循环重采样数字化仪的制作方法

本发明涉及用于在电气测试与测量仪器中改进采样率、噪声和分辨率位的技术。

背景技术：

诸如实时示波器之类的数字仪器使用模拟到数字转换器（“数字化仪”）来创建电气输入信号的数字表示。数字化仪常常限制可以捕获信号的准确性。例如，数字化仪的采样率创建可以被捕获到的信号频率的上限。数字化仪中使用的位数限制仪器的垂直分辨率。数字化仪还添加一些噪声到信号。为了提高仪器的准确性，存在针对改进的采样技术的需要，该改进的采样技术可以增加仪器的采样率和垂直分辨率，同时减少噪声。

先前已经在不实时操作的光学仪器（诸如，采样示波器）中使用了循环延迟。采样示波器由于其性质而仅可以处理重复信号。先前的循环延迟被用来将单个瞬态事件转换成一系列重复的事件，使得采样示波器可以处理该瞬态事件。然而，没有一个现有技术将循环延迟与实时示波器组合。

技术实现要素：

本发明的实施例提供供数字仪器使用的增强采样和事件重构电路以及方法。公开的循环重采样数字化仪(“CRD”)接收输入信号，并创建它的两个复制品。对一个复制品进行采样而将另一个通过延迟回路发送。在第二复制品经过延迟回路之后，CRD创建它的两个新复制品，对其中的一个进行采样而将另一个通过延迟回路再次发送。因此，数字化仪有重复的机会来对同一事件进行采样，并且能够创建一系列采样事件。可以处理该一系列事件，以产生具有更低噪声、增加的垂直分辨率和/或增加的采样率的原始信号的表示。

本发明的目标、优势和其它新颖特征根据下面详细描述在结合所附权利要求和附图阅读时是显而易见的。

附图说明

图1是循环重采样数字化仪和信号重构块的高级框图；

图2描绘了循环重采样数字化仪的示例性实施例；

图3描绘了循环重采样数字化仪的第二示例性实施例；

图4描绘了循环重采样数字化仪的第三示例性实施例；

图5描绘了循环重采样数字化仪的第四示例性实施例；

图6描绘了循环重采样数字化仪的第五示例性实施例；

图7描绘了循环重采样数字化仪的第六示例性实施例；

图8描绘了循环重采样数字化仪的第七示例性实施例；

图9是描绘使用平均的信号重构的示例的框图；

图10是描绘使用交错的信号重构的示例的框图；

图11是描绘使用交错的信号重构的第二示例的框图；

图12是描绘使用交错和平均两者的信号重构的示例的框图；

图13描绘了使用附加CRD盒的示波器的示例性实施例。

具体实施方式

随着信号速度提高，存在对于更快且更准确的仪器的不断增长的需要。数字化仪通常创建对数字仪器的采样率和垂直分辨率的限制，并且添加数字化仪噪声。通常，这些已经通过使用具有更快采样率、分辨率的更多位或更低噪声的数字化仪来改进。但改进的数字化仪不能容易地安装在较旧仪器中。并且甚至在新的仪器中使用的最佳数字化仪仍将具有采样率、分辨率和噪声限制。因此，存在针对如下改进的采样技术的需要：该改进的采样技术将提高仪器的采样率和垂直分辨率，同时减少数字化仪噪声。理想情况下，这些技术可以在没有昂贵修改的情况下通过现有仪器来实施。因此，本发明的实施例提供了用于循环重采样数字化仪(“CRD”)和相关联的信号重构的电路和方法。

在一个实施例中，CRD接收输入信号并且通过延迟使其重复地循环，从而每次信号通过回路时对其进行采样。这创建可以存储在存储器中的采样事件流。使用这种技术，可以对单个瞬态信号进行多次重采样。

采样事件可以被用来创建具有更低噪声、增加的分辨率和/或更高采样率的原始信号的数字表示。从而提高实时示波器的一些关键性能度量。例如，对事件进行平均减少与每个事件相关联的噪声，同时增加平均结果的垂直分辨率。类似地，使事件交错产生具有比个体事件更高的采样率的结果。也可以组合这两种技术。例如，通过将事件划为被交错的组并且对交错的结果进行平均。

图1是用于在实时仪器中使用的示例性循环重采样数字化仪(CRD)的高级框图。诸如电源、控制线、时基、探头等之类仪器的其他部件未被示出。在该实施例中，CRD可以由耦合块110、数字化仪115、延迟块125和信号重构块140构成。输入事件100由发送事件100到数字化仪115的耦合块110接收。可能是仪器中的现有数字化仪的数字化仪115对事件100进行采样，并且将样本存储在存储器中。耦合块110也复制事件100，并且发送复制事件120到延迟块125。

延迟块125将时间延迟应用到事件120，并且把已延迟事件130发送回到耦合块110。耦合块110与输入事件100相同地对待已延迟事件130，从而发送已延迟事件130到数字化仪115，同时创建另一复制事件120。数字化仪115对已延迟事件130进行采样，并将它与存储器中的先前样本连结。因此，CRD能够把单个输入事件100转换成存储器中的一系列的多个事件，如在图1中由系列135表示的。可以无限地重复该过程，然而，在系统中的损耗可能会限制可以记录的有用事件的数量。

一旦已经记录到所期望数量的事件，信号重构块140就可以处理系列135以便创建输入事件100的表示145。信号重构块140可以使用下文描述的技术，诸如对系列135中的个体事件进行交错和平均。所得到的表示145可以具有比系列135中的每个事件更高的采样率和/或更低的噪声。

降低噪声增加信噪比，这继而增加表示145的垂直分辨率。该效果类似于增加数字化仪中的位数，并且可以作为有效位数被测量。例如，一起平均四个事件可以使垂直分辨率增加一个有效位。耦合块110和延迟块125的示例性实施例被示出在图2-8中。图9-12描绘信号重构块140的示例性实施例。要注意的是，图1-13未被绘制为独立实施例，并且一个图中示出的部件也可以与在其他图中所示的实施例一起使用。

图2描绘了其中耦合块110包括组合器200和分配器205的实施例。组合器200发送输入事件100或已延迟事件130到分配器205。在一些实施例中，组合器200可以包括开关，该开关只发送输入之一到分配器205。在其他实施例中，组合器200可以由将两个输入组合成单个输出的设备（诸如功率分路器）构成。在那些实施例中，组合器200将有效地复制输入之一上的活跃信号，只要另一个输入处于非活跃。在该示例中，事件100被假定在时间已延迟事件130到达组合器200之前完成。

分配器205接收来自组合器200的输出，并且在其输出上创建两个复制事件。在一个实施例中，分配器205和组合器200都是功率分路器，诸如威尔金森（Wilkinson）功率分路器。当威尔金森功率分路器被用于组合器200或分配器205时，每个组合器或分配器输出的量值将低于其输入3dB。然而，其他合适的耦合设备也可以被用于组合器和/或分配器。例如，定向耦合器或电阻分配器可以代替功率分路器被使用。在一些实施例中，开关可以被用于组合器200，如下文所讨论的那样。威尔金森功率分路器可能在一些实施例中是优选的，因为它们通常在其输入和输出之间具有比其他设备更低的损耗和更高的隔离。然而，一个缺点是威尔金森功率分路器在低频(大约1GHz及以下)处不提供隔离。对于其中输入事件100包含低频的实施例而言，一个或多个隔离器或放大器可以被用于在低频提供隔离，如下文所讨论的那样。可替换地，电阻分配器可被用来代替威尔金森功率分路器，因为电阻分配器在低频处提供隔离。然而，电阻分配器通常具有威尔金森功率分路器两倍的损耗量。

重要的是，在任何时间点处，事件100或130中的仅一个是活跃的，使得耦合块110可以在没有失真的情况下复制活跃事件。如果两个事件在同一时间都是活跃的，则耦合块110将不能准确地复制任一事件。因此，重要的是，延迟块125将事件120延迟得足够长，使得事件130是不活跃的直到事件100完成。在事件130变得活跃之前，事件100也可以从组合器200或分配器205断开，如下面讨论的那样。

在一个实施例中，延迟块125由单个可变延迟线210构成。在其它实施例中，也可以使用一个或多个固定延迟线215。可变延迟线210可以被调整以确保事件130的连续记录相对参考位置没有相同采样位置。延迟块125中的总延迟应该比事件100更长以防止失真。否则，输入事件100在事件130到达耦合块时可能仍然是活跃的。

适当的延迟量也可取决于使用哪种信号重构方法。如果将执行交错，则通过回路的总延迟时间不能是数字化仪采样时钟间隔的整数倍。否则，针对每个事件的采样将都发生在相同点处，从而使交错不可能。例如，当使用2路（two-way）交错时，延迟块125可以把针对每个已延迟事件的采样偏移输入采样率时间间隔的1/2。对于3路和4路交错，延迟可能分别被调整输入采样率的1/3和1/4。

在一些实施例中，一个或多个隔离器可以被用于防止信号以错误方向行进通过CRD。例如，图3描绘了其中隔离器300被添加到延迟块125的实施例。一个或多个隔离器也可以被添加到CRD的其他部分，诸如添加到耦合块110的输入或输出。隔离器允许信号从端口1传递到端口2，但把尝试从端口2传递到端口1的信号抑制20dB那么多。因此，隔离器300降低信号反射回并且与已延迟事件130发生干扰的可能性。现有隔离器的中心频率可能处于从MHz范围高达100GHz的任何地方，但一般不覆盖宽的带宽。目前已知的最大带宽隔离器是10GHz。因此，隔离器可能仅对于窄带应用有用。然而，放大器具有类似隔离特性，并且通常具有宽得多的带宽。因此，在一个实施例中，一个或多个放大器可以用来代替隔离器，如下文所讨论的那样。

放大器也可能被用于补偿CRD中的部件损耗。如图4中所描绘的，一个或多个放大器400可以被添加到延迟块125以补偿由耦合块和其他部件造成的损耗。这些损耗使得通过耦合块110的每个连续事件被衰减，这减少了可以记录的可用样本数量。这种效果通过系列135中示出的降低的幅度被表示在图2和3中。放大器400允许CRD针对每个连续副本维持恒定或接近恒定的幅度，如由图4的系列135的恒定幅度反映的那样。注意的是，每个图中描绘的波形仅出于说明目的并且不被绘制成比例。可以可选地添加一个或多个衰减器405，以便匹配放大器400的低频电容耦合。这防止低频反射回到耦合块110中。放大器400不限于图4中所示的位置，并且可以被放置在其他位置，诸如在可变延迟线210后面或在耦合块110中。

放大器增益必须足够高，以保持每个事件的幅度接近先前事件的幅度，但足够低以维持放大器的线性操作并且防止其振荡。理想情况下，增益将稍微小于总CRD系统损耗。为了优化增益，一个或多个放大器和/或衰减器可以被添加到延迟块125或耦合块110。

如上文所讨论的，可能所期望的是，从耦合块110断开输入事件100。例如，当输入事件100处于活跃比CRD延迟更长或不返回到其起始位置(例如，如果事件100是阶跃函数)时。在这些情况下，断开输入事件100将防止已延迟事件130与事件100组合。如图5中所示，触发门500可被添加到耦合块110的输入。门500可以基于触发器505断开输入事件100。在一个实施例中，触发器505由单稳（one-shot）复振器构成，该复振器具有小于延迟回路时间的脉冲宽度，但也可以使用其他触发器。

在替换实施例中，组合器200可以包括输入开关600，如图6中所示。输入开关600可以提供比其他类型的组合器（诸如功率分路器）更高的隔离和更低的衰减。初始，输入开关600将分配器205连接到事件100，从而允许分配器205复制事件100。开关600将在已延迟事件到达耦合块之前改变和连接分配器205到已延迟事件130。同时，输入事件100将与分配器205断开。

只要输入开关600将分配器205连接到事件130，分配器205就将复制事件130的连续副本。数字化仪115记录连续副本f1并且将其附加到系列135。一旦期望数量的事件已被数字化，开关600就可以重新连接分配器205和事件100。

在某些情况下，来自事件120或130的剩余能量当下一个输入事件100发生时仍然可能存在。这可能使得数字化仪115不正确地记录与先前事件120或130组合的新事件100。为了防止这一情况，重置开关可以被用于在延迟回路中消除任何剩余能量。

如在图6中描绘的，一个或多个重置开关605可以被添加到延迟块125。重置开关605被用于在下一个输入事件100变得活跃之前消散事件120和130。在其正常位置，重置开关605把耦合块110的输出连接到延迟块125的输入。当已经记录期望数量的样本时，或在下一个输入事件100发生之前，重置开关605提供到地路径直到事件120和130已经消散——例如通过电阻器610。在事件已消散之后，重置开关605重新连接耦合块110与延迟块125。重置开关605也可以例如作为耦合器200或分配器205的部分位于耦合块110中。

如上文所讨论的，放大器可以用来代替隔离器，以确保信号并不通过CRD反射回来。如图7中所示，一个或多个放大器705可以防止信号从错误方向进入延迟回路。一个或多个衰减器710可以被用于补偿附加放大。因为CRD中的部件可以比低频更大地衰减信号中的高频，预加强均衡电路700也可以被用于恢复已延迟信号中的高频。要注意的是，均衡电路700可以被安装在其他位置，诸如在可变延迟线210后面。

如上文所讨论的，系列135中的事件可能变得失真，如果延迟块125不提供足够长的延迟的话。非常长的延迟将允许CRD记录更长的事件，并且因此记录更多种类的事件。但当输入事件短时，该额外延迟添加了不必要的处理时间。这可能使得CRD错过一个或多个输入事件，如果它仍在处理先前事件的话。为了防止这一情况，延迟块125可以调整延迟量，使得其对每个输入是适当的。

在一个实施例中，可变延迟线210可以被调整，以提供一系列的不同延迟。可替换地，延迟块125可以在具有不同延迟的多个延迟线之间选择。如图8中所示，例如，延迟块125可以包括三个可变延迟线800、805和810。延迟块125中的开关（未标记）允许它针对给定输入信号选择一个可变延迟线，以便提供适当延迟。如上文所讨论的，一个或多个固定延迟线也可以被用于进一步细化（refine）延迟量。一个或多个衰减器也可以被用于微调系统中的增益量。

本领域技术人员将理解图1-8中所示的实施例不是限制性的，并且在不脱离本发明的精神的情况下可以添加、省略或以不同的方式组合所描绘的部件。

在数字化仪115产生事件系列135之后，信号重构块140可以通过使用适当的重构技术处理系列135来重构原始输入事件100。例如，图9描绘了示例平均技术。第一，事件分离器900检测系列135中的个体事件，并且将每个事件分离成唯一输出。例如，当在系列135中存在四个事件时，事件分离器900将产生四个输出。

事件分离器900可以使用任何已知方法来分离事件。例如，事件分离器900可以使用自相关（autocorrelation）来确定系列中每个事件的位置，以标识每个事件位于其中心的间隔。附加方法也可以被应用来进一步细化位置。事件分离器900然后可以使用位置信息将每个个体事件分离成相应输出。

一旦个体事件已经分离，重构块140就可以使用已知技术（诸如平均或交错）来获得表示145。平均技术的一个示例被示出在图9中，但是也可以使用本领域中已知的其他合适的平均技术。

在图9中所描绘的平均过程中，EQ过滤器块905可以针对记录系列135时造成的任何失真来校正个体事件。第一，EQ过滤器块905确定针对通过CRD的每个可能路径的传递函数。每个事件然后乘以针对该事件的适当传递函数的逆（inverse）。例如，符号H0可以表示针对经过CRD而没有进入延迟回路的传递函数。同样地，H1-H3可以分别表示针对在通过延迟回路的1-3次行程（trip）后经过CRD的传递函数。在这种情况下，EQ过滤器块905将使第一事件乘以H0的逆，因为第一事件经过耦合块110而没有进入延迟回路。同样地，EQ过滤器块905将使事件2-4分别乘以传递函数H1-H3的逆。

参考位置块910和重采样块915可以被用于校正各种事件之间的任何抖动。参考位置块910确定必须被应用到每个事件以便对齐事件的延迟量。例如，参考位置块910可以建立针对每个事件的时间对级别（time vs level）参考位置，并且测量从该参考位置到采样时钟位置的时间。参考位置块910然后可以使用已知技术将事件对齐到最近的整数位置。

在一个实施例中，参考位置块910通过在参考位置的任一侧采取样本的线性插值来对齐事件。在另一实施例中，参考位置块910计算事件数据的FFT来确定组延迟，并使用组延迟来建立每个事件相对于参考组延迟位置的时间漂移量。

一旦已经确定针对每个事件的适当延迟，重采样块915就可以对齐事件。例如，重采样块915可以针对每个事件基于对齐该事件所必要的延迟来计算不同的全通过滤器。重采样块915然后将把每个过滤器应用到其相应事件，以便对齐事件。该全通重采样也可以用于其中执行交错的实施例中以确保交错采样之间的时间是正确。

在另一实施例中，重采样块915可以在频域而不是时域内对齐事件。例如，重采样块915可以对事件执行快速傅里叶变换（“FFT”）来将它们转换到频域中。重采样块然后将旋转每个频域事件的相位，以对齐事件相位。一旦他们被转换回到时域，这将有效地在时间方面对齐事件。重采样块915然后可以对相位对齐的事件执行逆FFT，以将它们转换到时域。

在经过重采样块915之后，针对每个事件的采样时钟与其它事件在同一点（相对于参考位置）结束。一旦事件已被重采样，平均块920就对事件进行平均，以便获得表示145。在一个实施例中，可以通过对个体事件进行求和以及除以事件总数（例如，四）来执行平均。

作为平均过程的结果，表示145当与系列135中的每个采样事件相比时将具有更低的噪声。因为每个事件中的噪声通常是唯一的，所以它将在过程平均期间被平均掉。如上文所讨论的，由于更低的噪声，表示145也将具有更高的有效垂直分辨率。

用于创建表示145的第二方法可以使用交错而不是平均，如图10中所示。要注意的是，图10中所示的特定交错步骤仅用于说明，并且并不旨在限制信号重构块140的实施例。交错的任何已知方法可以被用于创建表示145。

在图10中，事件分离器900和参考位置块910分离并且对齐事件，如上文所讨论的那样。在一些实施例中，全通重采样也可以被执行以确保交错采样之间的时间是正确的。在交错之前，过滤器阵列1000可以被用于校正事件的任何混叠。过滤器阵列1000可以包括如下过滤器的阵列，该过滤器在相位量值方面作为频率的函数匹配事件的相对频率响应。例如，过滤器阵列1000中的过滤器可能是线性时间周期(“LTP”)过滤器，诸如本领域中已知的标准多输入多输出(“MIMO”)过滤器。可替换地，分离带宽均衡过滤器可以被应用于每个事件。通过校正个体事件之间的相位延迟和增益差异两者，由过滤器阵列1000产生的事件将显现为具有相同相位和量值响应。然而，过滤器阵列1000可以仅执行相对相位和增益校正。在这种情况下，进一步的过滤可能对校正绝对相位和量值是必要的。

过滤器阵列的大小取决于所使用的交错的类型。例如，4×4阵列可以用于4路交错，而2×2阵列可以用于2路交错。也可以使用其他过滤器阵列大小，如对本领域技术人员将是显而易见的那样。例如，在过滤四个事件时，两个2×2过滤器阵列可以被用于在对交错结果进行平均之前交错事件，如下文所讨论的那样。

在事件已经被对齐之后，交错块1005交错事件以创建具有较高采样率的单个事件。采样率增加的量取决于所使用的交错类型。例如，2、3或4路交错分别将采样率增加到2、3或4倍。可以使用的交错类型取决于在系列135中的有用事件的数量。至少2、3或4个事件分别对执行2、3和4路交错是必要的。如上文所讨论的，一个或多个放大器可以被用于增加可以记录的有用事件的数量。

因为过滤器阵列1000只匹配事件之间的相对相位和量值响应，所以交错块1005的输出可能有不正确的相位和/或量值。带宽均衡（BWE EQ）过滤器1010可以被用于通过将输出的相位和量值与所期望的目标响应匹配来校正交错块1005的输出。目标响应在通带内通常具有平坦的量值响应和线性相位。结果，BWE EQ过滤器1010输出具有正确相位和量值的表示145。如上文所讨论的，表示145在与系列135中的每个采样事件相比时还将具有增加的采样率。

在另一个实施例中，过滤器阵列1000可以被针对每个事件的分离带宽均衡(“BWE”)过滤器代替，如图11中所描绘的那样。BWE过滤器1100、1105、1110和1115中的每一个针对单个事件校正相位和量值。应用BWE过滤器到每个个体事件使BWE EQ过滤器1010不必要。但是，因为个体BWE过滤器不考虑混叠，所以该实施例可以只在事件不被混叠时是可能的。相比之下，过滤器阵列1000在其过滤个体事件时一定会考虑混叠。为了避免混叠，使用BWE过滤器1100、1105、1110和1115的实施例将比使用过滤器阵列1000的实施例具有更小的采样率增加。因此，过滤器阵列1000应被用于实现更大的采样率增加，或当事件被混叠时被使用。

重构块140的其它实施例可以执行交错和平均两者。例如，通过将事件划分为两个或更多个组，交错每个组内的事件和对交错的结果进行平均。所得到的表示将具有由交错引起的增加的采样率和由平均引起的更低的噪声两者。

图12描绘了使用这两种技术的一个实施例。在该实施例中，将系列135中的四个事件划分为两组事件。过滤器阵列1200和1205将2×2过滤器阵列应用到每个组中的事件。交错块1210和1215通过交错已过滤的事件来创建两个2路交错结果。如上文所讨论的，每个交错结果将具有系列135中的事件的两倍采样率。平均块920对两个交错结果进行平均以产生具有比交错结果更低的噪声的平均事件。最后，带宽均衡过滤器1010校正平均结果的相位和量值，以创建表示145。

虽然图12描绘了用于处理四个事件的一个可能实施例，但是这种技术可以被适配为处理包含任何偶数数量的事件的系列。然而，当系列135包含奇数数量的事件时，可能不可以组合平均和交错技术。在这种情况下，来自系列135的最后一个事件可能被丢弃以创建偶数数量的事件。可替换地，可以通过使用单个技术来重构整个系列。

因为可以使用现有部件来实施上面描述的实施例，所以所公开的解决方案是相对便宜的。此外，CRD电路可以在很少或没有硬件修改的情况下被添加到现有仪器的输入。在大多数情况下，可以修改仪器的软件，以执行信号重构。或者，如果仪器能够输出事件系列135，则信号重构可以由另一个设备（诸如计算机、移动设备或平板电脑）或不同仪器执行而不对第一仪器进行任何软件修改。因此，CRD可以在不用昂贵升级的情况下通过改进其采样率和/或信噪比来延长仪器的使用寿命。CRD也可以在仪器中被内部实施，例如作为新开发的仪器的部分。这将用最小的成本进一步改进新仪器的性能。

图13示出了其中CRD电路被添加到现有示波器的示例。在该实施例中，可以将耦合块110和延迟块125容纳在附加盒中。这将增加采样率和分辨率，并减少针对每个个体通道的噪声。例如，附加CRD盒1305、1310、1315和1320可以各自被附连到示波器1300上的一个或多个通道输入。该附连可以使用标准连接器，诸如现有SMA连接器或专有连接器。在该实施例中，数字化仪115将通常是已经存在于示波器1300中的一个或多个数字化仪。

即使使用附加盒时，一些CRD实施例也可能要求对仪器的修改。例如，修改可能对提供触发器或控制CRD中的开关是必要的，如图2-9中描绘的那样。同样地，信号重构块140被理想地实施在驻留于示波器1300中的软件中。这可能要求示波器1300中的软件改变，尽管在一些实施例中，这些改变可能是最小程度的。例如，重构块140可以被实施为Matlab代码。由于许多现有示波器能够运行Matlab代码，所以这将不要求对任何示波器的内部软件的改变。只有用户Matlab代码将需要被修改。在其他实施例中，可能需要对在示波器上运行的软件进行更广泛的改变。

可替换地，信号重构块140可以被实施在从仪器接收事件系列135的单独设备（诸如标准计算机）中。如果另一设备已经配置为执行信号重构或比仪器更容易修改，则这可能是有用的。例如，当示波器1300不支持Matlab代码时，并且当不能容易地修改它的软件时。

尽管出于说明的目的已经描述了本发明的特定实施例，但是对本领域技术人员将显而易见的是，可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改。例如，CRD、数字化仪和重构块的全部或部分可以被实施在位于仪器内或在一个或多个外部设备中的一个或多个软件或硬件中。因此，除了如由所附权利要求限制的以外，本发明不应被限制。