CN106370936A - 经时间校正的时域反射计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及经时间校正的时域反射计。一种测试和测量仪器，包括：输入，被配置成从待测设备接收反射和/或透射脉冲信号；基准时钟输入，被配置成接收基准信号，所述基准信号与反射脉冲信号异步；相位基准模块，被配置成采集基准信号的样本；采样模块，被配置成采集反射脉冲信号的样本；以及控制器，被配置成基于所采集的基准信号的样本和所采集的反射脉冲信号的样本来确定待测设备的散射参数。

Description

经时间校正的时域反射计

技术领域

本公开涉及使用异步相位基准、快速冲击、以及电采样示波器来确定未知待测设备的反射系数、透射系数和散射参数。

背景技术

采用时域解决方案的测试和测量系统是受限制的。当前，时域反射计和透射计（transmitometer）仅可用于直至大约50GHz。矢量网络分析仪当具有更高带宽时是极其昂贵的。

所公开的技术的实施例致力于现有技术中的这些和其它限制。

发明内容

所公开的技术的一些实施例指向测试和测量仪器，其包括：输入，其被配置成从待测设备接收反射或透射脉冲信号；基准时钟输入，被配置成接收基准信号，所述基准信号与反射脉冲信号异步；相位基准模块，被配置成采集基准信号的样本；采样模块，被配置成采集反射和/或透射脉冲信号的样本；以及控制器，被配置成基于所采集的基准信号的样本和所采集的反射和/或透射脉冲信号的样本来确定待测设备的反射和透射系数。

所公开的技术的一些实施例指向用于确定待测设备的散射参数的方法，其包括：接收从待测设备反射的脉冲信号；接收从待测设备透射的脉冲；接收基准信号，所述基准信号与所述反射脉冲信号异步；采集基准信号的样本；采集透射和/或反射脉冲信号的样本；以及基于所采集的基准信号的样本和所采集的反射脉冲信号的样本来确定待测设备的散射参数。

附图说明

图1图解适用于实现所公开的技术的采集方法的测试和测量器材的布置。

图2描绘用于使用所公开的技术确定待测设备的散射参数的方法。

图3示出使用图2的方法计算出的冲击和所采样的数据的全尺寸。

图4示出其中在使用图2的方法计算出的冲击和所采样的数据的冲击响应中纹波依然可见的放大区域。

图5示出使用图2的方法计算出的冲击和所采样的数据的主脉冲的放大区域。

图6图解在待测设备具有多个输入和输出端口时适用于实现所公开的技术的采集方法的测试和测量器材的布置。

具体实施方式

在不必然按比例的附图中，通过相同的参考数字表示所公开的系统和方法中的相似或对应的元素。

图1描绘根据所公开的技术的具有电采样模块的测试和测量系统的布置。脉冲源100被连接到高速光电二极管102。脉冲源100优选地为光脉冲源，诸如例如，Calmar锁模激光器。可以使用其它类型的脉冲源来提供脉冲。然而，脉冲源应为高度稳定的。光电二极管102被连接到电阻分压器106的一个端口104。电阻分压器106的第二端口108被连接到电采样模块110。电阻分压器106的第三端口112被连接到或者待测设备（DUT）114或者校准标准（当执行校准时）。

来自采样模块110的输出被发送到模数（ADC）转换器116用以对来自采样模块110的所采样的输出数字化并被传递至控制器118用于在下面讨论的进一步处理并用于存储在存储器120中。控制器118可以是采用软件的通用处理器、微控制器、ASIC、FPGA等等。

还提供接收基准时钟124信号的相位基准模块122。基准时钟124优选地为高度稳定的基准频率。基准时钟124优选地为正弦波。正弦波在光谱上是纯净的，意味着其具有低的相位噪声，或相当于其具有低抖动。出于下面讨论的原因，基准时钟124的频率不是关键性的。基准时钟124可以是在测试和测量仪器内部或外部。

相位基准模块122在内部将基准时钟拆分成两个复制品，并正交地、或90°分开地对它们采样以产生每个样本一对所采样的模拟值。模数转换器（ADC）126和128对来自相位基准模块122的所采样的模拟值数字化。这些经数字化的采样值被分别地发送到控制器118和存储器120用于处理和存储。因为脉冲源100和基准时钟124两者都为高度稳定的，因此两个设备之间的相位应相对于彼此线性地漂移。因此从所测量的这两者之间的线性漂移偏离的任何相位差是由测量系统的时基引起的，并且可以被校正，如下面更详细地讨论的那样。

确定校准系数并将其存储在存储器120中用于处理来自DUT 114的信号。为了确定校准系数，在使用三个已知终端（通常为断路、短路、和50Ohm负载）来端接分压器106的端口三112时确定测量。执行下面关于DUT 114描述的相同的规程以确定当电阻分压器106的端口三112为断路、短路、或被连接到已知负载时的校准标准。这可以例如以有规律的时间间隔被完成并被存储在存储器120中。

在操作期间，脉冲源100发送脉冲信号通过二极管102到电阻分压器106。然后电阻分压器106分割将被发送到DUT 114（或在校准期间被发送到校准标准）和采样模块110的信号。采样模块110从电阻分压器接收冲击信号，并且还接收通过电阻分压器106返回的在DUT114处接收的冲击信号的反射信号。即，冲击信号被从DUT 114反射并且还在采样模块110处被接收。该测量的信号被用来在不使用矢量网络分析仪的情况下计算DUT 114的反射系数S11。然后可以将反射系数从DUT所接收的信号中去嵌入，以用于由测试和测量仪器的其它计算。

在时间周期T上测量四个不同的测试信号的冲击。该时间周期包括原始冲击，以及来自DUT 114或校准标准的反射信号。虽然严格来说原始冲击不需要被测量，但是这样的测量使得更容易对准反射信号。对于每个冲击测量，相位基准模块122还必须被用于捕捉来自基准时钟124的基准信号。即，在时间周期T期间，测量反射测试信号以及来自基准时钟124的基准信号。

优选地，应采取四个测量中的每一个的多个采集。接收越多的数据，在后处理的波形中存在的噪声水平就越低。

图2描绘用于确定DUT 114的反射系数的方法。

在步骤200中，使用异步校正算法针对基于时间的误差对所测量的冲击中的所有进行校正，如在提交于2008年3月21日的题为“SEQUENTIAL EQUIVALENT –TIME SAMPLINGWITH AN ASYNCHRONOUS REFERENCE CLOCK”的美国专利号7,746,058中讨论的那样，通过引用将其以其整体并入本文。

即，在时间周期T期间测量基准时钟信号的冲击和相位。绘制基准时钟信号的同相和正交分量。作为结果的李萨茹图符合椭圆以计算相位。因为相位具有线性进展，因此对其展开并采用直线拟合相位数据。从该直线的偏差为在系统中存在的抖动。通过将弧度转换成秒，可以基于从该直线的偏差对由采样模块110接收的信号进行时间校正。

现在，经时间校正的数据不再均一地间隔。每个点具有其自己的唯一时间戳。然后对经时间校正的脉冲重新采样成均一地间隔。为此，通过采用高斯函数拟合初始脉冲来对由采样模块110接收的信号的经时间校正的脉冲进行对准。高斯函数的中心的位置被用作用于重新对准数据的基准点。如上面提及的那样，因为时基的校正在时间上移动样本位置，因此冲击数据不再具有均一地间隔的采样点。这需要被校正，因此在下一步骤中可以采取傅里叶变换。然后对多个采集一起取平均以减小噪声。可以通过采用高斯冲击取得数据的数值卷积来执行对时基取平均和重新采样，如下面更详细地描述的那样。

在操作202中，将所有测量的波形的所有对（t,y）置于一个数据记录[T,Y]中。矢量T由非均一间隔的时间点构成，并且矢量Y由振幅数据构成。选择均一间隔的采样网格t ={t0, t1, t2, …, ti}，其中ti=i*Δt。

在操作204中，针对每个时间间隔ti运算积分以确定在每个时间间隔ti处的脉冲的振幅以对数据重新采样。这是函数(Y)与高斯冲击的卷积。值σ确定冲击的上升时间。该积分用作对数据取平均。使用高斯函数还使带宽计算更容易。因为函数Y是经采样的Yi，因此需要数值地运算该积分。对于小的上升时间，高斯的尾部迅速衰减，并且仅需要使用小的积分区域，这导致增加的运算速度。

通过选择高斯的上升时间，可以将滤波器带宽调节成对所测量的数据具有最小冲击使得y(ti)≈Y(ti)，即，上升时间越小，滤波器的有效带宽越大。然而，存在实践上的限制，即如果上升时间被变得太小，那么滤波器就变得太窄并且没有足够的采样数据被用于任何给定的点。这导致看起来嘈杂的绘图，因为没有足够的噪声被平均。

在操作206中，对Yi采取快速傅里叶变换（FFT）。

校正时基、重新采样、以及对数据取平均产生了一个均一的时间矢量和四个冲击测量振幅矢量，其中可以从先前的测量中存储三个校准矢量。对于校准步骤，采取FFT从而数据处于频域中。

由于如上面讨论的那样、校准标准被预存储在存储器120中，因此仅有DUT 114的反射系数是未知的。可以使用频域中的标准校准校正算法来校正DUT 114的测量。这些算法使用预测量的校准标准以针对测量系统中的未知失真进行校正。

为了在操作208中计算基于非理想测量的实际反射，使用三个已知的基准标准，通常为短路、断路和负载。这些标准中的每一个的反射系数是已知的，因此可以针对校准标准中的每一个将所测量的反射与实际反射相比较。在一个端口DUT网络分析中，存在三个误差项，其通常被称为源匹配、指向性和反射跟踪误差。建立三个方程，将已知标准与测量结果相比较，其中这三个方程中的每一个都具有三个未知数（指向性、源匹配和反射跟踪）。针对这三个未知数求解三个方程并使用它们来校正DUT的s参数。

从而，使用电采样示波器、而不是矢量网络分析仪来确定反射系数S11 S参数。上面讨论的方法和系统还可以被用于测量来自DUT的透射信号而不是反射信号。

图3-6示出使用图2的方法计算出的冲击。对于此方法，选择了0.5pS的卷积上升时间。这对应于具有在100GHz处仅0.05dB的损耗的滤波器，因此卷积在感兴趣的带宽上的影响相当小。

上面讨论的所公开的技术不被限于测量单个端口。上述系统和方法可以被延伸至测量多个端口DUT的散射参数。为了将上面讨论的方法和系统延伸至多个端口，将针对每个端口执行上面讨论的方法。

对于多端口散射参数，一种可能的设置将是如在图6中所示的那样。在这里，使用光开关604将冲击激光按规定路线发送（route）至N个光电二极管102、600、602。二极管102、600、602中的每一个被分别地连接到DUT 114，以及分压器106、610、612，以及采样器110、606、和608，如在一端口情况中那样。如以前那样通过在光脉冲射入到第n个二极管602上时测量第n个采样器608处的冲击来确定反射系数。也可以通过在脉冲射入到第n个二极管602上时测量第n-1个采样器606来测量从端口n-1到端口n的透射系数。需要针对每个端口进行反射校准和通过校准。需要对校准方法进行修改，当之前使用了三个已知反射（短路、断路和负载），现在使用已知通过。需要测量从n个端口中的每一个到其它n-1个端口的通过。校准是如以前那样，其中通过解方程组来求解误差。

已经在所公开的技术的优选实施例中描述并图解了所公开的技术的原理，可以在布置和细节方面修改所公开的技术而不脱离这样的原理应是显而易见的。我主张所有的修改和变化落入以下权利要求的精神和范围中。

Claims (15)

1.一种测试和测量仪器，包括：

输入，被配置成从待测设备接收反射或透射脉冲信号；

基准时钟输入，被配置成接收基准信号，所述基准信号与所述反射脉冲信号异步；

相位基准模块，被配置成采集所述基准信号的样本；

采样模块，被配置成采集所述反射脉冲信号的样本；以及

控制器，被配置成基于所采集的所述基准信号的样本以及所采集的所述反射脉冲信号的样本来确定所述待测设备的散射参数。

2.根据权利要求1所述的测试和测量仪器，还包括脉冲源，其被配置成输出所述脉冲信号到所述待测设备。

3.根据权利要求2所述的测试和测量仪器，还包括分压器，其被配置成从所述脉冲源接收所述脉冲信号并将所述脉冲信号输出到所述采样模块和所述待测设备。

4.根据权利要求2所述的测试和测量仪器，其中所述脉冲源是光脉冲源。

5.根据权利要求1所述的测试和测量仪器，其中所述控制器被配置成通过经由以下步骤对所采集的所述反射脉冲信号的样本进行时间校正来确定所述待测设备的散射参数：

计算来自所采集的所述基准信号的样本的采样相位，

将所述采样相位展开成采样相位斜坡，

根据采样面斜坡生成理想的相位斜坡，

从所述理想的相位斜坡中减去所述采样相位斜坡以从所采集的所述基准信号的样本计算时间戳；以及

基于计算出的时间戳对所采集的所述反射脉冲信号的样本进行时间校正。

6.根据权利要求5所述的测试和测量仪器，其中所述控制器被配置成通过使用以下方程对经时间校正的所采集的反射脉冲的样本重新采样成均一地间隔的来确定所述待测设备的散射参数：

,

其中y(ti)是在时间ti处的脉冲的振幅，

σ是所述脉冲的上升时间，

并且Δt是间隔ti和ti-1之间的时间。

7.根据权利要求6所述的测试和测量仪器，其中所述控制器还被配置成将y(ti)变换成频域。

8.根据权利要求1所述的测试和测量仪器，还包括存储器，其被配置成存储校准系数，其中所述控制器还被配置成基于所述校准系数来确定所述待测设备的散射参数。

9.一种用于确定待测设备的散射参数的方法，包括：

从待测设备接收反射脉冲信号；

接收基准信号，所述基准信号与所述反射脉冲信号异步；

采集所述基准信号的样本；

采集所述反射脉冲信号的样本；以及

基于所采集的所述基准信号的样本以及所采集的所述反射脉冲信号的样本来确定所述待测设备的散射参数。

10.根据权利要求9所述的方法，还包括将所述脉冲信号输出到所述待测设备。

11.根据权利要求10所述的方法，还包括经由分压器将所述脉冲信号输出到采样模块和所述待测设备。

12.根据权利要求10所述的方法，其中所述脉冲信号是光脉冲信号。

13.根据权利要求9所述的方法，其中通过对所采集的所述反射脉冲信号的样本进行时间校正来确定所述待测设备的散射参数包括：

计算来自所采集的所述基准信号的样本的采样相位，

将所述采样相位展开成采样相位斜坡，

根据采样面斜坡生成理想的相位斜坡，

从所述理想的相位斜坡中减去所述采样相位斜坡以从所采集的所述基准信号的样本计算时间戳，以及

基于计算出的时间戳对所采集的所述反射脉冲信号的样本进行时间校正。

14.根据权利要求13所述的方法，其中确定所述待测设备的散射参数包括使用以下方程对经时间校正的所采集的反射脉冲的样本重新采样成均一地间隔的：

,

其中y(ti)是在时间ti处的脉冲的振幅，

σ是所述脉冲的上升时间，

并且Δt是间隔ti和ti-1之间的时间。

15.根据权利要求14所述的方法，还包括将y(ti)变换到频域中。