本發(fā)明涉及用于平均數(shù)據(jù)信號而同時最小化由諸如抖動之類的影響導(dǎo)致的失真的改進的方法。

背景技術(shù)：

直接平均通常用于改進諸如示波器之類的測量儀器中的測量精度。通過取多個信號的平均值（或者平均從單個信號獲取的多個樣本），結(jié)果的信噪比（snr）可以增加，這是因為非重復(fù)的噪聲和失真被平均掉。但是，當信號具有抖動時，經(jīng)平均的結(jié)果可能失真。當信號被平均時，該抖動導(dǎo)致結(jié)果的較高頻部分比結(jié)果的其余部分衰減得更多。這可以典型地被視為經(jīng)平均的結(jié)果中的較緩慢的上升沿。

通常，測量儀器可能將抖動引入到它們正在測量的信號中。例如，實時示波器中的觸發(fā)抖動將抖動引入到通過示波器獲取的樣本中。因此，這些儀器可能甚至在使用平均時也不能夠如更加昂貴的設(shè)備那樣精確地做出測量。因此，存在對于最小化抖動對經(jīng)平均的結(jié)果的影響的改進的平均技術(shù)的需要。

改進的平均技術(shù)對于數(shù)個不同信號處理應(yīng)用可以是有用的，并且可以允許具有獲取抖動的儀器取代更加昂貴的儀器。例如，在一個實施例中，改進的平均技術(shù)可以允許實時示波器測量被測設(shè)備的s參數(shù)。

在一個示例中，所公開的技術(shù)可以允許實時示波器測量s參數(shù)而不需要諸如矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（vna）之類的附加儀器。隨著比特率增加，高速串行數(shù)據(jù)鏈路仿真和測量日益增加地需要在對數(shù)據(jù)鏈路中的組件建模時使用s參數(shù)。例如，為了全面表征和仿真圖1中所示的串行數(shù)據(jù)鏈路100，發(fā)射器（tx）105的輸出阻抗（由反射系數(shù)s22表示）、接收器（rx）115的輸入阻抗（由反射系數(shù)s11表示）和信道110的全部s參數(shù)（s11，s12，s21和s22）都是需要的。

傳統(tǒng)上，需要具有采樣示波器的時域反射計（tdr）系統(tǒng)或矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（vna）來測量這些類型的s參數(shù)，以用于兩端口或多端口網(wǎng)絡(luò)表征。這些專用儀器通常是昂貴的，并且不是廣泛可得到的。相比之下，實時示波器常用于調(diào)試、測試和測量高速串行數(shù)據(jù)鏈路。使用實時示波器來測量數(shù)據(jù)鏈路的s參數(shù)將是方便的。

不幸的是，雖然一些之前的方法允許實時示波器測量s參數(shù)或相關(guān)功能，但是它們未使得示波器能夠進行足夠精確的測量以消除對于附加的vna或基于采樣示波器的tdr解決方案的需要。例如，agilent的一個現(xiàn)有技術(shù)解決方案（在美國專利申請no.13/247,568（“'568申請”）中描述）使用精密探頭來測量探頭阻抗和被測設(shè)備（dut）的轉(zhuǎn)移函數(shù)。這些測量結(jié)果然后可以用于創(chuàng)建嵌入式或非嵌入式濾波器，以補償所測量到的系統(tǒng)特性。但是使用該方法測量的轉(zhuǎn)移函數(shù)未提供針對dut的精確延遲信息。例如，較長的高質(zhì)量線纜可能具有與較短但是較低質(zhì)量的線纜相同的幅度損失。但是這兩個線纜具有非常不同的群延遲特性。由于在'568申請中公開的方法未測量精確的延遲信息，因此其不足夠精確以確定正在使用何種類型的線纜。

美國專利申請no.14/673,747（“'747申請”）確實描述了一種使用實時示波器連同信號發(fā)生器和功率分配器來測量完整s參數(shù)的方法。但是在'747申請中公開的方法由于實時示波器中固有的觸發(fā)抖動而仍舊有測量錯誤的傾向。

如以上所討論的，實時示波器的精度可以通過使用平均來改進。但是實時示波器具有觸發(fā)抖動，其導(dǎo)致信號的較高頻部分比信號的其余部分衰減得更多。這可以典型地被視為所測量到的信號中的較緩慢的上升沿。由于現(xiàn)有技術(shù)平均解決方案未解決該衰減，因此它們未使得實時示波器能夠如諸如vna或采樣示波器之類的其它儀器那樣精確地做出測量。

此外，當平均重復(fù)數(shù)據(jù)模式時，模式必須全部對準。傳統(tǒng)上，模式基于邊沿交叉或者通過使用互相關(guān)來對準。但是模式中的噪聲可能使邊沿交叉失真，導(dǎo)致基于邊沿的方法中的精度的損失。并且互相關(guān)在計算上是昂貴的。

因此，存在對于進行更精確的信號測量的改進的平均技術(shù)的需要。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的實施例在平均多個信號時使用群延遲來改進信噪比。這消除由于抖動而發(fā)生在常規(guī)平均技術(shù)中的失真。所公開的技術(shù)可以使用在使用平均的任何應(yīng)用中，或者由任何類型的設(shè)備或儀器所使用。例如，在一個實施例中，所公開的技術(shù)可以由實時示波器用于以較大精度測量s參數(shù)，而不管示波器的固有觸發(fā)抖動。這可以允許實時示波器取代更加昂貴的設(shè)備。在另一實施例中，所公開的技術(shù)可以在平均從多個獲取獲得的重復(fù)數(shù)據(jù)模式時、或者在平均從單個長獲取獲得的重復(fù)數(shù)據(jù)信號的多個部分時使用。并且，由于所公開的技術(shù)在計算上是高效的，因此它們可以由具有較少處理能力的設(shè)備使用。

附圖說明

圖1描繪了現(xiàn)有技術(shù)高速串行數(shù)據(jù)鏈路系統(tǒng)。

圖2描繪了兩個矢量的平均值的相位和幅度。

圖3描繪了依照本發(fā)明的一個實施例的用于補償數(shù)據(jù)信號之間的時間遷移的方法。

圖4描繪了相比于使用現(xiàn)有技術(shù)平均技術(shù)獲得的幅度圖線的，依照所公開的發(fā)明獲得的幅度圖線。

圖5描繪了相比于利用現(xiàn)有技術(shù)vna測量的插入損失的，依照所公開的發(fā)明測量的插入損失。

圖6描繪了依照本發(fā)明的用于執(zhí)行時鐘恢復(fù)的示例性儀器。

具體實施方式

圖1描繪了串行數(shù)據(jù)鏈路系統(tǒng)的高級框圖。發(fā)射器（tx）105通過信道110連接到接收器（rx）115。如本領(lǐng)域中已知的，信道110可以由任何物理傳輸介質(zhì)構(gòu)成，所述物理傳輸介質(zhì)包括銅導(dǎo)線、同軸線纜、光纖或（在無線傳輸?shù)那闆r下）空氣。信道110還可以由多個介質(zhì)構(gòu)成。

實時示波器常用于測量串行數(shù)據(jù)鏈路系統(tǒng)的特性。如以上所討論的，實時示波器中的觸發(fā)抖動引入水平遷移，其導(dǎo)致所測量到的信號的較高頻部分在使用平均時衰減。兩個原本相同的數(shù)據(jù)信號（例如信號a和b）之間的水平時間遷移（還稱為抖動）導(dǎo)致這兩個信號之間的恒定群延遲。該群延遲導(dǎo)致這兩個信號之間的成比例的相位差δφ。時間差δt與相位差δφ之間的關(guān)系可以在以下等式中看到：

（等式1）

這些水平遷移對經(jīng)平均的結(jié)果所具有的影響可以在頻域中檢查。在特定頻率f處，每一個信號可以由復(fù)數(shù)坐標中的矢量表示，如圖2中所示。在圖2中，兩個數(shù)據(jù)信號a和b由矢量205和210表示。205和210之間的相位差為δφ220。

取205和210的直接平均值得出矢量215。如圖2中所描繪的，矢量215指向線225的中點。矢量215垂直于線225，并且二等分角度δφ。215的幅度是cos(δφ/2)乘以205和210的共同幅度。當205和210異相（即當δφ220不為零）時，215的幅度將小于205和210的共同幅度。

所公開的技術(shù)通過在執(zhí)行平均之前顯式地測量和補償δt來解決數(shù)據(jù)信號之間的時間遷移。通過補償時間遷移，相位差δφ220對于需要平均的所有數(shù)據(jù)信號減小到零。因此經(jīng)平均的矢量215將具有與205和210相同的幅度，因為cos(0)=1。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，獲取兩個或更多數(shù)據(jù)信號并且計算所有數(shù)據(jù)信號的直接平均值。針對每一個個體信號計算群延遲，并且針對平均信號計算平均群延遲。接著，計算每一個信號的群延遲與平均群延遲之間的差值。補償該差值以創(chuàng)建經(jīng)補償?shù)男盘?imgfile="dest_path_image013.gif"wi="79"he="27"img-content="drawing"img-format="gif"orientation="portrait"inline="no"/>。最后，經(jīng)補償?shù)男盘栆黄鸨黄骄詣?chuàng)建經(jīng)平均的結(jié)果。

圖3描繪了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的用于執(zhí)行基于群延遲的平均的示例性流程圖。在步驟300處，獲取兩個或更多數(shù)據(jù)信號。在步驟305處計算所有數(shù)據(jù)信號的直接平均值，以獲得經(jīng)平均的信號。

在圖3中所示的實施例中，通過使用每一個信號的相位來確定群延遲。在步驟310處，確定經(jīng)平均的信號的相位。在一個實施例中，相位通過執(zhí)行針對經(jīng)平均的信號的快速傅里葉變換（fft）來計算。在另一實施例中，相位通過取經(jīng)平均的信號的導(dǎo)數(shù)并且執(zhí)行針對的導(dǎo)數(shù)的fft來計算。在兩個實施例中，可以在執(zhí)行fft之前可選地應(yīng)用窗口函數(shù)。窗口函數(shù)通過消除到相鄰頻率箱（frequencybin）中的泄漏來改進性能。

在步驟315處，類似于步驟310，針對個體數(shù)據(jù)信號計算相位。在一個實施例中，通過執(zhí)行針對每一個信號的fft來計算相位。在其中在步驟310中導(dǎo)數(shù)用于確定的實施例中，必須在執(zhí)行fft之前在步驟315處計算每一個信號的導(dǎo)數(shù)，以找到每一個導(dǎo)數(shù)的相位。在兩個實施例中，可以可選地在執(zhí)行fft之前應(yīng)用窗口函數(shù)。

在步驟310和315中，執(zhí)行對信號還是其導(dǎo)數(shù)的fft的決定可以取決于信號包含什么類型的數(shù)據(jù)。例如，當信號的起始和結(jié)束值不接近于彼此（例如如階躍狀波形中那樣）時，使用信號的導(dǎo)數(shù)可以是優(yōu)選的。對于其它類型的信號，使用信號自身可以得出更好的結(jié)果。

在步驟320處，計算每一個個體相位與平均相位之間的相位差。在一個實施例中，在步驟310和315中找到的相位可以展開并且用于計算針對每一個個體信號的相位差。例如，可以從展開的個體相位減去展開的平均相位以獲得相位差。還可以使用計算相位差的任何其它合適的方法。

在步驟325處，計算每一個相位差的斜率。在一個實施例中，可以使用最小均方（lms）方法來執(zhí)行直線擬合。當執(zhí)行l(wèi)ms擬合時可以可選地使用加權(quán)函數(shù)。例如，該相位圖線在較低頻率處比其在較高頻率處更平滑。為了獲得更加精確的斜率，比高頻值更多地加權(quán)低頻值可以是有用的。

相位斜率可以被直接補償，或者首先轉(zhuǎn)換成時間差。在其中補償時間差的實施例中，斜率首先用于在步驟330處確定針對每一個信號的時間遷移。例如，以上的等式1描述斜率與時間遷移之間的關(guān)系。在一個實施例中，針對每一個信號的時間遷移可以通過用該信號的相位差的斜率除以2π*f（其中f是頻率）來確定。換言之：

（等式2）

在步驟335處，補償信號。在其中在步驟330處計算時間遷移的實施例中，補償時間遷移。在一個實施例中，在每一個個體信號（或其導(dǎo)數(shù)）上執(zhí)行的fft的結(jié)果可以與相乘以獲得經(jīng)補償?shù)膄ft結(jié)果——其中j表示負一的平方根，f是頻率，并且是每一個信號的時間遷移。在其它實施例中，經(jīng)補償?shù)膄ft結(jié)果可以替代地通過將fft結(jié)果與相乘來獲得。

在步驟340處，經(jīng)補償?shù)膄ft結(jié)果被平均并且轉(zhuǎn)換到時域，以便獲得經(jīng)平均的時域結(jié)果。在一個實施例中，平均經(jīng)補償?shù)男盘?imgfile="665509dest_path_image039.gif"wi="67"he="21"img-content="drawing"img-format="gif"orientation="portrait"inline="no"/>以獲得經(jīng)平均的結(jié)果，并且逆fft（ifft）用于將經(jīng)平均的結(jié)果轉(zhuǎn)換到時域。在另一實施例中，可以在平均ifft結(jié)果以獲得經(jīng)平均的時域結(jié)果之前，首先執(zhí)行ifft以將每一個經(jīng)補償?shù)男盘?imgfile="954276dest_path_image039.gif"wi="67"he="21"img-content="drawing"img-format="gif"orientation="portrait"inline="no"/>轉(zhuǎn)化到時域。

在其中在步驟310或315中使用信號的導(dǎo)數(shù)的實施例中，在步驟345處對在步驟335中獲得的經(jīng)平均的結(jié)果積分，以將經(jīng)平均的結(jié)果返回到其正確形式。盡管圖3中描繪的實施例使用相位和時間導(dǎo)數(shù)，但是可以替代地使用用于確定和補償群延遲的任何已知方法。

所公開的基于群延遲的方案具有若干優(yōu)點。首先，通過補償時間遷移，所公開的技術(shù)通過保留較高頻率處的經(jīng)平均的信號水平來改進總體snr。第二，所公開的技術(shù)使用fft和ifft，fft和ifft在計算上比必須在平均數(shù)據(jù)信號之前對準它們的常規(guī)方案（諸如互相關(guān)方法）更高效。第三，所公開的技術(shù)通過使用最小均方（lms）類型的線擬合來獲得經(jīng)平均的結(jié)果，這產(chǎn)生可以直接用于補償時間遷移的單個值。相比之下，常規(guī)互相關(guān)方法要求額外的內(nèi)插步驟以找到時間遷移的值。第四，所公開的技術(shù)使用每一個數(shù)據(jù)信號中的所有數(shù)據(jù)點來獲得的值。與此相對的，基于邊沿交叉的常規(guī)方法僅使用每一個數(shù)據(jù)信號中的波形的邊沿周圍的幾個數(shù)據(jù)點。最后，所公開的技術(shù)可以用于提供平均重復(fù)數(shù)據(jù)模式的在計算上高效的方式，而同時提供比傳統(tǒng)基于邊沿的方法更精確的結(jié)果。

圖4描繪了針對經(jīng)歷了導(dǎo)數(shù)操作的階躍狀數(shù)據(jù)信號的幅度圖線。如圖4中所示，依照本發(fā)明獲得的基于群延遲的平均結(jié)果的幅度（通過圖線405示出）在與常規(guī)平均的結(jié)果（通過圖線410示出）相比時在30ghz處改進約2db。

圖5描繪了依照本發(fā)明的使用實時示波器獲得的插入損失測量結(jié)果505。如圖5中所示，對于高達25ghz的頻率，插入損失曲線505與利用vna取得的插入損失測量510相關(guān)。這說明，在給定頻率范圍內(nèi)，所公開的技術(shù)使得實時示波器能夠與vna類似精確地測量信號。

在一個實施例中，改進的基于群延遲的平均技術(shù)可以由諸如實時示波器之類的示例性通用設(shè)備600執(zhí)行——如圖6中所描繪的。設(shè)備600可以通過可以為數(shù)字或模擬輸入的物理輸入605或諸如網(wǎng)絡(luò)、存儲器或設(shè)備接口之類的接口，來獲取數(shù)據(jù)信號。在其中接口605接收模擬信號的實施例中，模擬到數(shù)字（a/d）轉(zhuǎn)換器610可以用于將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。在另一實施例中，數(shù)據(jù)信號可以從存儲器（例如存儲器620）或從另一設(shè)備獲取。存儲器620可以存儲指令，所述指令在被執(zhí)行時使處理器615執(zhí)行改進的基于群延遲的平均技術(shù)。存儲器620還可以存儲從物理接口605獲取的數(shù)據(jù)。在所公開的方法期間獲得的一個或多個中間或最終結(jié)果可以存儲在存儲器620中、輸出到不同設(shè)備或用于通過處理器615進行另外的操作。存儲器620可以包括一個或多個分離的存儲器，包括位于一個或多個其它設(shè)備中的存儲器。

盡管出于說明的目的而描述了本發(fā)明的具體實施例，但是對本領(lǐng)域技術(shù)人員將清楚的是，可以在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下做出各種修改。例如，所公開的技術(shù)不限于計算實時示波器中的s參數(shù)，而是可以用于補償任何其它儀器或設(shè)備中的時間遷移，或者用于其它類型的信號處理。并且，如之前所討論的，任何合適的方法可以用于確定和補償群延遲。另外，可以使用確定或估計導(dǎo)數(shù)的任何合適的方法。例如，如本領(lǐng)域中已知的，可以通過取其差值來估計信號的導(dǎo)數(shù)。盡管使用了術(shù)語“數(shù)據(jù)信號”，但是要理解的是，可以對任何類型的所獲取的信號（即“被測信號”）執(zhí)行本技術(shù)。同樣地，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解信號的相位、延遲和群延遲之間的關(guān)系。相應(yīng)地，除非如隨附權(quán)利要求所限制的那樣，否則本發(fā)明不應(yīng)當受到限制。