微波信号源输出通道扩展方法及装置

1.本发明涉及微波测量控制及超导量子计算芯片测试技术领域，尤其涉及一种微波信号源输出通道高一致性扩展方法及装置。


背景技术：

2.量子计算是一种遵循量子力学规律调控量子信息单元进行计算的新型计算模式。量子计算芯片本身的物理架构是多输入多输出，在芯片测试过程中，需要多通道高一致性信号源作为输入。常用信号源一般只有1～2个通道，远远不能满足测试需求；而使用传统功分进行信号通道的扩展又存在明显的相位不一致问题，相位差一般高达
±7°
～
±
10
°
，因此使用传统功分器对信号源的输出通道进行扩展很难满足量子计算芯片测试的要求。


技术实现要素：

3.(一)要解决的技术问题
4.基于上述问题，本发明提供了一种微波信号源输出通道扩展方法及装置，以缓解现有技术中使用传统功分进行信号通道扩展存在相位明显不一致等技术问题。
5.(二)技术方案
6.本发明的一个方面，提供一种微波信号源输出通道扩展方法，包括：将信号源待扩展通道输出的原始微波信号进行下变频处理，得到中频信号；对中频信号进行处理获取中频信号参数信息；根据中频信号参数信息实现中频信号在数字域的复制，得到数字域中频信号；以及将数字域中频信号进行上变频恢复成与原始微波信号高度一致性的目标微波信号，并控制多通道同步输出该目标微波信号。
7.根据本发明实施例，将信号源待扩展通道输出的原始微波信号进行下变频处理，得到中频信号，包括：将原始微波信号与本振信号相乘得到第一混频信号；以及将第一混频信号中的高混频分量滤除，得到中频信号。
8.根据本发明实施例，对中频信号进行处理获取中频信号参数信息，包括：对中频信号进行数模转换并进行采样得到采样信号；以及将采样信号进行矢量分解，获取中频信号参数信息。
9.根据本发明实施例，中频信号参数信息包括：幅度、频率和相位。
10.根据本发明实施例，根据中频信号参数信息实现中频信号在数字域的复制，得到数字域中频信号，包括：通过直接数字合成实现中频信号在数字域的复制。
11.根据本发明实施例，直接数字合成的操作包括：相位累加、相位幅度转换、以及数模转换。
12.根据本发明实施例，将数字域中频信号进行上变频恢复成与原始微波信号高度一致性的目标微波信号，包括：将数字域中频信号与本振信号相乘得到第二混频信号；以及将第二混频信号中的高混频分量滤除，得到目标微波信号。
13.本发明的另一方面，提供一种微波信号源输出通道扩展装置，包括：下变频模块，
信号处理模块，dds模块，以及上变频模块。
14.其中，下变频模块，与信号源相连，用于将信号源待扩展通道输出的原始微波信号进行下变频处理，得到中频信号；
15.信号处理模块，与下变频模块相连，用于对中频信号进行处理获取中频信号参数信息；
16.dds模块，与信号处理模块相连，用于根据中频信号参数信息实现中频信号在数字域的复制，得到数字域中频信号；以及
17.上变频模块，与dds模块相连，用于将数字域中频信号进行上变频恢复成与原始微波信号高度一致性的目标微波信号，并控制多通道同步输出该目标微波信号。
18.根据本发明实施例，下变频模块包括第一混频单元，以及低通滤波器。其中，第一混频单元，用于将原始微波信号与本振信号相乘得到第一混频信号；低通滤波器，与第一混频单元相连，用于将第一混频信号中的高混频分量滤除，得到中频信号。
19.根据本发明实施例，信号处理模块包括adc单元，以及i/q解调单元。其中，adc单元，用于对中频信号进行数模转换并进行采样得到采样信号；i/q解调单元，用于将采样信号进行矢量分解，获取中频信号参数信息。
20.根据本发明实施例，上变频模块包括第二混频单元，以及低通滤波器。其中，第二混频单元，用于将数字域中频信号与本振信号相乘得到第二混频信号；低通滤波器，与第二混频单元相连，用于将第二混频信号中的高混频分量滤除，得到目标微波信号。
21.(三)有益效果
22.从上述技术方案可以看出，本发明微波信号源输出通道扩展方法及装置至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
23.(1)各扩展通道输出信号的频率、幅度与相位能与接收到的源信号保持高度一致；
24.(2)解决了使用传统方法在扩展信号通道中存在的明显相位差问题。
附图说明
25.通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
26.图1示意性示出了本发明实施例的微波信号源输出通道扩展方法的流程图；
27.图2示意性示出了本发明实施例的微波信号源输出通道扩展装置的框图；
28.图3示意性示出了本发明实施例的适于实现微波信号源输出通道扩展方法的电子设备系统框图。
29.【附图中本发明实施例主要元件符号说明】
30.s110～s140-操作步骤；
31.200-微波信号源输出通道扩展装置
32.210-下变频模块；
33.220-信号处理模块；
34.230-dds模块；
35.240-上变频模块；
36.301-存储器；
37.302-处理器；
38.303-射频前端。
具体实施方式
39.以下，将参照附图来描述本发明的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本发明实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
40.在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
41.在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
42.在使用类似于“a、b和c等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有a、b和c中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有a、单独具有b、单独具有c、具有a和b、具有a和c、具有b和c、和/或具有a、b、c的系统等)。
43.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
44.本发明提供了一种微波信号源输出通道扩展方法及装置，将微波信号源的某一路输出设置为待扩展信号通道，利用射频前端下变频模块的接收通道将该通道输出的微波信号进行下变频处理，源信号被转换至中频；对上一步骤中下变频至中频的源信号进行adc转换及采样，经过i/q正交分解后，得到中频信号的频率、幅度及相位信息；根据上一步骤得到的中频信号的频率、幅度及相位信息，采用直接数字合成(dds)技术，再次产生中频信号；中频信号经射频前端上变频为与源信号高度一致的扩展信号，通过多个发射通道同步输出扩展后的微波信号，实现对信号源原始通道的高一致性扩展。在上述扩展方法实现过程中，信号源输出的原始信号通过下变频、adc、采样、i/q正交解调、dds、上变频之后可以同步从多个通道输出，从而实现了信号源通道从一路到多路的扩展，以满足量子计算芯片测试的需求；而且每一路扩展信号的中频信号均来自源信号的频率、幅度及相位信息合成，同时由同一个上变频信号同步发射，因此各扩展通道输出信号的频率、幅度与相位能与接收到的源信号保持高度一致，解决了使用传统方法在扩展信号通道中存在的明显相位差问题。
45.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
46.图1示意性示出了本发明实施例的微波信号源输出通道扩展方法的流程图。
47.如图1所示，微波信号源输出通道扩展方法包括操作s110～s140。
48.在操作s110，将信号源待扩展通道输出的原始微波信号进行下变频处理，得到中频信号；
49.根据本发明的实施例，操作s110包括：
50.将原始微波信号与本振信号相乘得到第一混频信号；
51.将第一混频信号中的高混频分量滤除，得到中频信号。
52.即将原始微波信号进行下变频(down conversion)处理，以便进行后续的数模转换及采样。
53.例如，信号源待扩展的某一通道的输出的原始微波信号频率fm为499.8mhz，本振信号lo的频率f
lo
设置为499.8 31.2375(499.8/16)＝531.0375mhz，式中16为分频数，根据积化和差原理，原始微波信号与本振信号lo相乘后得到第一混频信号中的频率分量包括：第一低混频分量f
if
＝f
lo-fm，第一高混频分量fh＝f
lo
fm，则f
if
为：531.0375-499.8＝31.2375mhz，fh为：531.0375 499.8＝1030.838mhz，利用低通滤波器，将第一混频信号中第一高混频分量fh的频率分量滤除，留下频率为f
if
的第一低混频分量，得到中频信号，这就实现了原始微波信号的下变频。得到的31.2375mhz中频信号可进行下一步数模转换(adc)并被采样。
54.在操作s120，对所述中频信号进行处理获取中频信号参数信息。
55.根据本发明的实施例，操作s120包括：
56.对中频信号进行数模转换并进行采样得到采样信号；以及
57.将采样信号进行矢量分解，获取中频信号参数信息。
58.根据本发明的实施例，利用adc对操作s110中31.2375mhz的中频信号进行高精度数模转换及采样。
59.将采样信号进行矢量分解，即分解为频率相同、峰值幅度相同但相位相差90
°
的两个分量。通常采用一个正弦信号(a*sinwt)和一个余弦信号(a*coswt)描述这两个分量，其中余弦分量被称为同相分量，即i分量；正弦分量被称为正交分量，即q分量，则有：
[0060][0061]
式中，a为中频信号的幅度，为中频信号的相位。
[0062]
因此，对中频信号adc后采样，经过i/q正交分解，再按照上述公式计算后，就能得到31.2375mhz中频信号参数信息：频率、幅度及相位信息。
[0063]
在操作s130，根据中频信号参数信息实现中频信号在数字域的复制，得到数字域中频信号。
[0064]
根据本发明实施例，采用直接数字合成(direct digital synthesizer，简称dds)技术重新合成操作s120中的31.2375mhz中频信号；实现中频信号在数字域的复制，得到数字域中频信号。dds是一种数字电子技术，能利用一个单一(或混合)的频率源产生任意频率、幅度及相位的波形。
[0065]
一次完整的dds主要由三个操作组成，包括：相位累加，相位幅度转换及数模转换。
利用正弦波相位线性增加这一性质，首先把一个圆周平均分成2n小份，其中n是频率调谐字的位数，每一个在查找表上都有与之对应的幅度。频率累加器每过一个dds的工作时钟就会累加一个固定的值ftw(frequency tuning word，频率调谐字)，相当于相位增加2π*ftw/2n，因此改变ftw相当于改变角速度。相位幅度转化根据频率累加器的值从查找表中得到幅度值，由dac根据幅度值还原对应的信号。dds技术相对于其它频率合成方法有许多优点，包括带宽大，频率变化速度快，输出信号相位连续，频率分辨率高，可编程和全数字化等。
[0066]
在操作s140，将所述数字域中频信号进行上变频恢复成与所述原始微波信号高度一致性的目标微波信号。
[0067]
根据本发明实施例，操作s140包括：
[0068]
将数字域中频信号与本振信号相乘得到第二混频信号；以及
[0069]
将所述第二混频信号中的高混频分量滤除，得到目标微波信号。
[0070]
具体地，将操作s130后输出的数字域中频信号与本地振荡器产生的本振信号相乘，然后通过低通滤波器处理获得变频后的高频信号。例如，数字域中频信号频率f
if
′
为31.2375mhz，本振信号lo的频率f
lo
为531.0375mhz，根据积化和差原理，数字域中频信号与本振信号lo相乘后得到第二混频信号中的频率分量包括：第二低混频分量fm′
＝f
lo-f
if
′
，第二高混频分量fh′
＝f
lo
f
if
′
，利用低通滤波器，将第二高混频分量fh′
滤除，留下频率为fm′
＝499.8mhz的第二低混频分量作为目标微波信号，这就实现了中频信号的上变频(up conversion)，把信号恢复成与信号源待扩展通道中高度一致的微波信号。
[0071]
之后射频前端再控制多个发射通道同步输出上变频后的目标微波信号，从而实现了信号源通道从一路到多路的扩展，由于每一路扩展信号均来源于同一个频率分量fm′
＝499.8mhz的上变频信号，因此该方法可以实现输出信号幅度与相位的高度一致性。
[0072]
需要说明的是，本发明实施例中的流程图所示的操作除非明确说明不同操作之间存在执行的先后顺序，或者不同操作在技术实现上存在执行的先后顺序，否则，多个操作之间的执行顺序可以不分先后，多个操作也可以同时执行。
[0073]
图2示意性示出了本发明实施例的微波信号源输出通道扩展装置的框图。
[0074]
如图2所示，微波信号源输出通道扩展装置200包括：下变频模块210，信号处理模块220，dds模块230，上变频模块240。
[0075]
下变频模块210，与信号源相连，用于将信号源待扩展通道输出的原始微波信号进行下变频处理，得到中频信号；
[0076]
根据本发明实施例，下变频模块210包括：
[0077]
第一混频单元，用于将所述原始微波信号与本振信号相乘得到第一混频信号；以及
[0078]
低通滤波器，与所述第一混频单元相连，用于将所述第一混频信号中的高混频分量滤除，得到中频信号。
[0079]
信号处理模块220，与所述下变频模块210相连，用于对所述中频信号进行处理获取中频信号参数信息；
[0080]
根据本发明实施例，所述信号处理模块220，包括：
[0081]
adc单元，用于对所述中频信号进行数模转换并进行采样得到采样信号；以及
[0082]
i/q解调单元，用于将采样信号进行矢量分解，获取中频信号参数信息。
[0083]
具体地，i/q解调单元将采样后的下变频信号进行正交矢量分解，完整地获取中频信号参数信息，包括：幅度、频率和相位。
[0084]
dds模块230，与所述信号处理模块220相连，用于根据所述中频信号参数信息实现所述中频信号在数字域的复制，得到数字域中频信号；
[0085]
上变频模块240，与所述dds模块230相连，用于将所述数字域中频信号进行上变频恢复成与所述原始微波信号高度一致性的目标微波信号，并控制多通道同步输出该目标微波信号。
[0086]
所述上变频模块240，包括：
[0087]
第二混频单元，用于将数字域中频信号与本振信号相乘得到第二混频信号；以及
[0088]
低通滤波器，与所述第二混频单元相连，用于将所述第二混频信号中的高混频分量滤除，得到目标微波信号。
[0089]
从而使信号源通道实现一路到多路的扩展，以满足量子计算芯片测试的需求。由于每一路扩展信号的中频信号均利用源信号if的频率、幅度及相位信息合成，同时由同一个上变频信号同步发射，因此各扩展通道输出信号的频率、幅度及相位信息与源信号能够保持高度一致，解决了使用传统方法在扩展信号通道中存在的明显相位差问题。
[0090]
图3示意性示出了本发明实施例的适于实现微波信号源输出通道扩展方法的电子设备系统框图。
[0091]
如图3所示，电子设备系统包括存储器301、处理器302和射频前端303，该存储器301、处理器302和射频前端303相互之间直接或间接地电性连接，以实现数据的传输或交互。例如，这些元件相互之间可通过一条或多条通讯总线或信号线实现电性连接。存储器301可用于存储软件程序及模块，如本发明实施例所提供的微波信号源输出通道扩展装置对应的程序指令/模块，处理器302通过执行存储在存储器301内的软件程序及模块，从而执行各种功能应用以及数据处理。该射频前端303可用于对信号源原始信号的下变频处理和输出信号的上变频处理。
[0092]
其中，存储器301可以是但不限于，随机存取存储器(random access memory，ram)，只读存储器(read only memory，rom)，可编程只读存储器(programmable read-only memory，prom)，可擦除只读存储器(erasable programmable read-only memory，eprom)，电可擦除只读存储器(electric erasable programmable read-only memory，eeprom)等。
[0093]
处理器102可以是一种集成电路芯片，具有信号处理能力。该处理器102可以是通用处理器，包括中央处理器(central processing unit，cpu)、网络处理器(network processor，np)等；还可以是数字信号处理器(digital signal processing，dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、现场可编程门阵列(field-programmable gate array，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。
[0094]
可以理解，图3所示的结构仅为示意，电子设备还可包括比图3中所示更多或者更少的组件，或者具有与图3所示不同的配置。图3中所示的各组件可以采用硬件、软件或其组合实现。
[0095]
综上，本发明实施例提供了一种微波信号源输出通道高一致性扩展方法及装置，该方法将微波信号源的某一路输出设置为待扩展信号通道，利用射频前端下变频模块的接
收通道将该通道输出的微波信号进行下变频处理，源信号被转换至中频；对上一操作中下变频至中频的源信号进行adc转换及采样，经过i/q正交分解后，得到中频信号的频率、幅度及相位信息；根据上一操作得到的中频信号的频率、幅度及相位信息，采用直接数字合成(dds)技术，再次产生中频信号；中频信号经射频前端上变频为与源信号高度一致的扩展信号，通过多个发射通道同步输出扩展微波信号，实现对信号源原始通道的高一致性扩展。在上述方法实现过程中，信号源输出的原始信号通过提出的微波信号源输出通道高一致性扩展装置实现下变频；实现adc、采样、i/q正交解调；实现dds；实现上变频并同步从多个通道输出，从而实现信号源通道由一路到多路的扩展，以满足量子计算芯片测试的需求。由于每一路扩展信号的中频信号均利用源信号if的频率、幅度及相位信息合成，同时由同一个上变频信号同步发射，因此各扩展通道输出信号的频率、幅度及相位信息与源信号能够保持高度一致，解决了使用传统方法在扩展信号通道中存在的明显相位差问题。
[0096]
在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
[0097]
另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。
[0098]
所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分操作。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0099]
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。