Hauptkomponentenanalyse. Mehrere Filter können auch kombiniert werden. Oftmals wird durch die Filter eine Signalverarbeitung und/oder eine Reduktion der Datenrate angestrebt.
In einer weiteren Ausführungsform des DAQ-Systems, basierend auf der vorhergehenden Ausführungsform, enthält dieses ferner einen Klassifikator. Dieser unterteilt die möglichen Ergebnisse nach der Filterung in zumindest zwei Klassen, und gibt diese Information aus. Mögliche Klassifikatoren sind beispielsweise ein Schwellwert, ein linearer Diskriminator, ein Abstands-Klassifikator, ein künstliches neuronales Netz oder ein Clusterverfahren.
In einer weiteren Ausführungsform des DAQ-Systems, basierend auf einer der zwei vorhergehenden Ausführungsformen, ist die Aufnahme und Weiterverarbeitung kontinuierlich betreibbar, sodass in definierbaren Zeitabständen ein Ergebnis vorliegt und abgespeichert wird.
In einer weiteren Ausführungsform des DAQ-Systems, basierend auf einem der vorhergehenden Ausführungsformen, beinhaltet der IP-Core ferner einen rekonfigurierbaren Logikblock, der durch den Nutzer konfiguriert werden kann, um benutzerdefinierte Datenverarbeitung zu ermöglichen. Der Logikblock verfügt über eine Schnittstelle, über die aufgenommene und/oder ausgewertete Daten des DAQ-Systems eingegeben werden, sowie über eine zweite Schnittstelle, über die ein definiertes Abspeichern der weiter verarbeiteten Daten innerhalb des DAQ-Systems ermöglicht wird.
Hierin ist unter dem Begriff „Ablaufsteuerung“ ein IP-Core zu verstehen, der eine programmierbare, schrittweise ablaufende Steuerung der verbundenen Komponenten realisiert. Dieser definierbare Ablauf erfolgt zwangsläufig und deterministisch.
In einer Ausführungsform der Ablaufsteuerung sind Steuersignale an die verbundenen Komponenten für jeden Schritt, sowie die Wartezeit zwischen konsekutiven Schritten definierbar. Die auszuführenden Steuersignale und Wartezeiten werden über einen Befehlssatz definiert.
In einer weiteren Ausführungsform der Ablaufsteuerung, basierend auf der vorhergehenden Ausführungsform, existiert ferner ein Befehl zum Warten auf eine definierbare Eingabegröße, beispielsweise ein von einer verbundenen Komponente übermittelter Wert. Optional kann dieser Befehl eine maximale Wartezeit beinhalten, nach der mit dem nächsten Schritt fortgefahren wird. Insbesondere ermöglicht dies eine einfache Form der Synchronisierung mehrerer Module, sowie die Synchronisierung mit einem externen Gerät über das digitale Triggermodul.
In einer weiteren Ausführungsform der Ablaufsteuerung, basierend auf einer der vorhergehenden Ausführungsformen, existiert zumindest eine interne Zustandsvariable (im Folgenden Register genannt). Diese kann von außen gesetzt und ausgelesen werden. Ferner existiert zumindest ein Befehl zum Erzeugen von Steuersignalen, dessen Wartezeit sich aus dem Wert eines auswählbaren Registers ergibt.
In einer weiteren Ausführungsform der Ablaufsteuerung, basierend auf der vorhergehenden Ausführungsform, existiert zumindest ein Befehl zum Setzen und ein Befehl zur Manipulation eines auswählbaren Registers. Letzteres kann beispielsweise eine Addition oder Subtraktion mit einem definierbaren Wert sein. Zum Setzen des Registerwerts kann entweder ein fester Wert definiert oder eine Eingabegröße, beispielsweise ein von einer verbundenen Komponente übermittelter Wert, ausgewählt werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Ablaufsteuerung, basierend auf einer der vorhergehenden Ausführungsformen, existiert ein Befehl (im Folgenden BRA genannt) zum bedingten Verzweigen einer Befehlssequenz. Basierend auf einer Eingabegröße, beispielsweise dem Wert eines auswählbaren Registers, wird zur Ausführungszeit von BRA entschieden, ob mit dem nächsten Schritt fortgefahren oder zu einem anderen, definierbaren Befehl gesprungen werden soll. Insbesondere sind damit auch bedingungslose Sprünge zu anderen Befehlen im Ablauf sowie Schleifen und Wenn-Sonst-Anweisungen realisierbar.
In einer weiteren Ausführungsform der Ablaufsteuerung, basierend auf der vorhergehenden Ausführungsform, kann die Eingabegröße von BRA (oder eines äquivalenten separaten Befehls) auch ein auswählbarer, von einer verbundenen Komponente übermittelter Wert sein. Dies ermöglicht die Reaktion auf externe Einflüsse, beispielsweise auf durch das digitale Triggermodul empfangene Signale oder Ergebnisse aus dem Datenerfassungs- und -verarbeitungssystem. Dies kann auch für schnelle Rückkopplungsschleifen verwendet werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Ablaufsteuerung, basierend auf einer der vorhergehenden Ausführungsformen, existiert ferner ein Befehl zum Markieren des Endes einer Ablaufsequenz (im Folgenden END genannt). Mehrere Sequenzen können, separiert durch END, aneinandergereiht werden. Beim Starten der Ablaufsteuerung ist der erste Befehl wählbar, ab dem die Befehle schrittweise ausgeführt werden, bis ein END Befehl die Ausführung beendet.
In einer weiteren Ausführungsform der Ablaufsteuerung, basierend auf einer der vorhergehenden Ausführungsformen, ermöglicht die Ablaufsteuerung die Repetition einer Ablaufsequenz für eine definierbare Anzahl an Wiederholungen. Beispielsweise können auf diese Weise viele gleichartige Einzelmessungen durchgeführt und auf der Hardware kombiniert werden, etwa um eine Mittelung durchzuführen.
In einer weiteren Ausführungsform der Ablaufsteuerung, basierend auf einer der vorhergehenden Ausführungsformen, existiert ferner zumindest ein Konfigurationsbefehl, mit dem Konfigurationssignale zum Senden an die verbundenen Komponenten definierbar sind.
In einer weiteren Ausführungsform der Ablaufsteuerung, basierend auf einer der vorhergehenden Ausführungsformen, existieren ferner Befehle zum Informations- und Datenaustausch zwischen mehreren Ablaufsteuerungen. Dies kann beispielsweise den Austausch von Registerwerten, von Eingabegrößen und von Ergebnissen anderer verbundener Module, die Weitergabe eines globalen Zeitwerts sowie ein Synchronisierungssignal umfassen. Auch der Austausch von Konfigurationen kann möglich sein.
Hierin ist unter dem Begriff „Digitales Triggermodul“ ein IP-Core zu verstehen, der die Aufnahme und Auswertung sowie Erzeugung von zumindest je einem digitalen Signal von und für externe Systeme ermöglicht. Das Erzeugen von digitalen Signalen wird hierbei durch Anlegen von Steuersignalen ausgelöst. Auch kontinuierliche, durch Steuersignale umschaltbare Signale sind hierbei erzeugbar.
In einer Ausführungsform des digitalen Triggermoduls existieren fest definierte digitale Ausgangssignale, die über Steuersignale ausgewählt und ausgegeben werden können. Digitale Signale werden aufgenommen und unmittelbar für verbundene Komponenten bereitgestellt. Dies kann beispielsweise auch das Steuersignal zum Starten einer verbundenen Komponente, wie der Ablaufsteuerung oder einem Signalgenerator, realisieren.
In einer weiteren Ausführungsform des digitalen Triggermoduls, basierend auf der vorhergehenden Ausführungsform, sind die digitalen Ausgangssignale von außen konfigurierbar. Hierzu zählt insbesondere die Auswahl der Signale und deren Dauer.
In einer weiteren Ausführungsform des digitalen Triggermoduls, basierend auf einer der vorhergehenden Ausführungsformen, sind logische Operationen zwischen mehreren Signalen und andere Auswertefunktionen vorhanden, deren Ergebnis für verbundene Komponenten bereitgestellt wird. Falls mehrere Signale existieren kann die Bereitstellung eines einzelnen digitalen Signals beispielsweise durch Aggregation mehrerer Eingangssignale mit einer logischen Oder-Verknüpfung erfolgen. Die möglichen Operationen können entweder bereits vordefiniert und konfigurierbar sein, oder durch einen rekonfigurierbaren Logikblock, der durch den Nutzer konfiguriert werden kann, benutzerdefiniert festgelegt werden.
Hierin ist unter dem Begriff „Verbindungsmodul“ ein IP-Core zur Vermittlung und Durchschaltung von digitalen Mikrowellensignalen, sowie der Vereinigung selbiger mittels Rechenoperationen (z.B. Addition) zu verstehen. Dies erfolgt hierbei getrennt in beide Richtungen.
In einer Ausführungsform des Verbindungsmoduls existiert eine festgelegte Eins-zu-Eins-Zuordnung von eingehenden zu ausgehenden digitalen Mikrowellensignalen.
In einer weiteren Ausführungsform des Verbindungsmoduls werden in eine Richtung mehrere eingehende digitale Mikrowellensignale auf ein ausgehendes digitales Mikrowellensignal vereint. Diese Vereinigung kann beispielsweise durch eine punktweise Addition der eingehenden Signale erfolgen sowie eine anschließende Anpassung des summierten Signals an den Wertebereich der ausgehenden digitalen Mikrowellensignale. In die andere Richtung wird ein eingehendes digitales Mikrowellensignal auf mehrere ausgehende digitale Mikrowellensignale durchgeschaltet. Dies kann beispielsweise durch die Duplizierung des eingehenden Signals zur Erzeugung aller ausgehenden Signale erfolgen.
In einer weiteren Ausführungsform des Verbindungsmoduls sind mehrere der vorhergehenden Ausführungsformen kombiniert. Insbesondere können auch Gruppen von Signalen zu jeweils einzelnen Signalen in die eine Richtung vereinigt, und in die andere Richtung einzelne Signale zu der jeweiligen Gruppe durchgeschaltet werden. Parallel können auch weitere Signale mit einer Eins-zu-Eins-Anordnung verbunden sein.
In einer weiteren Ausführungsform des Verbindungsmoduls, basierend auf der vorhergehenden Ausführungsform, ist die Durchschaltung und Vereinigung der Mikrowellensignale durch den Nutzer konfigurierbar.
Hierin ist unter dem Begriff „konfigurierbare Zuordnung“ die Konfiguration der Durchschaltung und die Auswahl der verwendeten Rechenoperationen in der Vereinigung im Verbindungsmodul zu verstehen (s.o. bei den Erklärungen zum Verbindungsmodul).
Hierin ist unter dem Begriff „analoge Einheitszelle“ eine Schaltung zu verstehen, die digitale Mikrowellensignale und Mikrowellensignale ineinander überführt. Die analoge Einheitszelle ist aus weiteren verbundenen Schaltungen aufgebaut, sodass diese eine abgeschlossene, replizierbare, konfigurierbare, funktionale Einheit bilden. Auch mehrere analoge Einheitszellen können zu einer solchen Einheit zusammengefasst sein.
Hierin ist unter dem Begriff „Digital-Analog-Wandler“, im Folgenden auch „DAC“ genannt, eine Schaltung zu verstehen, die insbesondere zumindest einen Digital-Analog-Umsetzer umfasst. „[Dieser] liefert an seinem Ausgang eine wert- und zeitdiskrete treppenförmige Ausgangsspannung [U_a(t_µ)]“ [2, S. 991], die aus einer zeit- und wertdiskreten Zahlenfolge Y_a(t_µ) gewandelt wird. Es werden im allgemeinen verschiedene Digital-Analog-Umsetzertypen verwendet, einige hiervon sind beschrieben in [2]. Die Schaltung kann mehrere Kanäle 1 bis N aufweisen und wandelt eine Schar an digitalen Zahlenfolgen Y_a,n(t_µ) in eine Schar an Ausgangsspannungen U_a,n (t_µ) um. Der Index n beschreibt hierbei die Nummer des Kanals und kann alle natürlichen Zahlen zwischen 1 und der Anzahl Kanäle N annehmen.
Die Anforderungen für die Digital-Analog-Umsetzer resultieren aus der verwendeten Mikrowellenfrequenz, Bandbreite und Hochfrequenzelektronik. Falls in der Hochfrequenzelektronik ein heterodynes IQ-Mischverfahren verwendet wird, kann für eine Bandbreite des Mikrowellensignals von beispielsweise 1 GHz ein DAC mit zumindest 1 GHz Abtastrate und mindestens zwei Kanälen verwendet werden. Hierzu zählen beispielsweise die folgenden Wandler: Texas Instruments DAC39J84, Analog Devices AD9144 und die DACs der Xilinx Zynq Ultrascale+ RFSoC Familie. Für ein heterodynes Ein-Seitenband-Mischverfahren oder konventionelles Mischverfahren wird für beispielsweise 1 GHz Bandbreite ein Digital-Analog-Wandler mit mindestens einem Kanal und 2 GHz Abtastfrequenz benötigt. Hierzu zählen beispielsweise die folgenden Wandler: Analog Devices LTC-2000-14, AD9135 und die DACs der Xilinx Zynq Ultrascale+ RFSoC Familie. Statt einer Frequenzumsetzung kann in der Hochfrequenzelektronik mittels Filterung der Wandler in höheren Nyquistzonen verwendet werden (d.h. in der zweiten, dritten oder noch höheren Nyquistzone) . So kann bspw. mit den vorher genannten Wandlern die Synthese der Signale direkt im Hochfrequenzband erfolgen. Alternativ können Umsetzer mit sehr hoher Abtastfrequenz verwendet werden, die das benötigte Frequenzband mit der ersten Nyquistzone abdecken. Hierzu zählen die DACs der Xilinx Zynq Ultrascale+ RFSoC Familie, der Analog Devices AD9174, und der Texas Instruments DAC38RF89.
Für eine Integration auf einem ASIC können als Umsetzertechnologien der so genannte Current-Steering DAC oder Flash DAC verwendet werden, um die benötigten Geschwindigkeiten zu erreichen.
Hierin ist unter dem Begriff „Analog-Digital-Wandler“, im Folgenden auch „ADC“ genannt, eine Schaltung zu verstehen, die insbesondere aus zumindest einem Abtasthalteglied gefolgt von einem Analog-Digital-Umsetzer besteht. „Das Abtasthalteglied entnimmt aus einer Eingangsspannung U_e (t) in den Abtastaugenblicken t_µ die Spannungen U_e(t_µ) und hält sie jeweils für den Abtastzeitraum konstant. [...] Der Analog-Digital-Umsetzer wandelt die zeitdiskrete Spannungsfolge U_e(t_µ) in eine zeit- und wertdiskrete Zahlenfolge X(t_µ) um.“ [2, S. 991]. Es werden im Allgemeinen verschiedene Analog-Digital-Umsetzertypen verwendet, einige hiervon sind beschrieben in [2]. Die Schaltung kann mehrere Kanäle 1 bis N aufweisen und wandelt eine Schar an Eingangsspannungen, U_e,n (t) in eine Schar an digitalen Zahlenfolgen X_e,n(t_µ) um. Der Index n beschreibt hierbei die Nummer des Kanals und kann alle natürlichen Zahlen zwischen 1 und der Anzahl Kanäle N annehmen.
Die Anforderungen für die Analog-Digital-Umsetzer resultieren aus der verwendeten Mikrowellenfrequenz, Bandbreite und Hochfrequenzelektronik. Falls in der Hochfrequenzelektronik ein heterodynes IQ-Mischverfahren verwendet wird, kann für eine Bandbreite des Mikrowellensignals von 1 GHz ein ADC mit zumindest 1 GHz Abtastrate und mindestens zwei Kanälen verwendet werden. Hierzu zählen beispielsweise die folgenden Wandler: Texas Instruments ADS54J60, Analog Devices AD9680 und die ADCs der Xilinx Zynq Ultrascale+ RFSoC Familie. Für ein heterodynes Ein-Seitenband-Mischverfahren oder konventionelles Mischverfahren wird für 1 GHz Bandbreite ein ADC mit mindestens einem Kanal und 2 GHz Abtastfrequenz benötigt. Hierzu zählen beispielsweise die folgenden Wandler: Analog Devices AD9625, Texas Instruments ADC10D1000 und die ADCs der Xilinx Zynq Ultrascale+ RFSoC Familie. Statt einer Frequenzumsetzung kann in der Hochfrequenzelektronik mittels Filterung der Wandler in höheren Nyquistzonen verwendet werden (d.h. in der zweiten, dritten oder noch höheren Nyquistzone). So kann bspw. mit den vorher genannten Wandlern die Digitalisierung der Signale direkt vom Hochfrequenzband erfolgen. Alternativ können Umsetzer mit sehr hoher Abtastfrequenz verwendet werden, die das benötigte Frequenzband mit der ersten Nyquistzone abdecken. Hierzu zählt der Umsetzer Analog Devices AD9213.
Für eine Integration auf einem ASIC können als Umsetzertechnologien der so genannte Pipelined-ADC oder Flash ADC verwendet werden um die benötigten Geschwindigkeiten zu erreichen.
Hierin ist unter dem Begriff „Hochfrequenzelektronik“ eine Schaltung zu verstehen, die Mikrowellensignale konditioniert. Unter Konditionieren ist hierin die Veränderung und Anpassung von Mikrowellensignalen zum Erreichen gewünschter Signaleigenschaften zu verstehen. Dies kann insbesondere auch eine Frequenzumsetzung umfassen. Die Schaltung kann sowohl aus passiven als auch aus aktiven Bauelementen bestehen. Sofern der Anwendungsfall dies erfordert ist eine Abbildung des Frequenzbereichs zumindest eines Eingangssignals im Basisband (f_B) in die Hochfrequenzebene möglich (f_HF). Durch eine Umkehrung der Reihenfolge der Signalflusskette ist auch das Basisbandsignal (f_B) aus dem Hochfrequenzsignal (f_HF) rückgewinnbar. Neben den Komponenten zur Frequenzumsetzung (beispielsweise Ein-Seitenband-Mischer, multiplizierende Mischer, IQ-Mischer und Bandpassfilter) sind je nach Anforderungen auch weitere Komponenten Bestandteil der Hochfrequenzelektronik. Dies umfasst Komponenten zur Pegelanpassung (beispielsweise Verstärker und Dämpfungsglieder), Komponenten zur Erzeugung von Hilfsfrequenzen (beispielsweise Lokaloszillatoren, PLLs und Referenzoszillatoren), Komponenten für Monitoring und Selbsttest (beispielsweise Koppler, Pilotsignalgeneratoren und Signaldetektoren), Komponenten zur Frequenzselektion (beispielsweise Basisbandfilter, Antialiasingfilter, Zwischenfrequenzfilter und Hochfrequenzfilter) sowie Komponenten zur Sicherstellung der elektromagnetischen Verträglichkeit (beispielsweise Abschirmungen, Bezugsleitersysteme, Wellenleitersysteme, sowie eine rückwirkungsfreie Energieversorgung und Leiterkarte).
In einer Ausführungsform der Hochfrequenzelektronik wird der zur Zeitdiskretisierung erforderliche Abtastvorgang eines ADCs bzw. eines DACss zur Umsetzung zwischen Basisbandfrequenz (f_B) und Hochfrequenz (f_HF) genutzt. Dies wird auch als direktes RF-Sampling-Verfahren bezeichnet. Im Ausgangssignal des Abtasters entsteht hierbei ein mit der Abtastfrequenz f_SAMPLE=1/t_µ periodisch repetierendes Signalspektrum (Nyquistzonen). Durch Verwendung geeigneter Bandpässe und Unterabtastung kann eine höhere Nyquistzone rekonstruiert werden. Dadurch wird die Basisbandfrequenz f_B auf ein Mehrfaches der Abtastfrequenz umgesetzt.
In einer weiteren Ausführungsform der Hochfrequenzelektronik wird ein multiplizierender Mischer zur Frequenzumsetzung verwendet. In diesem entstehen immer die Summen- und Differenzfrequenz der Eingangsfrequenzen (f_B und f_HF). Sofern Signale außerhalb des gewünschten Frequenzbereichs die Anwendung beeinflusst, kann die gewünschte Frequenz durch ein nachgeschaltetes Bandpassfilter gewonnen werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Hochfrequenzelektronik wird ein IQ-Mischer zur Frequenzumsetzung verwendet. Dieser erzeugt bei entsprechender Ansteuerung nur die Summenfrequenz (oberes Seitenband) oder nur die Differenzfrequenz (unteres Seitenband) aus den Eingangssignalen (f_B und f_HF) und verfügt daher inhärent über eine gute Spiegelfrequenzunterdrückung. Im Vergleich zum multiplizierenden Mischer sind aufwendige Filter zur Spiegelfrequenzselektion hier nicht notwendig.
In einer weiteren Ausführungsform der Hochfrequenzelektronik wird die Frequenzumsetzung durch eine Kombination aus IQ-Mischer und multiplizierenden Mischern realisiert (auch mehrstufige Mischung genannt). Hierbei wird der IQ-Mischer auf einer relativ niedrigen Zwischenfrequenz f_ZF betrieben und das Ausgangssignal in einem oder in einer Kette aus mehreren multiplizierenden Mischern auf die Hochfrequenzebene f_HF umgesetzt. Wird die Zwischenfrequenz f_ZF ausreichend hoch gewählt, so kann die Spiegelfrequenzselektion des multiplizierenden Mischers durch Bandpassfilterung relativ einfach realisiert werden. Auch erfordert eine gute Spiegelfrequenzunterdrückung bei IQ-Mischern identische Amplituden- und Phasenfrequenzgänge im I- und Q-Pfad, was mit steigender Frequenz zunehmend kritisch zu realisieren ist. Zusätzlich degeneriert mit steigender Frequenz das unerwünschte Übersprechen zwischen den Toren eines IQ-Mischers. Durch den Betrieb bei einer vergleichsweise niedrigen Zwischenfrequenz f_ZF lassen sich diese Probleme minimieren.
In einer weiteren Ausführungsform der Hochfrequenzelektronik ist der Frequenzbereich der Eingangssignale mit dem Zielfrequenzbereich identisch (so genanntes Direct-Sampling). Durch geeignete Filter können Störsignale und höhere Nyquistzonen aus dem Mikrowellensignal herausgefiltert werden.
In einer weiteren Ausführungsform können in der Hochfrequenzelektronik Mikrowellensignale oder Teile davon zurückgeführt werden. Dies erlaubt es, Störeinflüsse der Konditionierung und gegebenenfalls der Frequenzumsetzung der Mikrowellensignale in der Hochfrequenzelektronik selbst oder in der digitalen Einheitszelle zu korrigieren. Beispielsweise kann ein interferometrischer Aufbau verwendet werden, bei dem ein erzeugtes Mikrowellensignal in der Hochfrequenzelektronik in zwei Zweige aufgespalten wird. Ein Zweig verlässt die elektronische Anordnung bevor das zugehörige eingehende Mikrowellensignal die Hochfrequenzelektronik in Rückrichtung durchläuft und digitalisiert wird. Der andere Zweig durchläuft, ohne die elektronische Anordnung zu verlassen, direkt die Rückrichtung der Hochfrequenzelektronik und wird ebenfalls digitalisiert. Im Datenerfassungs- und -verarbeitungssystem können beide Signale dann miteinander interferiert, verglichen oder korreliert werden, um die Beeinflussung des Mikrowellensignals von außerhalb der elektronischen Anordnung zu erhalten. Da Störeinflüsse durch die Hochfrequenzelektronik in beiden Signalen gleichermaßen vorhanden sind, haben diese auf das ausgewertete Ergebnis keinen Einfluss mehr.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels, insbesondere in Verbindung mit den abhängigen Ansprüchen. Hierbei können die jeweiligen Merkmale für sich alleine oder zu mehreren in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele bzw. -formen beschränkt.
Die Ausführungsbeispiele bzw. Ausführungsformen sind schematisch in den nachfolgenden Figuren dargestellt. Hierbei bezeichnen gleiche Bezugsziffern in den Figuren gleiche oder funktionsgleiche Elemente bzw. hinsichtlich ihrer Funktionen einander entsprechende Elemente.
Zur Veranschaulichung und ohne einschränkende Wirkung ergeben sich weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung aus der Beschreibung der beigefügten Zeichnungen. Darin zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektronischen Anordnung zum Erzeugen und Auswerten von Mikrowellensignalen;
2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektronischen Anordnung zum Erzeugen und Auswerten von Mikrowellensignalen;
3 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektronischen Anordnung zum Erzeugen und Auswerten von Mikrowellensignalen;
4 eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektronischen Anordnung zum Erzeugen und Auswerten von Mikrowellensignalen;
5 eine schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektronischen Anordnung zum Erzeugen und Auswerten von Mikrowellensignalen;
6 eine schematische Darstellung einer sechsten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektronischen Anordnung zum Erzeugen und Auswerten von Mikrowellensignalen;
7 eine schematische Darstellung einer siebten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektronischen Anordnung zum Erzeugen und Auswerten von Mikrowellensignalen;
8 eine schematische Darstellung einer achten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektronischen Anordnung zum Erzeugen und Auswerten von Mikrowellensignalen;
9 eine schematische Darstellung eines ersten Verfahrens gemäß Anspruch 11 auf der elektronischen Anordnung.
10 eine schematische Darstellung eines zweiten Verfahrens gemäß Anspruch 12 auf der elektronischen Anordnung.
11 eine schematische Darstellung eines dritten, vierten und fünften Verfahrens gemäß Anspruch 13, 14 und 15 auf der elektronischen Anordnung.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektronischen Anordnung zum Erzeugen und Auswerten von Mikrowellensignalen 100.
Dabei umfasst die erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektronischen Anordnung zum Erzeugen und Auswerten von Mikrowellensignalen 100 zumindest ein Steuerungssystem 110, mindestens eine digitale Einheitszelle 120 und mindestens eine analoge Einheitszelle 130. Ferner weist die elektronische Anordnung 100 zumindest eine erste Schnittstelle 100.1 und eine zweite Schnittstelle 100.2 auf.
Das Steuerungssystem 110 umfasst einen Applikationsprozessor 111 und weist zumindest eine erste Schnittstelle 110.1 und zumindest eine zweite Schnittstelle 110.2 auf. Die Schnittstellen 110.1 und 110.2 weisen jeweils zumindest eine Kopplung mit dem Applikationsprozessor 111 auf und die erste Schnittstelle 110.1 des Steuerungssystems 110 weist zumindest eine Kopplung zu der ersten Schnittstelle 100.1 der elektronischen Anordnung 100 auf. Die digitale Einheitszelle 120 weist eine erste und eine zweite Schnittstelle 120.1 und 120.2 auf und umfasst einen Signalgenerator 121, ein Datenerfassungs- und -verarbeitungssystem 122, und eine Ablaufsteuerung 123, wobei die Ablaufsteuerung 123 jeweils mit dem Signalgenerator 121 und dem Datenerfassungs- und -verarbeitungssystem 122 innerhalb der digitalen Einheitszelle 120 gekoppelt ist. Ferner ist die erste Schnittstelle 120.1 der digitalen Einheitszelle 120 jeweils mit dem Signalgenerator 121, dem Datenerfassungs- und -verarbeitungssystem 122 und der Ablaufsteuerung 123 gekoppelt, und die zweite Schnittstelle 120.2 der digitalen Einheitszelle 120 ist jeweils mit dem Signalgenerator 121 und dem Datenerfassungs- und verarbeitungssystem 122 gekoppelt. Die zweite Schnittstelle 110.2 des Steuerungssystem 110 ist mit der ersten Schnittstelle 120.1 der digitalen Einheitszelle 120 gekoppelt. Dabei sind das Steuerungssystem 110 und die digitale Einheitszelle 120 auf einer Plattform 105 integriert. Die analoge Einheitszelle 130 weist eine erste, eine zweite und eine dritte Schnittstelle 130.1, 130.2, und 130.3 auf und umfasst einen Digital-Analog-Wandler 131, einen Analog-Digital-Wandler 132, und eine Hochfrequenzelektronik 133, wobei die Hochfrequenzelektronik 133 jeweils separat mit dem Digital-Analog-Wandler 131 und dem Analog-Digital-Wandler 132 gekoppelt ist, die erste Schnittstelle 130.1 der analogen Einheitszelle 130 jeweils mit dem Digital-Analog-Wandler 131 und dem Analog-Digital-Wandler 132 gekoppelt ist und die zweite Schnittstelle 130.2 der analogen Einheitszelle 130 jeweils separat mit der Hochfrequenzelektronik 133 und der zweiten Schnittstelle 100.2 der elektronischen Anordnung 100 gekoppelt ist. Die zweite Schnittstelle 120.2 der digitalen Einheitszelle 120 ist mit der ersten Schnittstelle 130.1 der analogen Einheitszelle 130 gekoppelt und die zweite Schnittstelle 110.2 des Steuerungssystems 110 ist mit der dritten Schnittstelle 130.3 der analogen Einheitszelle 130 gekoppelt, die wiederum jeweils mit dem Digital-Analog-Wandler 131 und dem Analog-Digital-Wandler 132 gekoppelt ist.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektronischen Anordnung zum Erzeugen und Auswerten von Mikrowellensignalen 200.
Dabei basiert die zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektronischen Anordnung zum Erzeugen und Auswerten von Mikrowellensignalen 200 auf der ersten Ausführungsform 100, wobei die dritte Schnittstelle 130.3 der analogen Einheitszelle 130 ferner zumindest eine Kopplung mit der Hochfrequenzelektronik 133 aufweist.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektronischen Anordnung zum Erzeugen und Auswerten von Mikrowellensignalen 300.
Dabei basiert die dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektronischen Anordnung zum Erzeugen und Auswerten von Mikrowellensignalen 300 auf der zweiten Ausführungsform 200, wobei das Steuerungssystem 110 ferner einen Echtzeitprozessor 301 aufweist. Der Applikationsprozessor 111 weist mit dem Echtzeitprozessor 301 zumindest eine Kopplung auf, und die zweite Schnittstelle 110.2 des Steuerungssystems 110 weist zumindest eine Kopplung zum Echtzeitprozessor 301 auf.
4 zeigt eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektronischen Anordnung zum Erzeugen und Auswerten von Mikrowellensignalen 400.
Dabei basiert die vierte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektronischen Anordnung zum Erzeugen und Auswerten von Mikrowellensignalen 400 auf der dritten Ausführungsform 300, und weist ferner zumindest eine dritte Schnittstelle 400.1 auf. Zusätzlich umfasst die digitale Einheitszelle 120 ferner ein digitales Triggermodul 401, welches mit der Ablaufsteuerung 123 innerhalb der digitalen Einheitszelle 120 zumindest eine Kopplung aufweist. Die digitale Einheitszelle 120 weist zumindest eine dritte Schnittstelle 120 auf, die jeweils zumindest mit dem digitalen Triggermodul 401 und mit der dritten Schnittstelle 400.1 der elektronischen Anordnung 400 zumindest eine Kopplung aufweist.
5 zeigt eine schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektronischen Anordnung zum Erzeugen und Auswerten von Mikrowellensignalen 500.
Dabei basiert die fünfte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektronischen Anordnung zum Erzeugen und Auswerten von Mikrowellensignalen 500 auf der vierten Ausführungsform 400, wobei die erste Schnittstelle 120.1 der digitalen Einheitszelle 120 zumindest eine Kopplung zum digitalen Triggermodul 401 aufweist.
6 zeigt eine schematische Darstellung einer sechsten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektronischen Anordnung zum Erzeugen und Auswerten von Mikrowellensignalen 600.
Dabei basiert die sechste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektronischen Anordnung zum Erzeugen und Auswerten von Mikrowellensignalen 600 auf der fünften Ausführungsform 500, wobei die digitale Einheitszelle 120 zumindest zwei Signalgeneratoren 121a, 121b aufweist. Jeder der Signalgeneratoren weist zumindest eine Kopplung mit der Ablaufsteuerung 123 innerhalb der digitalen Einheitszelle 120 auf, und die erste und die zweite Schnittstelle 120.1, 120.2 der digitalen Einheitszelle 120 weisen jeweils zumindest eine Kopplung zu den Signalgeneratoren 121a, 121b auf.
7 zeigt eine schematische Darstellung einer siebten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektronischen Anordnung zum Erzeugen und Auswerten von Mikrowellensignalen 700.
Dabei basiert die siebte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektronischen Anordnung zum Erzeugen und Auswerten von Mikrowellensignalen 700 auf einer der ersten sechs Ausführungsformen 100, 200, 300, 400, 500 oder 600, und weist ferner zumindest zwei digitale Einheitszellen 120a, 120b und die gleiche Anzahl analoger Einheitszellen 130a, 130b auf. Jeweils eine digitale Einheitszelle 120a, 120b und eine analoge Einheitszelle 130a, 130b bilden genau ein Paar 701 und innerhalb der Paare 701 weist die zweite Schnittstelle 120.2 der digitalen Einheitszelle 120a, 120b mit der ersten Schnittstelle 130.1 der analogen Einheitszelle 130a, 130b zumindest eine Kopplung auf. Die erste Schnittstelle 120.1 der digitalen Einheitszellen 120a, 120b weisen jeweils mit der zweiten Schnittstelle 110.2 des Steuerungssystems 110 zumindest eine Kopplung auf, und die zweite Schnittstelle 130.2 der analogen Einheitszellen 130a, 130b weist jeweils mit der zweiten Schnittstelle 100.2 der elektronischen Anordnung 700 zumindest eine Kopplung auf.
8 zeigt eine schematische Darstellung einer achten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektronischen Anordnung zum Erzeugen und Auswerten von Mikrowellensignalen 800.
Dabei basiert die achte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektronischen Anordnung zum Erzeugen und Auswerten von Mikrowellensignalen 800 auf einer der ersten sechs Ausführungsformen 100, 200, 300, 400, 500 oder 600, und weist zumindest zwei digitale Einheitszellen 120a, 120b und zumindest eine analoge Einheitszelle 130a, 130b, hier beispielhaft mit jeweils zwei Einheitszellen dargestellt, auf. Ferner ist ein Verbindungsmodul 801 auf der Plattform 105 integriert. Die erste Schnittstelle 120.1 der digitalen Einheitszellen 120a, 120b weisen jeweils mit der zweiten Schnittstelle 110.2 des Steuerungssystems 110 zumindest eine Kopplung auf. Die zweite Schnittstelle 130.2 der analogen Einheitszellen 130a, 130b weist jeweils mit der zweiten Schnittstelle 100.2 der elektronischen Anordnung 800 zumindest eine Kopplung auf. Das Verbindungsmodul 801 weist zumindest eine erste, eine zweite und eine dritte Schnittstelle 801.1, 801.2, 801.3 auf. Die erste Schnittstelle 801.1 des Verbindungsmoduls 801 weist jeweils mit der zweiten Schnittstelle 120.2 der digitalen Einheitszellen 120a, 120b zumindest eine Kopplung auf. Die zweite Schnittstelle 801.2 des Verbindungsmoduls 801 weist jeweils mit der ersten Schnittstelle 130.1 der analogen Einheitszellen 130a, 130b zumindest eine Kopplung auf. Die dritte Schnittstelle 801.3 des Verbindungsmoduls 801 weist mit der zweiten Schnittstelle 110.2 des Steuerungssystems 110 zumindest eine Kopplung auf.
9 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Verfahren 1100 zum Erzeugen und Auswerten von Mikrowellensignalen auf der elektronischen Anordnung 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900 oder 1000 gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10.
Die skizzierten Verfahrensschritte umfassen: Bereitstellen 1105 einer elektronischen Anordnung 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900 oder 1000 gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10. Konfigurieren 1110 der elektronischen Anordnung 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900 oder 1000 über ihre erste Schnittstelle 100.1 dies umfasst: einen zuvor bestimmbaren Ablauf in der Ablaufsteuerung 123, zumindest je eine zuvor bestimmbare Amplitude und Phase der Mikrowellensignale in Abhängigkeit von der Zeit im Signalgenerator 121, und zumindest ein zuvor bestimmbares Empfangsintervall und zumindest eine zuvor bestimmbare Auswertefunktion des Datenerfassungs- und -verarbeitungssystems 122. Starten 1115 der Ablaufsteuerung 123 in der digitalen Einheitszelle 120 über die erste Schnittstelle 100.1 der elektronischen Anordnung 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900 oder 1000. Erzeugen 1120 der Mikrowellensignale innerhalb des Signalgenerators 121 gemäß dem Ablauf in der Ablaufsteuerung 123. Synthetisieren und Konditionieren 1125 der Mikrowellensignale in der analogen Einheitszelle 130. Senden 1130 der Mikrowellensignale über die zweite Schnittstelle 100.2 der elektronischen Anordnung 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900 oder 1000. Empfangen 1135 von externen Mikrowellensignalen über die zweite Schnittstelle 100.2 der elektronischen Anordnung 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900 oder 1000. Konditionieren und Digitalisieren 1140 der zuvor empfangenen Mikrowellensignale in der analogen Einheitszelle 130 und Verarbeiten und Aufzeichnen 1145 der zuvor digitalisierten Mikrowellensignale innerhalb des Datenerfassungs- und -verarbeitungssystems 122.
10 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Verfahrens 1200 zum Erzeugen und Auswerten von Mikrowellensignalen gemäß Anspruch 11. Die skizzierten Verfahrensschritte umfassen:

Bereitstellen 1205 einer elektronischen Anordnung 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900 oder 1000 gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10. Bereitstellen 1210 zumindest eines Ablaufschemas mit zuvor bestimmbaren Ablaufsteuerbefehlen und Ablaufparametern zum Generieren und Anwenden von Konfigurationen für die elektronische Anordnung 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900 oder 1000. Übertragen 1215 des Ablaufschemas mittels der ersten Schnittstelle 110.1 auf das Steuerungssystem 110. Ausführen 1220 des Ablaufschemas durch den Applikations- oder Echtzeitprozessor 111, 301. Starten 1225 der Ablaufsteuerung 123 in der digitalen Einheitszelle 120 durch den Applikations- oder Echtzeitprozessor 111 bzw. 301. Durchführen 1230 der Verfahrensschritte d. 1120 bis i. 1145 gemäß Anspruch 11.Abfragen und Verarbeiten 1235 der im vorhergehenden Verfahrensschritt i. 1145 gemäß Anspruch 11 aufgezeichneten Daten auf dem Steuerungssystem 110.

11 zeigt in den Subfiguren 11A, 11B und 11C jeweils eine schematische Darstellung eines dritten, vierten und fünften Verfahrenes 1300, 1400 und 1500.
Zunächst ist in Subfigur 11A ein drittes Verfahren 1300 zum Erzeugen und Auswerten von Mikrowellensignalen gemäß Anspruch 11 oder 12 schematisch dargestellt, wobei zumindest ein Teil der erzeugten Mikrowellensignale von einem Teilergebnis der verarbeiteten digitalisierten Mikrowellensignale innerhalb des Datenerfassungs- und -verarbeitungssystems 122 abhängt. Die Skizze umfasst: Durchführen 1305 der Verfahrensschritte a. 1105 bis i. 1145 gemäß Anspruch 11 oder der Verfahrensschritte a. 1205 bis f. 1230 gemäß Anspruch 12, wobei der Ablauf ferner zumindest eine Verzweigung aufweist, die zumindest zwei verschiedene Unterabläufe bereitstellt. Weitergeben 1310 von zumindest einem Teilergebnis des Datenerfassungs- und -verarbeitungssystems 122 an die Ablaufsteuerung 123. Auswählen 1315 einer der Unterabläufe der Verzweigung basierend auf dem Teilergebnis. Durchführen 1320 der Verfahrensschritte d. 1120 bis i. 1145 gemäß Anspruch 11 und für jede zusätzliche Verzweigung im Ablauf ferner jeweils die Verfahrensschritte b. 1310 bis d. 1320.
Des Weiteren ist in Subfigur 11B ein viertes Verfahren 1400 zum Erzeugen und Auswerten von Mikrowellensignalen gemäß Anspruch 11, 12 oder 13 schematisch dargestellt. Die Skizze umfasst: Bereitstellen 1405 der elektronischen Anordnung 1000 gemäß Anspruch 10. Konfigurieren 1410 der elektronischen Anordnung 1000 gemäß dem Verfahrensschritt b. 1110 des Anspruchs 11 oder gemäß der Verfahrensschritte b. 1210 bis d. 1220 des Anspruchs 12. Synchrones Starten 1415 der Ablaufsteuerungen 123 über die zweite Schnittstelle 110.2 des Steuerungssystems 110. Durchführen 1420 der Verfahrensschritte d. 1120 bis i. 1145 gemäß Anspruch 11, der Verfahrensschritte f. 1230 bis g. 1235 gemäß Anspruch 12, oder der Verfahrensschritte d. 1120 bis i. 1145 gemäß Anspruch 11 zusammen mit den Verfahrensschritten b. 1310 bis d. 1320 gemäß Anspruch 13.
Weiterhin ist in Subfigur 11C ein fünftes Verfahren 1500 zum Erzeugen und Auswerten von Mikrowellensignalen gemäß Anspruch 14 schematisch dargestellt, wobei zumindest ein Teil der erzeugten Mikrowellensignale von Teilergebnissen innerhalb der Datenerfassungs- und -verarbeitungssysteme 122 abhängt. Die Skizze umfasst: Durchführen 1505 der Verfahrensschritte a. 1405 bis d. 1420 gemäß Anspruch 14, wobei der Ablauf von zumindest einer Ablaufsteuerung 123 ferner zumindest eine Verzweigung aufweist, die zumindest zwei verschiedene Unterabläufe bereitstellt. Weitergeben 1510 von zumindest einem Teilergebnis der Datenerfassungs- und -verarbeitungssysteme 122 an zumindest eine Ablaufsteuerung 123 der anderen digitalen Einheitszellen 120a, 120b. Auswählen 1515 einer der Unterabläufe der Verzweigung basierend auf dem Teilergebnis. Durchführen 1520 des Verfahrensschritts d. 1420 gemäß Anspruch 14 und für jede zusätzliche Verzweigung im Ablauf ferner jeweils die Verfahrensschritte b. 1510 bis d. 1520.
Literaturverzeichnis

[1] WO 2017/139683
[2] Tietze, U.; Schenk, C. & Gamm, E. Halbleiter-Schaltungstechnik Springer-Verlag GmbH, 2012

Bezugszeichenliste

100: Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektronischen Anordnung zum Erzeugen und Auswerten von Mikrowellensignalen gemäß Anspruch 1
100.1, 100.2: Erste und zweite Schnittstelle der elektronischen Anordnung zum Erzeugen und Auswerten von Mikrowellensignalen 100 gemäß Anspruch 1
105: Plattform, auf der zumindest das Steuerungssystem und die digitale Einheitszelle integriert sind
110: Steuerungssystem
110.1, 110.2: Erste und zweite Schnittstelle des Steuerungssystems 110
111: Applikationsprozessor
120: Digitale Einheitszelle
120.1, 120.2: Erste und zweite Schnittstelle der digitalen Einheitszelle 120
121: Signalgenerator
122: Datenerfassungs- und -verarbeitungssystem
123: Ablaufsteuerung
130: Analoge Einheitszelle
130.1, 130.2 ,130.3: Erste, zweite und dritte Schnittstelle der analogen Einheitszelle 130
131: Digital-Analog-Wandler (Abk.: DA-Wandler)
132: Analog-Digital-Wandler (Abk.: AD-Wandler)
133: Hochfrequenzelektronik (Abk.: HF-Elektronik)
200: Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektronischen Anordnung zum Erzeugen und Auswerten von Mikrowellensignalen gemäß Anspruch 2
300: Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektronischen Anordnung zum Erzeugen und Auswerten von Mikrowellensignalen gemäß Anspruch 3
301: Echtzeitprozessor
400: Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektronischen Anordnung zum Erzeugen und Auswerten von Mikrowellensignalen gemäß Anspruch 4
400.1: Dritte Schnittstelle der elektronischen Anordnung zum Erzeugen und Auswerten von Mikrowellensignalen gemäß Anspruch 4
401: Digitales Triggermodul
500: Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektronischen Anordnung zum Erzeugen und Auswerten von Mikrowellensignalen gemäß Anspruch 5
600: Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektronischen Anordnung zum Erzeugen und Auswerten von Mikrowellensignalen gemäß Anspruch 6
121a, 121b: Signalgeneratoren
700: Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektronischen Anordnung zum Erzeugen
120a, 120b: und Auswerten von Mikrowellensignalen gemäß Anspruch 7 Vielzahl digitaler Einheitszellen
130a, 130b: Vielzahl analoger Einheitszellen
701: Paar, gebildet aus jeweils einer analogen Einheitszelle und einer digitalen Einheitszelle der Vielzahl von digitalen Einheitszellen 120a, 120b und analogen Einheitszellen 130a, 130b
800: Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektronischen Anordnung zum Erzeugen und Auswerten von Mikrowellensignalen gemäß Anspruch 8
801: Verbindungsmodul
801.1, 801.2, 801.3: ... Erste, zweite und dritte Schnittstelle des Verbindungsmoduls 801
900: Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektronischen Anordnung zum Erzeugen und Auswerten von Mikrowellensignalen gemäß Anspruch 9
1000: Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektronischen Anordnung zum Erzeugen und Auswerten von Mikrowellensignalen gemäß Anspruch 10
1100: Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Erzeugen und Auswerten von Mikrowellensignalen gemäß Anspruch 11
1105: Bereitstellen einer der hierin beschriebenen elektronischen Anordnung 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000
1110: Konfigurieren der elektronischen Anordnung
1115: Starten der Ablaufsteuerung
1120: Erzeugen von Mikrowellensignalen
1125: Synthetisieren und Konditionieren der Mikrowellensignale
1130: Senden der Mikrowellensignale
1135: Empfangen von externen Mikrowellensignalen
1140: Konditionieren und Digitalisieren der zuvor empfangenen Mikrowellensignale
1140: Verarbeiten und Aufzeichnen der zuvor digitalisierten Mikrowellensignale
1200: Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Erzeugen und Auswerten von Mikrowellensignalen gemäß Anspruch 12
1205: Bereitstellen einer der hierin beschriebenen elektronischen Anordnung 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000
1210: Bereitstellen zumindest eines Ablaufschemas
1215: Übertragen des Ablaufschemas
1220: Ausführen des Ablaufschemas
1225: Starten der Ablaufsteuerung
1230: Durchführen der Verfahrensschritte 1120 bis 1145
1235: Abfragen und Verarbeiten der im vorher-
1300: gehenden Verfahrensschritt aufgezeichneten Daten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Erzeugen und Auswerten von Mikrowellensignalen gemäß Anspruch 13
1305: Durchführen der Verfahrensschritte 1105 bis 1145 oder der Verfahrensschritte 1205 bis 1230
1310: Weitergeben von zumindest einem Teilergebnis
1315: Auswählen einer der Unterabläufe der Verzweigung
1320: Durchführen der Verfahrensschritte 1120 bis 1145 und für jede zusätzliche Verzweigung im Ablauf ferner jeweils die Verfahrensschritte 1310 bis 1320
1400: Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Erzeugen und Auswerten von Mikrowellensignalen gemäß Anspruch 14
1405: Bereitstellen der elektronischen Anordnung 1000
1410: Konfigurieren der elektronischen Anordnung gemäß dem Verfahrensschritt 1110 oder gemäß der Verfahrensschritte 1210 bis 1220
1415: Synchrones Starten der Ablaufsteuerungen 123
1420: Durchführen der Verfahrensschritte 1120 bis 1145, der Verfahrensschritte 1230 bis 1235 oder der Verfahrensschritte
1500: 1120 bis 1145 zusammen mit den Verfahrensschritten 1310 bis 1320 Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Erzeugen und Auswerten von Mikrowellensignalen gemäß Anspruch 15
1505: Durchführen der Verfahrensschritte 1405 bis 1420
1510: Weitergeben von zumindest einem Teilergebnis der Datenerfassungs- und -verarbeitungssysteme 122 an alle Ablaufsteuerungen 123
1515: Auswählen einer der Unterabläufe der Verzweigung basierend auf dem Teilergebnis
1520: Durchführen des Verfahrensschritts 1420 und für jede zusätzliche Verzweigung im Ablauf ferner jeweils die Verfahrensschritte 1510 bis 1520

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2017/139683 [0136]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Tietze, U.; Schenk, C. & Gamm, E. Halbleiter-Schaltungstechnik Springer-Verlag GmbH, 2012 [0136]

Claims

Elektronische Anordnung zum Erzeugen und Auswerten von Mikrowellensignalen (100), die zumindest eine erste und eine zweite Schnittstelle (100.1, 100.2) aufweist, umfassend: a. ein Steuerungssystem (110), das zumindest eine erste und eine zweite Schnittstelle (110.1, 110.2) aufweist, umfassend i. einen Applikationsprozessor (111), der derart eingerichtet ist, dass damit Ansteuermittel der elektronischen Anordnung (100) bereitgestellt sind, wobei: 1. die Schnittstellen (110.1, 110.2) des Steuerungssystems (110) zumindest jeweils eine Kopplung mit dem Applikationsprozessor (111) aufweisen, und 2. die erste Schnittstelle (110.1) des Steuerungssystems (110) zumindest eine Kopplung zu der ersten Schnittstelle (100.1) der elektronischen Anordnung (100) aufweist; b. eine digitale Einheitszelle (120), die zumindest eine erste und eine zweite Schnittstelle (120.1, 120.2) aufweist, umfassend: i. einen Signalgenerator (121), der derart eingerichtet ist, dass damit digitale Mikrowellensignale erzeugbar sind, ii. ein Datenerfassungs- und -verarbeitungssystem (122), das derart eingerichtet ist, dass damit digitale Mikrowellensignale verarbeitbar sind, und iii. eine Ablaufsteuerung (123), die derart eingerichtet ist, dass damit Abläufe innerhalb der digitalen Einheitszelle (120) koordinierbar sind; iv. wobei: 1. die Ablaufsteuerung (123) jeweils zumindest eine Kopplung mit dem Signalgenerator (121) und dem Datenerfassungs- und -verarbeitungssystem (122) innerhalb der digitalen Einheitszelle (120) aufweist, 2. die erste Schnittstelle (120.1) der digitalen Einheitszelle (120) jeweils zumindest eine Kopplung mit dem Signalgenerator (121), dem Datenerfassungs- und -verarbeitungssystem (122) und der Ablaufsteuerung (123) aufweist, 3. die zweite Schnittstelle (120.2) der digitalen Einheitszelle (120) jeweils zumindest eine Kopplung mit dem Signalgenerator (121) und dem Datenerfassungs- und -verarbeitungssystem (122) aufweist, 4. zumindest das Steuerungssystem (110) und die digitale Einheitszelle (120) auf einer Plattform (105) integriert sind, und 5. die zweite Schnittstelle (110.2) des Steuerungssystems (110) mit der ersten Schnittstelle (120.1) der digitalen Einheitszelle (120) zumindest eine Kopplung aufweist; und c. eine analoge Einheitszelle (130), die zumindest eine erste, eine zweite und eine dritte Schnittstelle (130.1, 130.2, 130.3) aufweist, umfassend: i. einen Digital-Analog-Wandler (131), der derart eingerichtet ist, dass damit digitale Mikrowellensignale in Mikrowellensignale wandelbar sind, ii. einen Analog-Digital-Wandler (132), der derart eingerichtet ist, dass damit Mikrowellensignale in digitale Mikrowellensignale wandelbar sind, und iii. eine Hochfrequenzelektronik (133), die derart eingerichtet ist, dass damit Mikrowellensignale konditionierbar sind; iv. wobei: 1. die Hochfrequenzelektronik (133) mit dem Digital-Analog-Wandler (131) und dem Analog-Digital-Wandler (132) jeweils zumindest eine Kopplung aufweist, 2. die erste Schnittstelle (130.1) der analogen Einheitszelle (130) jeweils zumindest eine Kopplung mit dem Digital-Analog-Wandler (131) und dem Analog-Digital-Wandler (132) aufweist, 3. die zweite Schnittstelle (130.2) der analogen Einheitszelle (130) zumindest eine Kopplung mit der Hochfrequenzelektronik (133) aufweist, 4. die zweite Schnittstelle (130.2) der analogen Einheitszelle (130) ferner zumindest eine Kopplung mit der zweiten Schnittstelle (100.2) der elektronischen Anordnung (100) aufweist, und 5. die dritte Schnittstelle (130.3) der analogen Einheitszelle (130) jeweils mit dem Digital-Analog-Wandler (131) und dem Analog-Digital-Wandler (132) zumindest eine Kopplung aufweist; d. wobei: i. die zweite Schnittstelle (120.2) der digitalen Einheitszelle (120) mit der ersten Schnittstelle (130.1) der analogen Einheitszelle (130) zumindest eine Kopplung aufweist, ii. die zweite Schnittstelle (110.2) des Steuerungssystems (110) mit der dritten Schnittstelle (130.3) der analogen Einheitszelle (130) zumindest eine Kopplung aufweist, iii. die erste Schnittstelle (100.1) der elektronischen Anordnung (100) derart eingerichtet ist, dass damit eine externe Ansteuerung der elektronischen Anordnung (100) bereitgestellt ist, und iv. die zweite Schnittstelle (100.2) der elektronischen Anordnung (100) derart eingerichtet ist, dass damit ein Senden und Empfangen von Mikrowellensignalen durchführbar ist.
Elektronische Anordnung (200) gemäß Anspruch 1, wobei die dritte Schnittstelle (130.3) der analogen Einheitszelle (130) ferner zumindest eine Kopplung mit der Hochfrequenzelektronik (133) aufweist.
Elektronische Anordnung (300) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Steuerungssystem (110) ferner einen Echtzeitprozessor (301) aufweist, der derart eingerichtet ist, dass damit deterministische Ansteuermittel der digitalen Einheitszelle (120) bereitgestellt sind, und der Applikationsprozessor (111) mit dem Echtzeitprozessor (301) zumindest eine Kopplung aufweist, wobei die zweite Schnittstelle (110.2) des Steuerungssystems (110) zumindest eine Kopplung zum Echtzeitprozessor (301) aufweist.
Elektronische Anordnung (400) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, die ferner zumindest eine dritte Schnittstelle (400.1) aufweist, die derart eingerichtet ist, dass damit eine Ein- und Ausgabe von digitalen Signalen zur und von der elektronischen Anordnung (400) bereitgestellt ist, wobei: a. die digitale Einheitszelle (120) ferner ein digitales Triggermodul (401) umfasst, das derart eingerichtet ist, dass damit die digitalen Signale erzeugbar und auswertbar sind, und das mit der Ablaufsteuerung (123) innerhalb der digitalen Einheitszelle (120) zumindest eine Kopplung aufweist, und b. die digitale Einheitszelle (120) zumindest eine dritte Schnittstelle (120.3) aufweist, die jeweils zumindest mit dem digitalen Triggermodul (401) und mit der dritten Schnittstelle (400.1) der elektronischen Anordnung (400) zumindest eine Kopplung aufweist.
Elektronische Anordnung (500) gemäß Anspruch 4, wobei die erste Schnittstelle (120.1) der digitalen Einheitszelle (120) zumindest eine Kopplung zum digitalen Triggermodul (401) aufweist.
Elektronische Anordnung (600) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei: a. die digitale Einheitszelle (120) zumindest zwei Signalgeneratoren (121a, 121b) aufweist, wobei jeder der Signalgeneratoren zumindest eine Kopplung mit der Ablaufsteuerung (123) innerhalb der digitalen Einheitszelle (120) aufweist, und b. die erste und die zweite Schnittstelle (120.1, 120.2) der digitalen Einheitszelle (120) jeweils zumindest eine Kopplung zu den Signalgeneratoren (121a, 121b) aufweisen.
Elektronische Anordnung (700) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, die zumindest zwei digitale Einheitszellen (120a, 120b) und die gleiche Anzahl analoger Einheitszellen (130a, 130b) aufweist, wobei: a. jeweils eine digitale Einheitszelle (120a, 120b) und eine analoge Einheitszelle (130a, 130b) genau ein Paar (701) bilden und innerhalb der Paare (701) die zweite Schnittstelle (120.2) der digitalen Einheitszelle (120a, 120b) mit der ersten Schnittstelle (130.1) der analogen Einheitszelle (130a, 130b) zumindest eine Kopplung aufweist, b. die erste Schnittstelle (120.1) der digitalen Einheitszellen (120a, 120b) jeweils mit der zweiten Schnittstelle (110.2) des Steuerungssystems (110) zumindest eine Kopplung aufweist, und c. die zweite Schnittstelle (130.2) der analogen Einheitszellen (130a, 130b) jeweils mit der zweiten Schnittstelle (100.2) der elektronischen Anordnung (700) zumindest eine Kopplung aufweisen.
Elektronische Anordnung (800) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, die zumindest zwei digitale Einheitszellen (120a, 120b) und zumindest eine analoge Einheitszelle (130a, 130b) aufweist sowie ferner ein Verbindungsmodul (801) auf der Plattform (105) integriert ist, wobei: a. die erste Schnittstelle (120.1) der digitalen Einheitszellen (120a, 120b) jeweils mit der zweiten Schnittstelle (110.2) des Steuerungssystems (110) zumindest eine Kopplung aufweist, b. die zweite Schnittstelle (130.2) der analogen Einheitszellen (130a, 130b) jeweils mit der zweiten Schnittstelle (100.2) der elektronischen Anordnung (800) zumindest eine Kopplung aufweisen, c. das Verbindungsmodul (801) zumindest eine erste, eine zweite und eine dritte Schnittstelle (801.1, 801.2, 801.3) aufweist, d. die erste Schnittstelle (801.1) des Verbindungsmoduls (801) jeweils mit der zweiten Schnittstelle (120.2) der digitalen Einheitszellen (120a, 120b) zumindest eine Kopplung aufweist, e. die zweite Schnittstelle (801.2) des Verbindungsmoduls (801) jeweils mit der ersten Schnittstelle (130.1) der analogen Einheitszellen (130a, 130b) zumindest eine Kopplung aufweist, f. die dritte Schnittstelle (801.3) des Verbindungsmoduls (801) mit der zweiten Schnittstelle (110.2) des Steuerungssystems (110) zumindest eine Kopplung aufweist, und g. mit dem Verbindungsmodul (801) eine konfigurierbare Zuordnung zwischen den zweiten Schnittstellen (120.2) der digitalen Einheitszellen (120a, 120b) und den ersten Schnittstellen (130.1) der analogen Einheitszellen (130a, 130b) bereitgestellt ist.
Elektronische Anordnung (900) gemäß Anspruch 7 oder 8, wobei ferner die ersten Schnittstellen (120.1) der digitalen Einheitszellen (120a, 120b) untereinander jeweils zumindest eine Kopplung aufweisen, die jeweils derart eingerichtet ist, dass damit ein Informationsaustausch zwischen den digitalen Einheitszellen (120a, 120b) bereitgestellt ist.
Elektronische Anordnung (1000) gemäß Anspruch 9, wobei die Kopplungen zwischen den ersten Schnittstellen (120.1) der digitalen Einheitszellen (120a, 120b) und der zweiten Schnittstelle (110.2) des Steuerungssystems (110) derart eingerichtet sind, dass damit ferner eine Synchronisierung zumindest zwischen den digitalen Einheitszellen (120a, 120b) bereitgestellt ist.
Verfahren (1100) zum Erzeugen und Auswerten von Mikrowellensignalen, umfassend: a. Bereitstellen (1105) einer elektronischen Anordnung (100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 10; b. Konfigurieren (1110) der elektronischen Anordnung (100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000) über ihre erste Schnittstelle (100.1), umfassend: i. einen zuvor bestimmbaren Ablauf in der Ablaufsteuerung (123), ii. zumindest je eine zuvor bestimmbare Amplitude und Phase der Mikrowellensignale in Abhängigkeit von der Zeit im Signalgenerator (121), und iii. zumindest ein zuvor bestimmbares Empfangsintervall und zumindest eine zuvor bestimmbare Auswertefunktion des Datenerfassungs- und -verarbeitungssystems (122) ; c. Starten (1115) der Ablaufsteuerung (123) in der digitalen Einheitszelle (120) über die erste Schnittstelle (100.1) der elektronischen Anordnung (100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000); d. Erzeugen (1120) der Mikrowellensignale innerhalb des Signalgenerators (121) gemäß dem Ablauf in der Ablaufsteuerung (123); e. Synthetisieren und Konditionieren (1125) der Mikrowellensignale in der analogen Einheitszelle (130); f. Senden (1130) der Mikrowellensignale über die zweite Schnittstelle (100.2) der elektronischen Anordnung (100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000); g. Empfangen (1135) von externen Mikrowellensignalen über die zweite Schnittstelle (100.2) der elektronischen Anordnung (100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000) ; h. Konditionieren und Digitalisieren (1140) der zuvor empfangenen Mikrowellensignale in der analogen Einheitszelle (130) ; und i. Verarbeiten und Aufzeichnen (1145) der zuvor digitalisierten Mikrowellensignale innerhalb des Datenerfassungs- und -verarbeitungssystems (122).
Verfahren (1200) zum Erzeugen und Auswerten von Mikrowellensignalen gemäß Anspruch 11, ferner umfassend: a. Bereitstellen (1205) einer elektronischen Anordnung (100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 10; b. Bereitstellen (1210) zumindest eines Ablaufschemas mit zuvor bestimmbaren Ablaufsteuerbefehlen und Ablaufparametern zum Generieren und Anwenden von Konfigurationen für die elektronische Anordnung (100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000); c. Übertragen (1215) des Ablaufschemas mittels der ersten Schnittstelle (110.1) auf das Steuerungssystem (110); d. Ausführen (1220) des Ablaufschemas durch den Applikations- oder Echtzeitprozessor (111, 301); e. Starten (1225) der Ablaufsteuerung (123) in der digitalen Einheitszelle (120) durch den Applikations- oder Echtzeitprozessor (111, 301); f. Durchführen (1230) der Verfahrensschritte d. (1120) bis i. (1145) gemäß Anspruch 11; und g. Abfragen und Verarbeiten (1235) der im vorhergehenden Verfahrensschritt i. (1145) gemäß Anspruch 11 aufgezeichneten Daten auf dem Steuerungssystem (110).
Verfahren (1300) zum Erzeugen und Auswerten von Mikrowellensignalen gemäß Anspruch 11 oder 12, wobei zumindest ein Teil der erzeugten Mikrowellensignale von einem Teilergebnis der verarbeiteten digitalisierten Mikrowellensignale innerhalb des Datenerfassungs- und -verarbeitungssystems (122) abhängt, ferner umfassend: a. Durchführen (1305) der Verfahrensschritte a. (1105) bis i. (1145) gemäß Anspruch 11 oder der Verfahrensschritte a. (1205) bis f. (1230) gemäß Anspruch 12, wobei der Ablauf ferner zumindest eine Verzweigung aufweist, die zumindest zwei verschiedene Unterabläufe bereitstellt; b. Weitergeben (1310) von zumindest einem Teilergebnis des Datenerfassungs- und -verarbeitungssystems (122) an die Ablaufsteuerung (123); c. Auswählen (1315) einer der Unterabläufe der Verzweigung basierend auf dem Teilergebnis; und d. Durchführen (1320) der Verfahrensschritte d. (1120) bis i. (1145) gemäß Anspruch 11 und für jede zusätzliche Verzweigung im Ablauf ferner jeweils die Verfahrensschritte b. (1310) bis d. (1320).
Verfahren (1400) zum Erzeugen und Auswerten von Mikrowellensignalen gemäß Anspruch 11, 12 oder 13, ferner umfassend: a. Bereitstellen (1405) der elektronischen Anordnung (1000) gemäß Anspruch 10; b. Konfigurieren (1410) der elektronischen Anordnung (1000) gemäß dem Verfahrensschritt b. (1110) des Anspruchs 11 oder gemäß den Verfahrensschritten b. (1210) bis d. (1220) des Anspruchs 12; c. Synchrones Starten (1415) der Ablaufsteuerungen (123) über die zweite Schnittstelle (110.2) des Steuerungssystems (110); und d. Durchführen (1420) i. der Verfahrensschritte d. (1120) bis i. (1145) gemäß Anspruch 11, ii. der Verfahrensschritte f. (1230) bis g. (1235) gemäß Anspruch 12, oder iii. der Verfahrensschritte d. (1120) bis i. (1145) gemäß Anspruch 11 zusammen mit den Verfahrensschritten b. (1310) bis d. (1320) gemäß Anspruch 13.
Verfahren (1500) zum Erzeugen und Auswerten von Mikrowellensignalen gemäß Anspruch 14, wobei zumindest ein Teil der erzeugten Mikrowellensignale von Teilergebnissen innerhalb der Datenerfassungs- und -verarbeitungssysteme (122) abhängt, ferner umfassend: a. Durchführen (1505) der Verfahrensschritte a. (1405) bis d. (1420) gemäß Anspruch 14, wobei der Ablauf von zumindest einer Ablaufsteuerung (123) ferner zumindest eine Verzweigung aufweist, die zumindest zwei verschiedene Unterabläufe bereitstellt; b. Weitergeben (1510) von zumindest einem Teilergebnis der Datenerfassungs- und -verarbeitungssysteme (122) an zumindest eine Ablaufsteuerung (123) der anderen digitalen Einheitszellen (120a, 120b); c. Auswählen (1515) einer der Unterabläufe der Verzweigung basierend auf dem Teilergebnis; und d. Durchführen (1520) des Verfahrensschritts d. (1420) gemäß Anspruch 14 und für jede zusätzliche Verzweigung im Ablauf ferner jeweils die Verfahrensschritte b. (1510) bis d. (1520).
Verwendung der elektronischen Anordnung (100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 zum: a. Ansteuern und Auslesen von supraleitenden Quantenschaltkreisen; b. Auslesen von supraleitenden Sensoren und Detektoren; c. Generieren von gepulsten Mikrowellensignalen; d. Ansteuern und Auslesen von NV-Zentren in Diamanten; e. Kernspin-Tomographie und in der f. Kernspin-Spektrographie.