专利名称：用于补偿任意波形发生器的频率特性的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于补偿任意波形发生器的频率特性的方法，所述任意波形发生器通过使用数模转换器将储存在存储器中的数字波形数据转换成模拟信号而产生模拟信号。
背景技术：
在测试各种类型的模拟电子电路时，将适用于这种测试的参考模拟信号施加至待测模拟电路。任意波形发生器是一种用于产生参考模拟信号的最佳的测量仪器。图1示出了常规任意波形发生器10的简化方框图。使用者通过使用任意波形发生器、个人电脑、工作站等在波形创建软件的控制下创建表示期望的任意波形的数字波形数据。创建的数字波形数据是表示幅度值比对时间的时域数据。波形数据储存在波形数字存储器12中。在波形存储器12中，波形数据的幅度值储存在带有与时间对应的地址位置的存储器12中的地址位置。数字波形数据从波形存储器12中与由具有频率fs的时钟发生器14产生的时钟信号同步地读出。数字波形数据通过数模转换器(DAC) 16与时钟信号同步地转换成模拟信号。频率fs与模拟信号的采样频率对应。为了产生具有期望的带宽和幅度的模拟输出信号，在输出电路18中通过重构滤波器(通常是低通滤波器)、放大器、衰减器等对转换的模拟信号进行处理。在下面的描述中，将数模转换器16内的模拟输出电路看作是输出电路18 的一部分。尽管图1没有示出用于接收数字波形数据的接口电路以及用于控制波形存储器 12的写/读操作的控制电路，但是这些电路可以由常规接口及常规控制电路比如微处理器系统等来实现。半导体技术中的最新进展允许了发展具有超过lOGS/s的采样速度的超高速任意波形发生器，其无需上转换就可以直接产生宽带微波信号。任意波形发生器的频率特性取决于数模转换器的数学“sine (辛克)”频率特性以及从数模转换器16内的模拟输出电路到任意波形发生器的输出端子的信号路径的频率特性。这些频率特性的非线性导致了任意波形发生器的不平坦的频率响应。因此，为了产生具有期望的频率特性的宽带信号，需要一些频率补偿。通常的数模转换器产生阶梯波形作为模拟输出信号。该输出类型被称为零阶保持，且其频率特性可以通过使用sine或者Sin(X)/χ来表示。该sine特性具有如下的幅度和相位特性sinc(f) = [ (sin ( π f/f s))/(η f/f s) ] π f/fs其中，“f”表示输出频率，而“fs”表示模拟信号的采样频率。在sine特性中，DC处的值为一而在频率fs的整数倍处的值为零。sine特性对所有仅取决于采样频率的任意波形发生器是共同的，并且可以通过使用数学计算来确定。另一方面，实际电路中的任意波形发生器的频率特性是从数模转换器16内的模拟输出电路至任意波形发生器的输出端子的信号路径的频率特性，也就是输出电路18的频率特性。输出电路18的频率特性不受sine 特性采样频率的影响。然而，输出电路18的频率特性在每个任意波形发生器中都不同，因为频率特性由该电路的设计和布局确定。任意波形发生器的频率特性将通过参考图2到5以及图7到9中示出的频率特性图进行进一步的描述。假设来自波形存储器12的数字波形数据的频率特性如图2所示是平坦的，并且数模转换器16是具有无限带宽的理想转换器。这种情况下，数模转换器16的频率特性是如图3所示的sine函数。进一步，假设输出电路18具有如图4所示的频率特性，其中输出电路18包括数模转换器16内的模拟输出电路、滤波器、放大器、衰减器、连接器等等。来自任意波形发生器的输出模拟信号的频率特性是任意波形发生器的总频率特性的函数。该总频率特性通过将输入波形数据(图幻、数模转换器16(图3中示出的sine特性)以及输出电路18(图4的频率特性)的频率特性相乘来确定。因此，总频率特性如图5 所示的那样不是平坦的。在下文中将描述的图2到5以及图7到9中，横轴表示时间而纵轴表示模拟或数字幅度。应当注意的是，图2说明了数字输入数据以及模拟输出数据二者的特性。图6示出了用于使得任意波形发生器的总频率特性平坦的频率补偿的常规技术。在该示例中，将补偿数字滤波器20插入在波形存储器12(未示出)以及数模转换器 (DAC) 16之间。数字滤波器20具有补偿如图7所示的数模转换器16的sine特性的频率特性。即使采样频率fs是可变的，也不需要修改数字滤波器20的配置。数字滤波器20也可以提供对输出电路18的频率特性的补偿。然后通过将输入波形数据(图幻、数字滤波器 20 (图7)、数模转换器16 (图3的sine特性)以及输出电路18 (图4中示出的频率特性) 的频率特性相乘来确定任意波形发生器的总频率特性。如图2所示，所得到的总频率特性是平坦的。图8示出用于为了使得任意波形发生器的总频率特性平坦而进行频率补偿的另一常规技术。在该示例中，补偿模拟滤波器22定位在输出电路18之后。模拟滤波器22具有如图9所示的频率特性，用于补偿数模转换器16的频率特性并且如果必要的话用于补偿输出电路18的频率特性。因此，通过将输入波形数据(图幻、数模转换器16(图3的sine 特性)、输出电路18 (图4的频率特性)以及模拟滤波器22 (图9)的频率特性相乘来确定任意波形发生器的频率特性。所得到的总频率特性是平坦的，如图2中所示。由于补偿模拟滤波器22被提供在数模转换器16之后，所以采样频率fs应当是固定的而不是可变的频率。公开于1991年4月12日的、题目为“Arbitrary Waveform Generator”的未审查的日本专利公开号H03-88504公开了补偿任意波形发生器的幅度线性度而不是频率特性的现有技术。根据该常规技术，测量数模转换器的幅度特性以获得误差校正数据并且生成储存在存储器中的误差补偿表。通过参考误差补偿表对创建的数字波形数据进行补偿并将补偿的波形数据储存在波形存储器中。该线性度补偿的模拟输出信号通过数模转换器将来自波形存储器的补偿波形数据转换成模拟信号而产生。使用通过参考图6说明的补偿数字滤波器以及通过参考图8说明的补偿模拟滤波器的频率补偿技术对于相对低的采样频率fs而言是有用的。然而，为具有数十吉赫的非常高的采样频率的任意波形发生器配置频率补偿数字及模拟滤波器是困难的。另外，在上述未审查的日本专利公开号H03-88504中公开的现有技术是补偿幅度线性度而不是频率特性。
提出了另一种常规频率补偿方法，其中储存在波形存储器中的补偿数字波形数据从储存在波形存储器中之前被校正的初始数字波形数据中生成，其与上述未审查的日本专利公开从先前校正的观点来看是相似的。在该方法中，为了使得其频率特性平坦，超高速任意波形发生器继续进行以下步骤。首先，创建具有平坦频率特性的数字波形数据，并且任意波形发生器根据该平坦波形数据来产生模拟输出信号。然后，通过宽带示波器或者频谱分析器来测量模拟输出信号以获得衰减特性。通过参考该衰减特性来重新创建数字波形数据。在该频率补偿方法中，使用者必须测量作为所测量输出信号的函数的任意波形发生器的频率特性，并且通过参考测量结果来校正波形数据。因此，补偿过程需要另外的测量仪器，这导致该过程的增加的花费及时间。此外，当在通过用户设备将模拟输出信号施加至待测装置的情况下补偿来自任意波形发生器的模拟输出信号时考虑用户设备的频率特性是非常麻烦的。期望的是一种容易又简单地补偿信号发生器的频率特性的方法，该信号发生器产生考虑了用户设备的频率特性的具有非常高采样频率fs的任意波形。
发明内容
据此，本发明提供一种用于补偿任意波形发生器的频率特性的方法，所述任意波形发生器通过用数模转换器将储存在存储器中的数字波形数据转换成模拟信号而生成模拟信号。首先，用波形创建软件来创建数字波形数据。创建的数字波形数据根据任意波形发生器的预定S参数进行修改，并且所修改的数字波形数据储存在存储器中。任意波形发生器可以通过将储存在存储器中的所修改的波形数据转换成模拟输出信号来产生频率补偿的模拟输出信号。根据本发明，非易失性的存储装置储存了表示任意波形发生器的频率特性的S参数。因此，每当创建数字波形数据时波形数据可以通过储存的S参数用简单的计算进行修改。由于使用了 S参数，频率补偿不受采样频率fs的影响。通过使用连接到任意波形发生器的输出端子的用户设备的S参数，将用户设备的频率特性加到任意波形发生器的频率特性上是容易的。存在一些用于根据S参数修改创建的数字波形数据的方法。原始的S参数示出幅度随频率而减小。在该方法的示例中，将原始的S参数进行处理用于频率补偿。为此，对S 参数的逆特性(inverse of the characteristics)以及sine特性进行推导，使得任意波形发生器的总频率特性是平坦的。在逆特性中，幅度随着频率而增大。对所处理的S参数执行傅立叶逆变换以生成时域中的补偿系数。该时域中的补偿系数与数字波形数据进行卷积，以生成时域中的所修改的数字波形数据。这种修改步骤的另一种方法如下。首先，处理用于频率补偿的S参数以生成频域中的补偿系数。然后，对数字波形数据执行傅立叶变换。 根据频域的补偿系数对傅立叶变换后的数字波形数据进行修改。对所修改的数字波形数据执行傅立叶逆变换以形成时域中的所修改的数字波形数据。当结合所附权利要求及附图阅读时，本发明的目的、优势以及其他新颖的特征通过以下详细说明而显而易见。
图1是常规任意波形发生器的方框图。图2是示出了输入数字数据或输出模拟数据的频率特性的图。图3是数模转换器的频率特性的图。图4是输出电路的频率特性的图。图5是输出模拟数据的频率特性的图。图6是用于说明一种常规频率补偿方法的任意波形发生器的一部分的方框图。图7是图6中使用的补偿数字滤波器的频率特性图。图8是用于说明另一种常规频率补偿方法的任意波形发生器的一部分的方框图。图9是图8中使用的补偿模拟滤波器的频率特性的图。图10是用于说明用于本发明的S参数的信号流图。图11是用于本发明的任意波形发生器及个人电脑或工作站的方框图。图12是根据本发明的用于说明补偿任意波形发生器的频率特性的方法的流程图。图13是根据本发明的用于说明在补偿任意波形发生器的频率特性的方法中用S 参数修改波形数据的一个示例的流程图。图14是根据本发明的用于说明在补偿任意波形发生器的频率特性的方法中用S 参数修改波形数据的另一个示例的流程图。
具体实施例方式用于本发明的S参数将通过参考图10的信号流图进行讨论。S参数最适合用来建模具有数十吉赫的采样频率及超过IOGHz的带宽的超高速任意波形发生器的频率特性，因为S参数考虑了反射。如上文所述，任意波形发生器的频率特性包括数模转换器及输出电路的频率特性。数模转换器的频率特性可以数学上确定，并且为仅取决于采样频率的sine 特性。输出电路的频率特性基于设计、布局以及部件。任意波形发生器的S参数可以由两端口 S参数模型表示，如图10中示出的信号流所示的，其中端口 1在左边而端口 2在右边。 S参数的通常表达式如下bl = Sll*al+S12*a2b2 = S21*al+S22*a2，其中“*”表示乘号。由于本发明的主题是任意波形发生器，所以在端口 1处的输入数据是具有 sine (f)特性的数字数据。在端口 2处的输出是模拟波形(微波输出)。当端口 2处的阻抗负载偏离任意波形发生器的特性阻抗负载时，在端口 2处生成了反射波。然而，当端口 2 处的阻抗负载基本上与特性阻抗相等时，不会生成反射波。与通常两端口 S参数模型的区别是在端口 1处没有反射发生，因为输入数据是数字数据。因此，在S参数模型中，Sll与 S12均等于零。S参数S21表示数模转换器及输出电路的传输特性。S参数21具有幅度分量和相位分量，也就是实部和虚部。S参数S22表示任意波形发生器的反射特性。应当注意的是，S参数对每个频率具有单独值。本发明中，这些S参数S21及S22在任意波形发生器的制造期间进行测量，并且S 参数储存在非易失性的存储装置(比如硬盘驱动器、ROM、EEPR0M、闪存等)中。可以使用Touchstone文件格式来储存S参数。由于在任意波形发生器中输入数据是数字数据而输出数据是模拟数据，所以通用网络分析器不能用于测量参数S21。为了测量S参数S21，任意波形发生器设置为产生阶跃信号。该产生的阶跃信号通过使用S参数测量软件(比如Beaverton，Oregon的Tektronix 公司制造并销售的 80SSPAR IConnect S-Parameter and Z-Line Software)的采样示波器来采集和测量。另一个方法是把任意波形发生器设置为产生正弦波信号。正弦波信号通过使用S参数测量软件的采样示波器来采集和测量。参数S22可以通过使用TDR软件(比如 Beaverton，Oregon 的 Tektronix 公司制造并销售的 80SIC0N IConnect Signal Integrity TDR and S-Parameter Software)或网络分析器的采样示波器来测量。如果没有来自负载的反射，可以将参数S22忽略。如果有来自负载的反射，参数S21以及参数S22可以通过使用变换而组合成新的参数S21。图11是用于本发明的任意波形发生器以及个人电脑(PC)或工作站(WS)的方框图。任意波形发生器30包括用于储存数字波形数据的波形存储器12、用于将来自波形存储器12的波形数据转换为模拟信号的数模转换器(DAC) 16、以及包括了数模转换器16内的模拟输出电路、重构滤波器、放大器、衰减器等(与图1所示的现有技术相似)的输出电路18。 任意波形发生器30进一步包括非易失性存储装置32，例如硬盘驱动器、ROM、EEPR0M、闪存等，用于存储S参数S21特性作为校准数据。任意波形发生器30进一步包括控制装置，比如微处理器等、时钟发生器、用于传输/接收数字数据的接口等，尽管为了简化该图它们没有在图11中示出。来自输出电路18的模拟输出信号施加给待测装置(DUT)34。非易失性存储装置32储存了任意波形发生器的S参数S21，其中如上文所述，该参数通过测量该参数或将S参数S-21及S-22参数组合为一个S参数S-21来推导。个人电脑(PC)或者工作站(WQ 36 (在下文中简称为PC)包括微处理器、硬盘驱动器、存储器、接口、输入装置及显示装置，并且在比如Microsoft Windows 的操作系统上操作。在PC 36上运行任意波形发生器30的波形创建软件38。PC 36的功能可以在任意波形发生器30中实施，且可以作为任意波形发生器30的控制装置。根据本发明的用于补偿任意波形发生器的频率特性的方法将在下文中通过参考图12的流程图进行讨论。在步骤40中，PC 36根据波形创建软件来创建数字波形数据，所述波形数据表示由任意波形发生器30产生的波形。响应于用户的指示或波形数据创建的完成，PC 36自动从任意波形发生器30内的非易失性存储装置32中提取S参数(例如参数S21)，并且在步骤42将其储存在PC 36内的存储器中。在步骤44中，频率补偿系数从由 PC 36提取的S参数S21中生成以便修改波形数据。步骤44将通过参考图13及14在下文中进一步详细讨论。在步骤46中，经频率补偿的波形数据从PC 36传送到任意波形发生器 30中的波形存储器12。因此，任意波形发生器30可以产生经频率补偿的任意波形。应当注意的是，步骤42，44以及46根据PC 36中储存的频率补偿软件由微处理器来执行。可替换地，波形创建软件以及频率补偿软件可以储存在任意波形发生器12的存储器12中。从 S参数S21生成的频率补偿系数在任意波形发生器30中产生。结果是，来自任意波形发生器30内的非易失性存储装置32的S参数(例如参数S21)，既不如步骤42中描述的那样由PC 36提取，也不如步骤46描述的那样是从PC 36传送到任意波形发生器30中的波形存储器12的频率补偿波形数据。
图13示出用于说明图12所示的流程图中的步骤44的一个示例的流程图。在步骤50中，S参数S21从任意波形发生器30的非易失性存储装置12中读出，并且被处理用于频率补偿。原始的S参数S21示出了幅度随着频率而减小的特性。修改原始的S参数S21 以指示关于原始的S参数S21的反向特性，使得所修改的S参数S21示出幅度随频率而增大以便通过考虑到sine特性而使得任意波形发生器的频率特性是平坦的。应当注意的是， S参数是在频域中，但是数字波形数据是在时域中。在步骤52中，对处理的S参数S21执行比如IFFT (快速傅立叶逆变换)的傅立叶逆变换以生成时域中的补偿系数。该时域补偿系数表示S参数S21的反向特性的脉冲响应，其中每一个幅值都与时间值关联。在步骤M中， 时域中的补偿系数与时域中的数字波形数据进行卷积，以产生经修改的或者频率补偿的数字波形数据。通过图12中示出的步骤46，将补偿的数字波形数据传送给任意波形发生器 30的波形存储器12。在图13的方法中，频率特性在时域中得到补偿。图14示出了图12中的步骤44的另一个示例的流程图。在步骤60中，参数S21 被处理用于通过考虑sine特性进行频率补偿(与图13中的步骤50相似)。其结果是频域中的补偿系数。在步骤62中，对创建的数字波形数据执行比如FFT(快速傅立叶变换)的傅立叶变换，以便将时域中的数字波形数据转换为频域中的数字波形数据。步骤60和62 的顺序可以颠倒，或者这些步骤可以同时执行。在步骤64中，频域数字波形数据与在步骤 60推导的补偿系数相乘，以便产生频率补偿的数字波形数据。在步骤66，对频域中的频率补偿的数字波形数据执行比如IFFT(快速傅立叶逆变换)的傅立叶逆变换，以便将其转换成补偿的时域数字波形数据。该补偿的时域波形数据通过图12中的步骤46而传送给任意波形发生器30中的波形存储器12。如前述说明的，图14中所示的方法补偿频域中的频率特性并且将结果转换到时域。应当注意的是，时域中的频率补偿的步骤数目比频域中的频率补偿的步骤数目要少。图13和14的过程补偿任意波形发生器30的频率特性。存在有测试过程，其中在被施加到待测装置(DUT)之前，来自任意波形发生器的模拟输出信号被施加到另一件测试设备。可能有必要对其它件测试设备的频率特性进行补偿，以维持给DUT的平坦的模拟输出信号。出于此目的，在图12的步骤44处从S参数S21创建补偿系数时，可以考虑测试设备的频率特性。在这种情况下，与任意波形发生器的S参数S21的测量相似地测量测试设备的S参数S21，并且将测量的S参数S21与任意波形发生器的S参数S21组合以生成单个S 参数S21。这个操作可以通过将任意波形发生器的S参数S21与测试设备的S参数S21相乘以生成任意波形发生器和测试设备的组合S参数S21来进行。所得到的S参数S21可以在图13的步骤50处以及图14的步骤60处使用，以补偿任意波形发生器以及测试设备二者的频率特性。因此，待测装置的输入端子处的任意波形信号的频率特性可以是平坦的。尽管这里已详细示出和描述了结合本发明教导的优选实施例，但是本领域技术人员也将容易地理解到许多其它变化的实施例仍将结合这些教导。
权利要求
1.一种用于补偿任意波形发生器的频率特性的方法，所述任意波形发生器通过用数模转换器将储存在存储器中的数字波形数据转换成模拟信号而产生模拟信号，所述方法包括以下步骤根据波形创建软件来创建数字波形数据；根据所述任意波形发生器的预定S参数来修改创建的数字波形数据；以及在存储器中储存所修改的数字波形数据以产生模拟信号。
2.如权利要求1所述的方法，其中修改步骤包括以下步骤 处理S参数用于频率补偿；对处理的S参数执行傅立叶逆变换以生成时域中的补偿系数；以及将时域补偿系数与创建的数字波形数据进行卷积，以生成补偿的数字波形数据。
3.如权利要求1所述的方法，其中修改步骤包括以下步骤 处理S参数以生成频域中的频率补偿系数；对数字波形数据执行傅立叶变换以产生频域数字波形数据；使用频率补偿系数来补偿频域数字波形数据，以产生频域中的频率补偿的数字波形数据；以及对频域中的频率补偿的数字波形数据执行傅立叶逆变换，以产生时域中的频率补偿的数字波形数据。
全文摘要
本发明涉及用于补偿任意波形发生器的频率特性的方法。任意波形发生器通过使用数模转换器而将储存在存储器中的数字波形数据转换成模拟输出信号。为了使得输出信号的频率特性是平坦的，根据任意波形发生器的预定S参数来修改创建的数字波形数据，并且在存储器中储存所修改的数字波形数据以用于产生具有补偿的频率特性的模拟信号。
文档编号H03M1/06GK102291140SQ20111014176
公开日2011年12月21日 申请日期2011年4月15日 优先权日2010年4月15日
发明者R·萨凯 申请人:特克特朗尼克公司