JP2014187693A - 波形発生器及び波形発生方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】高調波混合を用いて波形を発生する。
【解決手段】スプリッタ102は、各々がデジタル入力信号周波数帯域幅と実質的に類似のスプリット信号周波数帯域幅を有する複数のスプリット信号106にデジタル入力信号を分割する。スプリット信号106を関連デジタル高調波信号と混合して複数のデジタル混合信号110を発生する。これらデジタル混合信号を次に、少なくとも1つのデジタル高調波混合器108の1次高調波信号と異なる実効サンプル・レートでアナログ信号に変換する。複数のアナログ高調波混合器130は、関連アナログ信号を関連アナログ高調波信号と混合して、混合アナログ信号134を発生する。複数のDAC122の少なくとも1つの帯域幅よりも広い出力信号帯域幅を有する出力信号138に混合アナログ信号134を組合せる。
【選択図】図1

Description

本発明は、波形発生器及び波形発生方法に関する。特に、本発明は、高調波混合を用いる高速の任意波形発生器又は関数発生器に関する。
任意波形発生器(AWG)又は任意関数発生器(AFG)の如き波形発生器の利用可能な帯域幅は、デジタル波形シーケンスから信号を発生するのに用いるデジタル・アナログ変換器(DAC)により制限される。DACの利用可能な帯域幅は、アナログ帯域幅又はDACの最大サンプル・レートの2分の1の小さい方によって制限される。既存のDACの制約により、高い帯域幅の出力信号を発生する従来技術は、複雑で高価なシステムである。
例えば、同期時間インターリーブを用いて、有効な高いDACサンプル・レートを達成できる。多くのDACは、単一のDACサンプル期間中にオフセットされたスプリット入力シーケンスから波形を発生する。実効的に乗算されるサンプル・レートのために、複数のアナログ信号を組合せる。
米国特許第7535394号明細書 特開2012−247423号公報
波形発生器のウェーブサイト、テクトロニクス、[online]、[2014年3月24日検索]、インターネット(URL:http://jp.tek.com/waveform-generator)
しかし、DACのアナログ帯域幅が制限要素になる例において、より高い帯域幅を達成するために、アナログ・マルチプレクサ又はサンプル・ホールド・マルチプレクサの如き高帯域幅のアクティブ・コンバイナが必要である。
マルチプレクスされた従来の時間インターリーブ・システムにより、DACチャンネル帯域幅に類似したサンプル・レートにてマルチプレクサをクロックできるので、マルチプレクサのクロック・インターバル期間中に、DACは、遷移及び安定のために充分な時間を有する。これら従来のシステムにおいて、DACは、マルチプレクサに同期的にクロックされるので、マルチプレクサにより各DACサンプルがゲートされて選択される。DAC帯域幅のかかる制限は、DACサンプル・レートを制限し、同様に、マルチプレクサのクロック・レートも制限する。その結果、これら従来のシステムは、所望の性能を達成するために、多くのDACチャンネルを必要とする。
DACチャンネルの数が増加すると、それに応じてシステムの全体のコスト及び複雑さが高まる。例えば、各DACは、独立したメモリ及びデジタル入力経路と共に、クロック動作と、全てのDACチャンネルを同期させる方法とを必要とする。これには、物理的に大きく複雑なマルチプレクス・チップを必要とする。このマルチプレクス・チップの大きくなったサイズ及び複雑さの結果により通信経路が長くなるので、他の課題の中でも、浮遊容量、インダクタンス、電磁ノイズが増加すると共に、設計が困難になる。
他の技術においては、低いサンプル・レートのDACを通過できる周波数レンジに、入力信号のサブバンドをデジタル的にダウン・コンバージョンする。広い入力信号帯域幅を多数の低い帯域幅DACチャンネルに分割する。DACの低い帯域幅にてアナログ信号に変換された後に、これらサブバンドを、元の各周波数レンジにアップ・コンバージョンすると共に、デジタル入力信号が表すものに組合せる。しかし、単一のDACチャンネルを通過する周波数コンテンツを有する任意の入力信号を変換する際、再組合せされた出力は、固有のノイズを含む。その理由は、これが、たった1つのDACチャンネルからの信号エネルギーと、全てのDACチャンネルからのノイズ・エネルギーとを有するためである。これがシステムの全体の信号対ノイズ(SNR)比を劣化させる。
よって、この技術は、改善されたSNRを有する波形発生装置及び方法から利益を得る。
特に、本発明の概念1は;入力信号周波数帯域幅を有するデジタル入力信号を受けるように構成されると共に、上記デジタル入力信号を複数のスプリット信号に分割するように構成され、上記入力信号周波数帯域幅と実質的に類似したスプリット信号周波数帯域幅を上記スプリット信号の各々が有するスプリッタと;上記スプリット信号の関連した1つを、関連したデジタル高調波信号とデジタル的に混合して、複数のデジタル混合信号を発生するように構成された複数のデジタル高調波混合器と;上記複数のデジタル混合信号をアナログ信号に変換するように各々が構成され、上記関連したデジタル高調波混合器の少なくとも1つの1次高調波信号と異なる有効サンプル・レートを夫々が有する複数のデジタル・アナログ変換器と;上記アナログ信号の関連した1つをアナログ高調波信号と混合して、複数の混合アナログ信号を発生するように構成された複数のアナログ高調波混合器と;上記複数のデジタル・アナログ変換器の少なくとも1つの帯域幅よりも広い出力信号帯域幅を有する出力信号に上記複数の混合アナログ信号を組合せするように構成されたコンバイナとを備えた波形発生器である。
本発明の概念2は、概念1の波形発生器であり;上記関連したデジタル高調波混合器の少なくとも1つの1次高調波信号は、少なくとも1つの上記デジタル・アナログ変換器の実効サンプル・レートの整数倍又は約数ではない。
本発明の概念3は、概念1の波形発生器であり;上記デジタル高調波混合器に関連した少なくとも1つの高調波信号の上記1次高調波は、上記デジタル・アナログ変換器の上記少なくとも1つの上記実効サンプル・レートと、上記デジタル・アナログ変換器の上記少なくとも1つの実効サンプル・レートの2分の1との間である。
本発明の概念4は、概念1の波形発生器であり;上記複数のデジタル混合信号は、単一のサブバンドの帯域幅内に上記デジタル入力信号の少なくとも2つのサブバンドを含む。
本発明の概念5は、概念4の波形発生器であり;上記単一のサブバンドは、ベースバンドのサブバンドである。
本発明の概念6は、概念4の波形発生器であり;各デジタル混合信号は、上記単一のサブバンドの帯域幅内に上記デジタル入力信号の各サブバンドを含む。
本発明の概念7は、概念1の波形発生器であり;上記デジタル混合信号をアナログ信号に変換する前に上記複数のデジタル混合信号を対称に濾波するように構成された複数の対称なデジタル・フィルタを更に備えている。
本発明の概念8は、概念1の波形発生器であり;上記アナログ高調波混合器は、上記デジタル・アナログ変換器の上記実効サンプル・レートと異なる1次高調波を有する。
本発明の概念9は、概念3の波形発生器であり;上記デジタル高調波混合器の上記1次高調波は、上記アナログ高調波混合器の上記1次高調波と実質的に類似している。
本発明の概念10は;入力信号周波数帯域幅と実質的に類似したスプリット信号周波数帯域幅を各々が有する複数のスプリット信号に、上記入力信号周波数帯域幅を有するデジタル入力信号を分割することと;実効サンプリング・レートにて、上記スプリット信号の各々を、関連したデジタル高調波信号にデジタル的に混合して、複数のデジタル混合信号を発生することと;上記関連したデジタル高調波混合の少なくとも1つの1次高調波信号と異なる実効サンプリング・レートにて、上記複数のデジタル混合信号を複数のアナログ信号に変換することと;上記アナログ信号の各々を、関連したアナログ高調波信号と混合して、複数の混合アナログ信号を発生することと;上記複数の混合アナログ信号を、上記複数のデジタル・アナログ変換器の少なくとも1つの帯域幅よりも広い出力信号帯域幅を有する出力信号に組み合わせることとを備えた波形発生方法である。
本発明の概念11は、概念10の方法であり;上記1次高調波信号は、上記複数のデジタル混合信号が上記複数のアナログ信号に変換される際の実効変換サンプル・レートの整数倍又は約数ではない。
本発明の概念12は、概念10の方法であり;上記1次高調波信号は、上記複数のデジタル混合信号が上記複数のアナログ信号に変換された際の実効変換サンプル・レートと、上記実効変換サンプル・レートの2分の1との間である。
本発明の概念13は、概念10の方法であり;上記複数のデジタル混合信号は、単一のサブバンドの帯域幅内に上記デジタル入力信号の少なくとも2つのサブバンドを含む。
本発明の概念14は、概念13の方法であり;上記単一のサブバンドは、ベースバンドのサブバンドである。
本発明の概念15は、概念13の方法であり;各混合信号は、上記単一のサブバンドの帯域幅内に上記デジタル入力信号の各サブバンドを含む。
本発明の概念16は、概念12の方法であり;上記デジタル高調波信号の上記1次高調波は、上記アナログ高調波信号の上記1次高調波と実質的に類似している。
本発明の概念17は、概念10の方法であり;上記デジタル混合信号をアナログ信号に変換する前に、上記デジタル混合信号を対称に濾波することを更に備えている。
図1は、本発明の実施例により高調波混合を用いる例示の波形発生器のブロック図である。 図2は、本発明の実施例により高調波混合を用いる他の例示の波形発生器のブロック図である。 図3Aは、図1に示す例示の波形発生器が発生した種々の信号の例示のスペクトラム成分である。 図3Bは、図1に示す例示の波形発生器が発生した種々の信号の例示のスペクトラム成分である。 図4Aは、図1に示す例示の波形発生器が発生した種々の信号の例示のスペクトラム成分である。 図4Bは、図1に示す例示の波形発生器が発生した種々の信号の例示のスペクトラム成分である。 図5Aは、図1に示す例示の波形発生器が発生した種々の信号の例示のスペクトラム成分である。 図5Bは、図1に示す例示の波形発生器が発生した種々の信号の例示のスペクトラム成分である。 図6は、図1に示す例示の波形発生器が発生した種々の信号の例示のスペクトラム成分である。 図7Aは、本発明による波形発生器の例示の高調波混合器の回路図である。 図7bは、本発明による波形発生器の例示の高調波混合器の回路図である。 図8は、本発明による波形発生器の例示の高調波混合器の回路図である。 図9は、本発明による波形発生器の例示の高調波混合器の回路図である。 図10は、本発明による波形発生器の例示の高調波混合器の回路図である。
本出願は、高調波混合を用いてサンプル・レートとアナログ出力の利用可能な帯域幅とを増加させる波形発生器用のDACシステムの実施例を述べる。
図1は、高調波混合及び種々のフィルタを用いる例示の波形発生器100のブロック図を示す。これらフィルタのいくつかは、種々の例におけるオプションであってもよい。波形発生器100は、デジタル入力信号104を受けるように構成されたスプリッタ102を含んでいる。スプリッタ102は、デジタル入力信号104を複数のスプリット信号106に分割するように構成されている。デジタル入力信号104は、任意の適切な波形データ・シーケンスにできる。
スプリット信号106の各々は、入力信号周波数帯域幅と実質的に類似したスプリット信号周波数帯域幅を有する。スプリッタ102は、デジタル入力信号104を複数の信号に分割できる任意の種々の回路である。例えば、スプリット信号106は、所定サンプル・レートの任意所望の入力ストリームを含むことができると共に、記録され、蓄積され、及び/又は発生されたデータ・シーケンスを含む。
スプリット信号106は、デジタル高調波混合器108に入力する。これらデジタル高調波混合器108は、その関連スプリット信号106を関連デジタル高調波信号とデジタル的に混合して、デジタル混合信号110を発生するように構成されている。デジタル高調波混合器の各々は、デジタル混合信号を生成する。デジタル高調波信号は、図1に示す如く、高調波信号をスプリット信号に適用する局部発振器(LO)112を含む。デジタルLOは、いくつかの例示のシステムにおいて、数値的に制御される発振器にできる。
デジタル高調波混合器108は、信号を多数の高調波と混合するように構成された任意の装置である。高調波混合に関連して乗算及び/又は混合を説明し、また、更に詳細に後述するが、信号を多数の高調波と乗算する効果を有する任意の装置を高調波混合器として用いることができる。
いくつかの実施例において、多数の高調波は、0次高調波、即ち、DC成分を含むことができる。例えば、高調波信号は、数(1)で表す信号にできる。
Figure 2014187693
数(1)において、F1は1次高調波を表し、tは時間を表す。よって、数(1)の形式の信号は、DC及び周波数F1での高調波を有する。
反転された位相の信号の高調波は、数(2)で表す信号である。
Figure 2014187693
数(1)で表す高調波信号と同様に、反転された高調波信号は、DC及び周波数F1での高調波を有する。しかし、周波数F1での1次高調波は、数(1)が表す高調波信号での類似の1次高調波に対して位相が180度ずれている。
再び図1を参照する。混合デジタル信号110をフィルタ114に入力する。混合デジタル信号110は、DAC122の最大実効サンプル・レートよりも大きいサンプル・レートを有することができると共に、DAC122の実効サンプル・レートの2分の1よりも広い周波数帯域幅を含むことができる。フィルタ114は、混合デジタル信号の帯域幅を制限して、エリアシング信号歪みを防止する。
このフィルタは、高調波信号の1次高調波の周波数の約2分の1とほぼ相補である周波数応答を有する混合信号の正味の濾波を行う対称なロウパス・フィルタ(LPF)を含むことができる。F1/2よりも高い所定オフセットでの周波数応答と、周波数F1/2よりも低い所定オフセットでの周波数応答とを1に加算する。1を例として用いたが、信号のスケールによって所望に応じた他の値を用いることもできる。さらに、上述の例は、理想的な場合として記述している。実行した濾波は、非理想的な要素、校正などの主要因に対する異なる応答を有することができる。
対称なフィルタを、図1に示す波形発生器のデジタル領域116にて示したが、他の例において、アナログ領域118内に追加的に又は代替として含むことができる。濾波された混合デジタル信号120は、関連したデジタル・アナログ変換器(DAC)122に入力する。濾波された混合デジタル信号120のサンプル・レートがダウンサンプルされて、DACのサンプル・レートに一致する。これは、いくつかの実施例において、フィルタ114により組合される。出力シーケンスのわずかな数のサンプルを維持する如く、濾波された混合デジタル信号120の出力シーケンスをデシメーションして、ダウンサンプリングを行うこともできる。
任意適切なデジタル回路により、上述の分割、濾波、混合及び/又はダウンサンプリングの任意を実行できる。このデジタル回路は、デジタル信号プロセッサ(DSP)、マイクロプロセッサ、プログラマブル・ロジック装置、汎用プロセッサ、又は所望に応じて完全な個別コンポーネントを完全に組み込んだ適切な周辺装置を備えた他の処理システムを含むが、これらに限定されるものではない。
DAC122の各々は、濾波された混合デジタル信号120をアナログ信号124に変換するように構成されている。DAC122は、デジタル信号をアナログ信号に変換するように構成された任意の種々の回路である。DAC122の各々は、増幅器、フィルタ、減衰器、他のデジタル又はアナログの回路を必要に応じて含んでおり、デジタル信号をアナログ信号に変換する前又は後に、信号に対して増幅、濾波、減衰又は他の処理を行う。
DAC122は、実効サンプル・レートにて動作するように構成されている。図1に示す例示の波形発生器において、DAC122を単一のDACとして示すが、他の実施例において、各DACは、より高い実効サンプル・レートを達成するために、低いサンプル・レートで動作するようにインターリーブされた多数のDACを含んでもよい。
DAC122(又は多数のインターリーブされたDAC)の実効サンプル・レートは、少なくとも1つの関連デジタル高調波混合器108の1次高調波信号と異なる。少なくとも1つのデジタル高調波信号の1次高調波は、少なくとも1つのDAC122の実効サンプル・レートと異なる。例えば、高調波信号の1次高調波F1は、20GHzであり、DAC122のサンプル・レートは、25GS/sである。よって、1次高調波F1は、DAC122の実効サンプル・レートと異なる。
いくつかの例において、デジタル高調波信号の1次高調波は、DAC122の実効サンプル・レートの整数倍又は約数である必要がない。デジタル高調波混合器108に関連した高調波信号の1次高調波は、DAC122の実効サンプル・レートの整数倍又は約数ではない。
いくつかの例において、高調波信号の1次高調波は、DAC122の実効サンプル・レートと、DAC122の実効サンプル・レートの2分の1との間にできる。1次高調波のかかる周波数により、この1次高調波の上及び/又は下の高い周波数成分は、DAC122のサンプル・レートの2分の1の下の周波数にてダウン・コンバージョンできる。よって、DAC122により、かかる周波数成分をアナログ信号124に効果的に変換できる。
スプリット入力信号の帯域の各々は、全ての経路を通過する。単一の入力信号を処理するために、1つより多くのチャンネルが組合さると、各チャンネル又は経路は、デジタル入力信号の全帯域幅を実質的に受ける。デジタル入力信号がDACの全てを介して伝搬するので、SNRが改善する。
アナログ信号124は、図1の例示の波形発生器100に示す再構成フィルタ126の如きオプションのフィルタに入力する。再構成フィルタ126は、DAC122からのアナログ信号124を濾波し、信号124内のDACイメージ周波数成分を実質的に除去するように構成されている。いくつかの別の実施例においては、再構成フィルタをDAC及び/又は混合器の一部にできる。
濾波されたアナログ信号128は、多くの関連した高調波アナログ混合器130に入力する。スプリット信号チャネルの各々に対して1つの混合器130が存在する。高調波アナログ混合器130は、濾波されたアナログ信号128の関連した1つをアナログ高調波信号と混合して、多くの混合アナログ信号134を発生するように構成されている。いくつかの実施例において、アナログ高調波信号は、周波数及び位相において、対応するデジタル高調波信号と実質的に類似している。高調波アナログ混合器の高調波信号は、濾波されたアナログ信号128に高調波信号を適用する局部発振器(LO)132を含むことができる。詳細に後述するように、アナログ高調波信号のLO132は、デジタル高調波信号のLO112に同期できる。
デジタル高調波信号及びアナログ高調波信号が夫々デジタル及びアナログの信号であっても、これらデジタル高調波信号及びアナログ高調波信号のスケール係数は、互いに同じ又は類似にできる。アナログ高調波混合器からの出力信号を再混合信号134と呼ぶ。
再混合信号134は、単一のコンバイナ136に入力する。このコンバイナ136は、多くの再混合(又は混合)アナログ信号134を出力信号138に組合せように構成されている。この出力信号138は、多くのデジタル・アナログ変換器の少なくとも1つの帯域幅よりも広い出力信号帯域幅を有する。コンバイナ136からのアナログ出力信号138は、スプリッタ102に供給されるデジタル入力信号104の再構成である。
ある形式の同期を高調波信号112、132に用いる。例えば、アナログ高調波信号の高調波は、DACに関連するクロックにロックできる。デジタル及びアナログの混合器の周波数は、遅い速度のクロックの高調波であり、この遅い速度のクロックの高調波は、アナログ形式でDACチャンネルに存在するが、デジタル・データ・ストローブにも相関される。他の実施例において、デジタル高調波信号又は関連信号は、DACにより変換されると共に、アナログ領域にて利用可能であり、アナログLO信号と同期する。さらに他の実施例において、帯域の外のトーンを1つ以上の混合デジタル信号に加えることができる。20GHz、11.25GHz、又は20GHzの9/16の1次高調波を混合デジタル信号に用いることができる。遷移帯域に応じてオプションのデジタル・フィルタによって定めた約9GHzの帯域幅の外に加算トーンを設定できるので、このトーンは、コンバイナからの出力である再構成信号の影響を実質的に無視できる。しかし、このトーンは、ナイキスト周波数未満、即ち、25GS/sサンプル・レートに対して12.5GHz未満にできる。これは、濾波する前にアナログ混合信号を用いてトーンを取り込むことができることを意味する。用いる同期技術に関係なく、デジタル高調波信号及びアナログ高調波信号の間の位相及び周波数の関係が維持される。
図2は、スプリッタ204で2つのDACチャンネル206、208に分割された入力信号202を有する波形発生器200の例である。図2に示す例は、種々の要素及び信号周波数、サンプル・レートなどに対して特定の例の値を含んでいる。デジタル入力信号202は、50GS/sのサンプル・レートの任意波形シーケンスである。デジタル入力信号202は、18GHzに帯域が制限されて、種々の高調波信号からの成分が、広がった過去の隣接する高調波周波数と混合するのを防止する。このシーケンスが複製され、スプリッタ204によって各経路がデジタル入力信号のサンプル・レートの2倍、即ち、100GS/sに補間される。
2つの経路206、208の間で反転した(180度位相シフトした)クロックを用いて、デジタル混合器210、211が、この複製された信号を20.3125GHzクロック212、213の0次及び1次高調波とデジタル的に混合する。次に、この混合デジタル信号214は、対称的にロウパス濾波216され、各関連DAC218の入力でのサンプル・レートである25GS/sのサンプル・レートにデシメーションされる。デジタル高調波混合及び濾波ステップを、所望ならば、デシメーション・フィルタと組み合わせることができる。再構成フィルタ220によりDAC出力を再び濾波して、DAC自体が生成したイメージ信号を除去し、10.15625GHz(即ち、高調波信号帯域幅の半分)の周波数付近で振幅が対称なアナログ混合出力から正味の応答を得る。
次に、これら2つの経路の間で反転した(180度位相シフトした)クロックを再び用いて、アナログ領域内で、20.3125GHzデジタル・クロック212の同じ0次及び1次の高調波と、濾波されたアナログ信号222とをアナログ混合器224によって混合する。これら2つの経路をコンバイナにて加算し、濾波して、20.3125GHzより高いコンテンツを除去する。
図2に示す例示の任意波形発生器200において、デジタル高調波混合器210、211のLO212、213と、アナログ高調波混合器224のLO226とは、分周されたサンプル・クロックの13次高調波を用いることができる。(25GHz/16=1.5625GHz、13*1.5625=20.3125GHz。)
図3A〜6は、図2に示す波形発生器システム内の種々の信号のスペクトラム成分の例である。図3Aは、デジタル入力信号のスペクトラム、ここでは図2のスプリット信号のスペクトラムとしてのスペクトラム300を示す。数(1)にて定義した高調波信号の上述の例を用いると、スペクトラム300が表すように、高調波混合器のDC成分がスプリット信号を渡す。しかし、入力信号内のスペクトラム300も、周波数F1における1次高調波と混合される。その結果のスペクトラム302は、かかる混合の成果物である。よって、デジタル混合信号は、スペクトラム300及びスペクトラム302の成分を含んでいる。ここでは、また他の図においても、スペクトラム成分を分離し重なったものとして示すが、実際のスペクトラムは、スペクトラム300及び302の組合せである。
図3Bを参照する。スペクトラム310は、デジタル高調波混合器の反転されたLO信号のDC高調波とデジタル入力信号との混合による反転されたデジタル混合信号の成分を同様に表す。スペクトラム312は、変転されたLOのスペクトラム及びスペクトラム310の混合成果を同様に表す。上述の如く、デジタル高調波の反転LO信号の1次高調波は、LO信号212の1次高調波から180度だけ位相シフトしている。反転デジタル高調波信号における180度の位相シフトは、スペクトラム312における180度の位相シフトを含んでいる。180度の位相差を図3Bにて点線として示す。
図4A及び4Bは、濾波したデジタル混合信号のスペクトラムを表す。この例において、開示した波形発生器システム及び方法のデジタル及び/又はアナログの領域にて濾波を行う。例えば、DACの実効サンプル・レートの2分の1に近い遮断周波数を有する対称なデジタルLPFにより、デジタル混合信号を濾波できる。いくつかの例において、濾波は、対応するDAC、デジタル・フィルタなどの固有の濾波の関数である。
いくつかの例において、デジタル混合信号の正味の濾波の結果は、デジタル混合器のLO信号の1次高調波の周波数の約2分の1に実質的に相補となる周波数応答である。周波数F1/2よりも高い所定オフセットでの周波数応答と、周波数F1/2よりも低い所定オフセットでの周波数応答とが1に加算できる。この例では1を用いたが、信号のスケールにより所望に他の値を用いることができる。さらに、上述の例を理想的な場合として述べたが、非理想的な成分、校正などを考慮して追加の濾波を用いることもできる。例示のシステムにおいて、デシメーション・フィルタ、対称なフィルタ及び校正フィルタも用いて、アナログ領域における非理想的な応答に対して補償する。
周波数応答の特別な例において、上述のF1として20.3125GHzを用いると、周波数F1/2は、10.15625GHzである。DCから9.12625GHzまで、周波数応答は1である。9,15265〜11.15625GHzから、周波数応答が1から0に線形に変化し、10.15625GHzにて1/2を通過する。その結果のスペクトラム成分を図4A及び4Bに示す。図4Aは、濾波された混合アナログ信号を示す。これは、400で示すスペクトラム200の低い周波数部分と、スペクトラム402で示すスペクトラム302の低い周波数部分とを含む。デジタル混合により、スペクトラム402は、周波数で反転しているにもかかわらず、スペクトラム300の高いサブバンドの周波数成分を含んでいる。同様に、図4Bのスペクトラム成分410及び412は、図3Aのスペクトラム310及び312の低い周波数成分に対応する。スペクトラム312の180度位相関係をスペクトラム412にて維持する。
よって、サブバンドのスパンがDACに関連したナイキスト帯域幅を超えても、高調波混合により、デジタル入力信号のサブバンドがアナログ信号に変換される。アナログ、デジタル、濾波済みなどにかかわらず、各混合信号は、図4A及び4Bに示すスペクトラム300の低周波数サブバンド及び高周波数サブバンドの如きデジタル入力信号の各サブバンドの成分を含む。
例えば、デジタル入力信号のサブバンドは、ベースバンドのサブバンドの帯域幅内に周波数シフトされる。いくつかの例において、デジタル入力信号の各サブバンドは、単一のサブバンドの帯域幅内に周波数シフトされている。しかし、多くのサブバンド及び高調波信号によって、各サブバンドは、各混合信号内に存在しなくてもよい。
図5A及び5Bは、コンバイナに入力する再構成信号のスペクトラムを表す。上述の如く、アナログ高調波信号及びデジタル高調波信号は、実質的に類似した周波数及び位相を有する。よって、図4AのスペクトラムをDC成分及び1次アナログ高調波信号と混合する。
スペクトラム500及び502は、図4Aのスペクトラム400及び402とDC成分との混合からのスペクトラムを表す。スペクトラム504は、スペクトラム400と1次高調波との混合の結果を表す。スペクトラム506及び508は、図4Aのスペクトラム402と1次高調波との混合を表す。
同様に、図5Bは、反転した高調波信号用の再混合信号のスペクトラムを表す。スペクトラム510及び512は、DC成分と図4Bのスペクトラムとの混合を表す。スペクトラム514は、反転アナログ高調波信号の1次高調波と図4Bのスペクトラム410との混合を表す。特に、反転アナログ高調波信号の1次高調波が相対的な180度位相シフトを有するので、その結果のスペクトラム514も、点線で示す180度の位相シフトを有する。
図4Bのスペクトラム412も反転アナログ高調波信号の1次高調波と混合される。しかし、スペクトラム412は、180度の誘導位相シフトを既に有する。よって、追加の180度位相シフトの結果、スペクトラム516及び518の実線で表す実質的に0度の位相シフトとなる。
図6は、図1に示すコンバイナからの出力である再構成デジタル入力信号のスペクトラム600を示す。スペクトラム604及び606は、スペクトラム600を形成する成分のサブバンドを表す。スペクトラム602は、図5A及び5Bに関連して述べた混合からの追加のサブバンドを表す。この例において、スペクトラム602は濾波されているが、他の例において、サブバンドが1次高調波周波数F1を超えて延びる。この場合、スペクトラム602が低い周波数サブバンドから発生するので、これを破壊的組合せによって除去できる。
混合信号の成分の関連位相同期により、これら元の周波数レンジ内のサブバンドが積極的に組み合わさる一方、これら元の周波数レンジ外のサブバンドが位相同期されて破壊的に組み合わされる。図5A、5B及び6を参照すると、組合さった際に、スペクトラム500及び510が積極的に組み合わさり、その結果がスペクトラム604になる。スペクトラム502及び512が破壊的に組合さると、スペクトラムが180度だけ位相がずれる。よって、ベースバンドのサブバンド内に留まるスペクトラムは、元のサブバンドである。
同様に、ほぼF1/2からF1までのサブバンドに対して、スペクトラム506及び516をスペクトラム606に積極的に組合せる一方、スペクトラム504及び514を破壊的に組合せる。スペクトラム508及び518をスペクトラム602に積極的に組合せるが、期待する入力周波数レンジを超えるように、スペクトラム602を濾波する。なお、この入力周波数レンジは、およそ周波数F1未満である。
スペクトラム604及び606で示すように、図4A及び4Bを参照して上述した濾波の結果である周波数F1/2の付近で遷移が生じる。スペクトラム604及びスペクトラム606の傾きは、相補的である。よって、スペクトラム604及び606の周波数成分が組み合わさったとき、その結果のスペクトラム600の部分は、元の周波数スペクトルとほぼ一致する。
よって、デジタル入力信号を種々の高調波信号と混合することにより、デジタル入力信号のサブバンドがDACの低い帯域幅を通過する。混合信号は、重なったサブバンドを含むが、高調波信号の位相同期のため、上述の如く組み合わさったときに、サブバンドが積極的及び破壊的に組み合わさって、デジタル入力信号のほぼ正確な再構成を生成する。
いくつかの例において、アナログ及びデジタルの高調波信号は、周波数及び位相が互いに整合している。アナログ信号及び高調波信号の周波数及び位相を整合させる1つの方法は、アナログ領域内のDACチャネル内に存在するがデジタル高調波信号と相関している低速クロックの高調波である混合周波数を選択することである。他の例において、独立したDACチャンネルが基準周波数として機能しており、この基準周波数は、アナログ高調波混合器の混合周波数と乗算される。上述の例のいくつかにおいて、アナログ高調波混合器は、全てのチャンネルでのDC高調波信号を通過させる。代わりに、デジタル入力信号を複数の帯域に分割でき、各帯域は、適切な混合高調波信号と乗算される。デジタル帯域は、アナログ信号に変換される前に、再組合せされる。各帯域にとって、たった1つのクロック高調波が、DACチャンネルのロウパス・フィルタ帯域幅内に混合成果物を発生する。DC入力を扱うのに必要なデジタル高調波混合器のみが低入力帯域用であり、これを0次クロック高調波と混合する(即ち、1と乗算するか、実際に混合器を必要とせずに直接的に通過させる)。
他の代替において、アナログ混合器は、標準混合器トポロジを適応させて、全チャンネルのDC高調波信号を通過させて、DC成分を含む高調波混合を行える。
図7A及び7Bは、上述の高調波混合器の任意の1つ以上を表す高調波混合器の例を示す。図7Aは、2方向の時間インターリーブ・スイッチを示す。図7Bは、N方向の時間インターリーブ・スイッチを示す。
これら実施例において、スイッチ780及び/又は781は、信号782を出力するように構成されている。2方向スイッチ780を用いるとき、制御信号788に応答して、入力信号784又は786が出力782となる。N方向スイッチ781を用いるとき、制御信号788に応答して、入力信号784、786〜N番目の入力787が出力782に切り替えられる。例えば、スイッチ781は、3投スイッチ、4投スイッチなどからN投スイッチまでにでき、入力信号784、786からN番目の入力787までが出力782にてその時間の1/N番目を使う。更なる経路及びサブバンドを追加するので、高調波信号の高調波が適切に位相同期される。いくつかの実施例において、高調波信号の相対的な位相シフトは、サブバンドの数で1周期を乗算した時間シフトだけ、位相の間隔が開けられる。
パルスは、全体のクロック・サイクルに比較して短くなるので、高調波コンテンツが豊かになる。例えば、2方向又は3方向スイッチに対して、0次高調波(DC)及び1次高調波を用いる。4方向又は5方向スイッチに対して、0次高調波、1次高調波及び2次高調波を用いることができる。6方向又は7方向スイッチに対して、0次高調波、1次高調波、2次高調波及び3次高調波を用いることができる。Nに増加すると、パルスが一層狭くなるので、豊かな高調波コンテンツを発生する。制御信号788は、1次高調波の基本周波数又は上述の他の適切な高調波周波数を有する信号である。
入力信号784、786からN番目の入力787までの全ての帯域は、出力経路782を通過する。例えば、スイッチ780を参照すると、制御信号788は、20.3125GHzの基本周波の矩形である。スイッチングの結果、出力782は、制御信号の2分の1サイクル期間中に入力信号784又は786を受け、他の2分の1サイクル期間中に他の入力信号を受ける。実際に、出力782は、例えば、20.1325GHzで0及び1の間で振動する矩形波で乗算された入力信号784又は786である。かかる矩形波を数(3)で表すことができる。
Figure 2014187693
数(3)は、かかる矩形波のテーラー級数の展開式である。DC、第1及び第2高調波を記載している。ここで、F1は、20.1325GHzである。成分の大きさが異なるが、数(1)及び(3)は、類似の高調波を含んでいる。
入力786は、入力784に類似しているが、入力信号784又は786が出力782に送られるのにかかる期間は、入力784に対して反転している。また、この効果は、入力信号784又は786と数(4)が定義する矩形波とを乗算するのに類似している。
Figure 2014187693
数(3)に類似して、数(4)は、上述の数(2)に記載した高調波信号に類似している。よって、スイッチ780のスイッチングの乗算効果は、スプリット信号と上述の高調波信号との混合と実質的に類似している。さらに、この例において、スイッチは、コンバイナ及び高調波混合器の両方として動作する。しかし、他の実施例において、スイッチ780は、単極単投スイッチにでき、単一の高調波混合器として作動する。
DC成分及び1次高調波の相対的大きさは異なるが、かかるアンバランスは、適切な経路内の補償フィルタにより補正できる。例えば、周波数F1/2及び周波数F1の間の上述のサブバンドは、ベースバンドのサブバンドよりもコンバイナ内の再構成期間中に適用された異なる利得を有する。
さらに、上述の数(3)及び(4)も3次高調波を記載している。いくつかの実施例において、3次高調波が望ましいだろう。しかし、そうでなければ、かかる高調波の影響を適切な濾波により補償できる。例えば、入力信号を濾波して、周波数F1より高い周波数成分を除去できる。よって、3*F1での周波数と混合するのに、かかる周波数成分が存在しない。さらに、DACの前の濾波は、エリアシングによりアナログ信号に影響を与える任意の高次周波数成分を除去できる。
不一致によるインターリーブ・エラーの場合に、クロック振幅及び位相を混合するために、ハードウェア調整を行える。この調整を校正して、インターリーブ不一致のスプリアスを最小にできる。代替として、又は、上述のアプローチに追加して、ハードウェア不一致を特徴付け、時間的可変補正フィルタを用いて、インターリーブ・スプリアスをキャンセルできる。
さらに、いくつかの場合において、スイッチが常に完全に動作するとは限らない。例えば、エラーのスイッチは、ある方向において他よりも更に時間を費やすので、スキューのあるデューティ・サイクルが生じる。アナログ高調波信号の振幅又は位相を適切に調整することによって、アナログ高調波信号内に存在するだろう位相又は振幅のエラーを補償するように、デジタル高調波混合器を構成できる。
図8は、他の高調波混合器の例である。スイッチング回路800は、制御信号806に応答して2つの入力信号808及び810を出力802及び804に交互に切り替えるように構成されている。制御信号806は、再度、矩形波又は他の類似信号であり、スイッチング回路800のスイッチを切り替えるように付勢する。制御信号806の2分の1サイクルの期間中、入力信号808が出力802に切り替わる一方、入力信号810が出力804に切り替わる。他の2分の1サイクルの期間中、入力信号808が出力804に切り替わる一方、入力信号810が出力802に切り替わる。
いくつかの実施例において、入力信号810は、入力信号808が反転され縮尺された形である。かかる入力及び上述の切替えの結果は、図7Aのスイッチ780に関連して上述したレベルからの他の高調波及びDCを再バランスしたものである。例えば、入力信号810は、入力信号808を部分的反転したものである。図7Aのスイッチ780による1及び0の間の切替えの代わりに、例えば、出力802及び804の実際の出力を1及び (2-π)/(2+π)の間で切り替えることができる。よって、振幅及びDCレベルを所望に調整して、複数の高調波の間で所望のバランスを得ることができる。
図9は、高調波混合器の別の例を示す。高調波混合器970は、スプリッタ972、混合器975及びコンバイナ977を含んでいる。スプリッタ972は、入力信号971を信号973及び974に分割するように構成されている。信号974は、コンバイナ977に入力する。信号974は、他の信号と混合されないので、信号974は、上述の高調波混合器のDC成分として動作する。
信号973は、混合器975に入力する。信号976は、信号973と混合される。いくつかの実施例において、信号976は、上述の周波数F1の如き単一の高調波である。追加の高調波が望ましければ、追加の混合器を設けて、コンバイナ977で各出力を組合せる。
他の実施例において、信号976は、多数の高調波を含んでいる。混合器975のポートの帯域幅が所望周波数レンジに適応する限り、単一の混合器975を使用できる。しかし、上述の高調波信号のDC成分は、異なる経路でコンバイナ977に進むので、信号973及び976を受ける混合器のポートは、DCに対して動作する必要がない。よって、広範囲の種々の混合器を使用できる。信号979及び974がコンバイナ977で組合さると、出力信号978を上述の混合信号とほぼ等しくできる。
いくつかの実施例において、スプリッタ972は、必要ないが、入力信号971を対称に分割できる。例えば、信号974を出力するスプリッタの側は、上述の濾波遮断周波数の又はそれより上の帯域幅を有する。信号973を出力するスプリッタ972の側は、信号976の高調波で中心となる周波数レンジと、上述の濾波遮断周波数の2倍以上の帯域幅とを有する。すなわち、スプリッタ972の周波数応答は、各経路に対して等しい必要がなく、所望に調整できる。
例えば、図10は、ダイオード・リング混合器を適用して2方向インターリーブ・システム用のアナログ高調波混合器を実現することにより、DC成分との高調波混合を行う例示の混合器トポロジ1000の回路図である。この例において、混合器クロックの如き高調波信号1002は、トランス1006を介してダイオード・リング1004に入力できる。入力信号1008、1010を入力1012及び1014に供給する。よって、高調波信号に応じて、入力信号は、出力1016であるトランス1006の中央タップに交互に切り替えられる。例えば、高調波信号により、トランスの下部が正で上部が負のときに、右のダイオードがオンとなり、トランスの極性が逆になったときに、左のダイオードがオンとなる。この動作において、2つの入力信号1008、1010は、高調波サイクルの対向する半分で、交互に出力に進む。この例において、ダイオード・リング混合器が2つの混合器及びコンバイナの組合せ機能を提供する点に留意されたい。
いくつかの実施例において、2つの経路と2つの重なったサブバンドとが実現している。しかし、上述の如く、任意の数の経路及びサブバンドを使用できる。いくつかの実施例において、用いる高調波の数は、サブバンドの数の2分の1プラス1で、端数を切り捨てた数に等しくできる。ここで、DCは、0次高調波として含まれる。例えば、3つのサブバンドに対して、わずか2つの高調波を使用できる。上述の周波数レンジを例として用いると、1次高調波は、周波数F1よりも高い周波数をベースバンドのサブバンドに周波数シフトできる。高調波信号の1次高調波は、120度の相対位相シフトで、位相同期できる。
よって、サブバンドがコンバイナ58内での組合せ期間中に適当な周波数範囲内にあると、サブバンド・スペクトラムは、0度の相対位相シフトの如く同じ位相シフトを有する。これとは対称に、不正確な周波数レンジ内のサブバンドの3つの成分は、120度だけ互いに位相がオフセットする。その結果のスペクトラムは、破壊的に組み合わさり、不正確なサブバンドを除去する。更なる経路及びサブバンドを加えると、高調波信号の高調波が適切に位相同期される。いくつかの実施例において、高調波信号の相対位相システムは、サブバンドの数で1周期を除算した時間シフトだけ位相が間隔を開ける。
さらに、デジタル濾波、混合及び組合せを個別の動作として説明したが、かかる動作を組合せること、他の機能に一体化することなどができる。さらに、上述のように、非理想的成分を補正するために、仮定した理想成分、追加の補償をかかる処理に適切に導入することができる。
他の実施例は、コンピュータが読み取り可能な媒体に埋め込まれたコンピュータ読み取り可能なコードを含んでおり、これを実行すると、コンピュータがいかなる上述の動作も実行できる。ここで用いる如く、コンピュータは、コードを実行できる任意の装置である。マイクロプロセッサ、プログラマブル・ロジック装置、マルチプロセッサ・システム、デジタル信号プロセッサ、パーソナル・コンピュータなどは、かかるコンピュータの全ての例である。いくつかの実施例において、コンピュータが読み取り可能な媒体とは、コンピュータ読み取り可能コードを一時でない方法にて蓄積するように構成され、コンピュータが確実に読み取りできる媒体である。
波形を発生するための上述のシステム及び方法の変形、他の特徴及び機能、又はこれらの代替は、多くの他のシステム、方法又はアプリケーションに所望に組合せてもよいことが理解できよう。また、現在は予知できない又は予測できない種々の代替、変形、変更又はこれらの改良は、当業者によって今後実現できるかもしれない。
100 例示の波形発生器
102 スプリッタ
104 デジタル入力信号
106 スプリット信号
108 デジタル高調波混合器
110 デジタル混合信号
112 局部発振器
114 フィルタ
116 デジタル領域
118 アナログ領域
120 濾波された混合デジタル信号
122 DAC
124 アナログ信号
126 再構成フィルタ
128 濾波されたアナログ信号
130 混合器
134 再混合信号
136 コンバイナ
138 出力信号
200 例示の波形発生器
202 入力信号
204 スプリッタ
206 第1DACチャンネル
208 第2DACチャンネル
210 デジタル混合器
211 デジタル混合器
212 デジタル・クロック
213 デジタル・クロック
214 混合デジタル信号
216 ロウパス・フィルタ
218 DAC
220 再構成フィルタ
222 濾波されたアナログ信号
224 アナログ混合器
226 局部発振器(LO)からの信号
228 加算器
230 ロウパス・フィルタ
300 スペクトラム
302 スペクトラム
310 スペクトラム
312 スペクトラム
400 スペクトラム
402 スペクトラム
410 スペクトラム
412 スペクトラム
500 スペクトラム
502 スペクトラム
504 スペクトラム
506 スペクトラム
508 スペクトラム
510 スペクトラム
512 スペクトラム
514 スペクトラム
516 スペクトラム
518 スペクトラム
600 スペクトラム
602 スペクトラム
604 スペクトラム
606 スペクトラム
780 スイッチ
781 スイッチ
782 出力信号
784 入力信号
786 入力信号
787 N番目の入力信号
788 制御信号
800 スイッチング回路
802 出力信号
804 出力信号
806 制御信号
808 入力信号
810 入力信号
970 高調波混合器
971 入力信号
972 スプリッタ
973 スプリット信号
974 スプリット信号
975 混合器
976 信号
977 コンバイナ
978 出力信号
979 信号
1000 混合器トポロジ
1002 高調波信号(混合器クロック)
1004 ダイオード・リング
1006 トランス
1008 入力信号
1010 入力信号
1012 入力端子
1014 入力端子
1016 出力信号

Claims (6)

  1. 入力信号周波数帯域幅を有するデジタル入力信号を受けるように構成されると共に、上記デジタル入力信号を複数のスプリット信号に分割するように構成され、上記入力信号周波数帯域幅と実質的に類似したスプリット信号周波数帯域幅を上記スプリット信号の各々が有するスプリッタと、
    上記スプリット信号の関連した1つを、関連したデジタル高調波信号とデジタル的に混合して、複数のデジタル混合信号を発生するように構成された複数のデジタル高調波混合器と、
    上記複数のデジタル混合信号をアナログ信号に変換するように各々が構成され、上記関連したデジタル高調波混合器の少なくとも1つの1次高調波信号と異なる有効サンプル・レートを夫々が有する複数のデジタル・アナログ変換器と、
    上記アナログ信号の関連した1つをアナログ高調波信号と混合して、複数の混合アナログ信号を発生するように構成された複数のアナログ高調波混合器と、
    上記複数のデジタル・アナログ変換器の少なくとも1つの帯域幅よりも広い出力信号帯域幅を有する出力信号に上記複数の混合アナログ信号を組合せするように構成されたコンバイナと
    を備えた波形発生器。
  2. 上記デジタル高調波混合器に関連した少なくとも1つの高調波信号の上記1次高調波は、上記デジタル・アナログ変換器の上記少なくとも1つの上記実効サンプル・レートと、上記デジタル・アナログ変換器の上記少なくとも1つの実効サンプル・レートの2分の1との間である請求項1の波形発生器。
  3. 上記複数のデジタル混合信号は、単一のサブバンドの帯域幅内に上記デジタル入力信号の少なくとも2つのサブバンドを含む請求項1の波形発生器。
  4. 入力信号周波数帯域幅と実質的に類似したスプリット信号周波数帯域幅を各々が有する複数のスプリット信号に、上記入力信号周波数帯域幅を有するデジタル入力信号を分割することと、
    実効サンプリング・レートにて、上記スプリット信号の各々を、関連したデジタル高調波信号にデジタル的に混合して、複数のデジタル混合信号を発生することと、
    上記関連したデジタル高調波混合の少なくとも1つの1次高調波信号と異なる実効サンプリング・レートにて、上記複数のデジタル混合信号を複数のアナログ信号に変換することと、
    上記アナログ信号の各々を、関連したアナログ高調波信号と混合して、複数の混合アナログ信号を発生することと、
    上記複数の混合アナログ信号を、上記複数のデジタル・アナログ変換器の少なくとも1つの帯域幅よりも広い出力信号帯域幅を有する出力信号に組み合わせることと
    を備えた波形発生方法。
  5. 上記1次高調波信号は、上記複数のデジタル混合信号が上記複数のアナログ信号に変換された際の実効変換サンプル・レートと、上記実効変換サンプル・レートの2分の1との間である請求項4の方法。
  6. 上記複数のデジタル混合信号は、単一のサブバンドの帯域幅内に上記デジタル入力信号の少なくとも2つのサブバンドを含む請求項4の方法。
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