包括使用諧波混頻的異步時(shí)間交錯(cuò)數(shù)字化器的測(cè)試和測(cè)量?jī)x器的制造方法
【專利說(shuō)明】包括使用諧波混頻的異步時(shí)間交錯(cuò)數(shù)字化器的測(cè)試和測(cè)量 儀器
【背景技術(shù)】
[0001] 本發(fā)明涉及測(cè)試和測(cè)量?jī)x器，并且更特別地涉及包括一個(gè)或多個(gè)異步時(shí)間交錯(cuò)數(shù) 字化器的測(cè)試和測(cè)量?jī)x器，該一個(gè)或多個(gè)異步時(shí)間交錯(cuò)數(shù)字化器利用諧波混頻來(lái)減少噪 音。
[0002] 諸如數(shù)字示波器之類的測(cè)試和測(cè)量?jī)x器的可用帶寬可能會(huì)受到用于對(duì)輸入信號(hào) 進(jìn)行數(shù)字化的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC)的限制。ADC的可用帶寬可以被限制到模擬帶寬或者ADC 的最大采樣率的一半中的較小者。已經(jīng)開發(fā)了各種技術(shù)以利用現(xiàn)有的ADC來(lái)對(duì)較高帶寬的 信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化。
[0003] 例如，同步時(shí)間交錯(cuò)可以被用于實(shí)現(xiàn)有效的較高采樣率。多個(gè)ADC可以在單個(gè)采 樣周期內(nèi)及時(shí)地對(duì)輸入信號(hào)偏離進(jìn)行采樣。數(shù)字化后的輸出可以被組合到一起，以達(dá)到有 效的倍增采樣率。然而，如果ADC的模擬帶寬變?yōu)橄拗埔蜃?，則需要諸如多路交錯(cuò)跟蹤和保 持放大器之類的高帶寬前端來(lái)實(shí)現(xiàn)較高帶寬。
[0004] 常規(guī)的基于跟蹤和保持放大器的時(shí)間交錯(cuò)系統(tǒng)使得跟蹤和保持放大器以類似于 或慢于ADC信道帶寬的采樣率來(lái)設(shè)置時(shí)鐘，從而ADC將具有足夠的時(shí)間穩(wěn)定到保持值。ADC 與跟蹤和保持放大器同步設(shè)置時(shí)鐘以便數(shù)字地捕獲每一個(gè)保持值。對(duì)于跟蹤和保持放大器 的這種限制繼而限制了 ADC采樣率。此外，為了滿足奈奎斯特采樣定理，ADC采樣率被降低 到低于ADC信道帶寬的兩倍。結(jié)果，需要許多時(shí)間交錯(cuò)ADC信道以實(shí)現(xiàn)期望的性能。
[0005] 隨著ADC信道數(shù)量的增加，系統(tǒng)的整體成本和復(fù)雜性也增加。例如，前端芯片現(xiàn)在 必須驅(qū)動(dòng)更多的ADC信道，包括附加的ADC電路、設(shè)置時(shí)鐘電路等等，以得到達(dá)到適當(dāng)?shù)闹?的總的凈采樣率。芯片的尺寸和復(fù)雜性也導(dǎo)致更長(zhǎng)的通信路徑，并且因此導(dǎo)致寄生電容、電 磁噪聲、設(shè)計(jì)難度等的增加。
[0006] 在另一技術(shù)中，輸入信號(hào)的子頻帶可以被下變頻到可通過(guò)較低采樣率ADC的頻率 范圍。換句話說(shuō)，寬的輸入帶寬可以被分離成多個(gè)較低帶寬ADC信道。在數(shù)字化之后，子頻 帶可以被數(shù)字地上變頻到各自的原始頻率范圍并且被組合成輸入信號(hào)的表示。該技術(shù)的一 個(gè)顯著缺點(diǎn)是當(dāng)對(duì)任意輸入信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化時(shí)的固有噪聲懲罰，其中所述任意輸入信號(hào)的 頻率組成能夠被路由至僅一個(gè)ADC信道。再組合的輸出將包含來(lái)自僅一個(gè)ADC的信號(hào)能量， 但包含來(lái)自所有ADC的噪聲能量，從而使信噪比（SNR)降級(jí)。
[0007] 因此，仍然需要用于在異步時(shí)間交錯(cuò)構(gòu)架中由所有ADC信道對(duì)任何頻率的輸入信 號(hào)進(jìn)行數(shù)字化從而避免噪聲懲罰的改進(jìn)設(shè)備和方法。
【附圖說(shuō)明】
[0008] 圖1為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于使用諧波混頻的測(cè)試和測(cè)量?jī)x器的ADC系統(tǒng)的 框圖。
[0009] 圖2-8示出了在圖1的用于測(cè)試和測(cè)量?jī)x器的ADC系統(tǒng)中的各種信號(hào)的頻譜分量 的示例。
[0010] 圖9-12為圖1的諧波混頻器的示例的框圖。
[0011] 圖13為圖1的具有補(bǔ)償振蕩器的異步時(shí)間交錯(cuò)（ATI)數(shù)字化器的框圖的實(shí)施例。
[0012] 圖14為圖1的具有補(bǔ)償振蕩器的ATI數(shù)字化器的框圖的另一實(shí)施例。
【具體實(shí)施方式】
[0013] 本公開描述了用于使用諧波混頻的測(cè)試和測(cè)量?jī)x器的ADC系統(tǒng)的實(shí)施例。
[0014] 圖1為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用于使用諧波混頻的測(cè)試和測(cè)量?jī)x器的ADC系統(tǒng)的框 圖。在該實(shí)施例中，所述儀器包括分離器10,所述分離器10被配置成將具有特定頻譜的輸 入信號(hào)12分離成多個(gè)分離信號(hào)14和16,每個(gè)分離信號(hào)基本上包括輸入信號(hào)12的整個(gè)頻 譜。分離器10可以是能夠?qū)⑤斎胄盘?hào)12分離成多個(gè)信號(hào)的任何種類的電路。例如，分離 器10可以是電阻分壓器。因此，輸入信號(hào)12的基本上所有頻率分量可以存在于每個(gè)分離 信號(hào)14和16中。然而，根據(jù)路徑數(shù)、所使用的諧波信號(hào)等等，對(duì)于分離器10的各種分離信 號(hào)的頻率響應(yīng)可以是不同的。
[0015] 分離信號(hào)14和16分別是到諧波混頻器18和24的輸入。諧波混頻器18被配置 成將分離信號(hào)14與諧波信號(hào)20混頻從而產(chǎn)生混頻信號(hào)22。類似地，諧波混頻器24被配置 成將分離信號(hào)16與諧波信號(hào)26混頻從而產(chǎn)生混頻信號(hào)28。
[0016] 如這里所使用的，諧波混頻器是一種被配置成將信號(hào)與多個(gè)諧波混頻的設(shè)備。盡 管已經(jīng)結(jié)合諧波混頻描述了乘法和/或混頻，如下面將進(jìn)一步詳細(xì)描述的，可使用具有將 信號(hào)與多個(gè)諧波相乘的效果的設(shè)備作為諧波混頻器。
[0017] 在一些實(shí)施例中，多個(gè)諧波可以包括零階諧波或DC分量。例如，在一些實(shí)施例中， 諧波信號(hào)20可以是由等式⑴表示的信號(hào)：
[0018] 1+2〇〇8(2 31?^) (1)
[0019] 這里，匕表示一階諧波，并且t表示時(shí)間。因此，具有等式（1)形式的信號(hào)具有處 于DC和頻率諧波。
[0020] 諧波信號(hào)26可以是由等式（2)表示的信號(hào)：
[0021] UcosUnFit) (2)
[0022] 類似于諧波信號(hào)20,諧波信號(hào)26具有處于DC和頻率匕的諧波。然而，頻率F屬 的一階諧波相對(duì)于諧波信號(hào)20中類似的一階諧波是異相180度的。
[0023] 數(shù)字化器30被配置成對(duì)混頻信號(hào)22進(jìn)行數(shù)字化。類似地，數(shù)字化器32被配置成 對(duì)混頻信號(hào)28進(jìn)行數(shù)字化。數(shù)字化器30和32可以是任何種類的數(shù)字化器。盡管未說(shuō)明， 但每個(gè)數(shù)字化器30和32可以根據(jù)需要具有前置放大器、濾波器、衰減器和其它模擬電路。 因此，輸入到數(shù)字化器30的混頻信號(hào)22例如可以在數(shù)字化前被放大、衰減或者以其他方式 被濾波。
[0024] 數(shù)字化器30和32被配置成以有效采樣率操作。在一些實(shí)施例中，數(shù)字化器30可 以包括單個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC)。然而，在其它的實(shí)施例中，數(shù)字化器30可以包括以較低采樣 率操作的多個(gè)交錯(cuò)的ADC，以實(shí)現(xiàn)較高的有效采樣率。
[0025] 諧波信號(hào)20和26中的至少一個(gè)的一階諧波與數(shù)字化器30和32中的至少一個(gè)的 有效采樣率不同。例如，諧波信號(hào)20的一階諧波Fi可以是34GHz。數(shù)字化器30的采樣率 可以是50GS/s。因此，一階諧波匕不同于有效采樣率。
[0026] 在一些實(shí)施例中，諧波信號(hào)的一階諧波不需要是至少一個(gè)數(shù)字化器的有效采樣率 的整數(shù)倍或者約數(shù)。換句話說(shuō)，在一些實(shí)施例中，與諧波混頻器相關(guān)聯(lián)的諧波信號(hào)的一階諧 波不是至少一個(gè)數(shù)字化器的有效采樣率的整數(shù)倍或者約數(shù)。
[0027] 在一些實(shí)施例中，諧波信號(hào)的一階諧波可以處于至少一個(gè)數(shù)字化器的有效采樣率 和至少一個(gè)數(shù)字化器的有效采樣率的一半之間。特別地，如下面將進(jìn)一步詳細(xì)描述的，這種 頻率允許高于和/或低于一階諧波的較高頻率分量被下混頻至頻率低于數(shù)字化器30的采 樣率的一半。因此，這種頻率分量可以由數(shù)字化器30有效地進(jìn)行數(shù)字化。
[0028] 應(yīng)當(dāng)理解的是，輸入信號(hào)12的所有頻帶通過(guò)所有路徑。換句話說(shuō)，當(dāng)多于一個(gè)的 信道被組合以用于處理單個(gè)輸入信號(hào)12時(shí)，每個(gè)信道或路徑基本上接收輸入信號(hào)12的整 個(gè)帶寬。由于輸入信號(hào)12通過(guò)所有的數(shù)字化器進(jìn)行傳送，所以信噪比被明顯地改進(jìn)。
[0029] 濾波器36可以被配置成對(duì)來(lái)自數(shù)字化器30的數(shù)字化后的混頻信號(hào)34進(jìn)行濾波。 類似地，濾波器42可以被配置成對(duì)來(lái)自數(shù)字化器32的混頻信號(hào)40進(jìn)行濾波。諧波混頻器 46和52被配置成將濾波后的混頻信號(hào)38和44分別與諧波信號(hào)48和54混頻。在一些實(shí) 施例中，諧波信號(hào)48和54可以在頻率和相位上與相應(yīng)的諧波信號(hào)20和26基本上相似。盡 管諧波信號(hào)20和26為模擬信號(hào)并且諧波信號(hào)48和54為數(shù)字信號(hào)，針對(duì)這些諧波信號(hào)的 縮放因子可以彼此相同或類似。輸出信號(hào)50和56被稱為再混頻信號(hào)50和56。組合器58 被配置成將再混頻信號(hào)50和56組合為重構(gòu)的輸入信號(hào)60。在一些實(shí)施例中，組合器58可 以不僅僅實(shí)現(xiàn)信號(hào)的相加。例如，可以在組合器58中實(shí)現(xiàn)平均、濾波、縮放等等。
[0030] 濾波器36和42、諧波混頻器46和52、諧波信號(hào)48和54、組合器58和其它相關(guān)聯(lián) 的元件可以被數(shù)字地實(shí)現(xiàn)。例如，數(shù)字信號(hào)處理器OSP)、微處理器、可編程邏輯器件、通用 處理器或者具有根據(jù)期望的適當(dāng)外圍設(shè)備的其它處理系統(tǒng)，可以被用于實(shí)現(xiàn)處理數(shù)字化后 的信號(hào)的功能。介于完全集成與全部分立組件之間的任何變型均可以被用于實(shí)現(xiàn)該功能。
[0031] 使用諧波信號(hào)20、26、48和54的一些同步形式。例如，諧波信號(hào)20和26的諧波可 以被鎖定到與數(shù)字化器30和32相關(guān)的時(shí)鐘。在另一個(gè)示例中，諧波信號(hào)可以被數(shù)字化。因 此，一階諧波將可用于同步諧波信號(hào)48和54。在另一個(gè)示例中，頻帶外的音調(diào)可以被添加 到混頻信號(hào)22和28中的一個(gè)或多個(gè)。利用34GHz、19. 125GHz和21. 25GHz音調(diào)或者34GHz 的9/16和10/16的一階諧波可以被添加到混頻信號(hào)22。由于這些音調(diào)位于由濾波器36最 終建立的濾波帶寬（即根據(jù)過(guò)渡頻帶大約為18GHz)之外，所以這些音調(diào)能夠?qū)χ貥?gòu)的信號(hào) 60具有基本上可忽略的影響。然而，由于音調(diào)可能小于奈奎斯特頻率，即對(duì)于50GS/s的采 樣率小于25GHz，所以所述音調(diào)可以通過(guò)在濾波之前利用數(shù)字化后的混頻信號(hào)34來(lái)獲取。 無(wú)論使用何種技術(shù)，諧波信號(hào)20和26與數(shù)字諧波信號(hào)48和54之間的相位和頻率關(guān)系可 以被維持。
[0032] 圖2-8圖示了圖1中的用于測(cè)試和測(cè)量?jī)x器的ADC系統(tǒng)中的各種信號(hào)的頻譜分量 的示例。參照?qǐng)D1和2,頻譜