Moku:Delta 一体化方案：量子比特读出免下变频

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Moku:Delta 一体化方案：
量子比特读出免下变频

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在通信中的相移键控 (PSK) 和量子信息科学中的量子比特读出实验中，从调制信号中提取精确的相位信息至关重要。相位测量系统需要在调制、传输与解调过程中保持稳定的相位参考，从噪声背景中提取微小的相位变化。一套典型的模拟混频系统通常由多台独立设备组成：任意波形发生器、微波源、IQ混频器等产生信号并完成上变频；信号经过被测系统后，再利用下变频混频器、功分器、移相器及滤波器等器件转换为中频或基带信号，最后由示波器采集，并通过数据处理提取相位信息。这些独立设备均需要同步并精确校准，随着通道数增加，系统复杂度显著提升，一个实际问题随之而来：如何实现兼顾速度与精度、高度集成混频方案？

关键词：微波测量、IQ 混频、量子比特读出、射频反射测量、PSK调制解调

Moku:Delta基于超低底噪低模拟前端与可重构FPGA架构，具备8通道输入/输出及可扩展至6GHz的带宽输入，将信号生成、采集、解调、可视化及自定义处理能力集成于同一平台，多种仪器功能协同运行在统一的 FPGA 和时钟架构，在单一设备平台实现高精度相位同步的微波测量和系统扩展。

本文将介绍基于Moku:Delta和外部IQ混频器、微波源，构建从信号生成、采集到解调分析的微波脉冲检测的集成微波测量解决方案。

01Moku:Delta实现脉冲信号生成到精确相位检测

Moku:Delta将任意波形发生器与高频相敏检测集成在同一平台，实现从基带生成、射频调制到频谱分析和相位检测的一体化微波测试链路，仅需一个IQ混频器和一个微波源进行上变频，而无需外部模拟下变频器。

任意波形发生器生成高频脉冲

系统中，Moku:Delta的任意波形发生器产生 I、Q 两路基带脉冲，外部微波源提供本振信号，经双平衡 IQ 混频器上变频，以消除上边带干扰，生成所需的微波脉冲。系统通过Moku:Delta的10MHz参考时钟保持同步，使信号生成和检测保持相干。Moku的任意波形发生器支持公式、文件导入等灵活方式定义基带脉冲的形状、幅度、时序及 I/Q 相位关系，满足不同微波脉冲的生成需求。

频谱分析仪验证混频器工作状态

Moku:Delta 频谱分析仪功能提供 DC–2 GHz 的频率分析范围，实现从真正的直流信号到高频信号的实时频谱分析，低于 10 nV/√Hz 本底噪声和618.5 mHz 的分辨率带宽。Moku:Delta频谱分析仪工作在6GHz带宽模式，可直观显示混频输出中的目标信号、本振泄漏及不需要的边带，用于评估混频器的工作状态。

锁相放大器解调微波脉冲

无需传统的外部模拟下变频链路，Moku:Delta 6GHz模拟带宽模式利用与微波源同步的内部时钟，直接通过锁相放大器对高频脉冲进行解调，同时恢复幅度和相位信息。

Moku:Delta 锁相放大器支持从 DC 到 2 GHz 的解调频率，具有超低底噪和 > 120 dB 的动态储备，双向解调可衰减谐波并抑制每个正交中的噪声，最多可达8个锁相单元实现多频率并行解调。

锁相放大器内置示波器、数据记录器和信号处理探点进一步简化控制流程，提高数据分析效率。通过直接设置低通滤波器的截止频率，可最大限度地减少振铃，设置解调参数增益提升，以最大程度地提高信号保真度；通过内置示波器放置探点，实时并查看相位信息。

多仪器并行构建完整系统

更重要的是，通过多仪器并行模式，任意波形发生器、频谱分析仪和锁相放大器功能支持同时运行，实现仅在一个平台同时完成波形生成、频谱验证和信号解调。借助这种灵活的设置，用户可以并行执行以下所有操作：

在多个同步通道上进行解调，以实现可扩展的并行测试

使用示波器和频谱分析仪仪器现场查看和验证信号

和自定义仪器执行后处理

02应用实例：量子比特读出

Moku:Delta 与 IQ 混频方案相结合，可满足对微波脉冲进行精确相位检测的各种应用场景。

在量子比特读出的应用中，Moku:Delta 集成了基带波形生成、时钟源和解调能力于同一平台。在色散读出方案中，将读出频率的脉冲施加到量子比特，从而获得与量子比特状态相关的相移。

由于 Moku:Delta 以 5 GSa/s 的采样率对脉冲进行采样，无需外部混频器进行下变频，即可有效地将信号下变频到其第一奈奎斯特区 0-2.5 GHz 范围内的中频 (IF)。然后，锁相放大器利用超稳定的时钟提供相位同步的本振 (LO) 信号，在该中频下进行解调。

最终得到的 I 和 Q 信息可以使用示波器或箱式平均法进行采集。

时钟同步：内部本地振荡器、外部微波源和模拟输出全部同步于同一个 1 ppb 时钟。

多台仪器：最多可同时使用 3 台仪器以 5 GSa/s 的采样率进行采样，具体取决于所需的输出或输入通道数。

实时监控： Moku:Delta 频谱分析仪和示波器仪器提供实时数据可视化和捕获。

03Moku:Delta可自定义的高集成度检测系统

16种仪器功能集成于一个2U平台

通过将波形生成、采集、可视化、解调、同步和信号处理整合到单个基于 FPGA 的平台中，简化了射频混频应用。

同一台接收信号的 Moku:Delta 可以同时运行频谱分析仪、示波器、锁相放大器、PID 控制器、任意波形发生器等，用一台可重新配置的仪器取代整个隔离的测量台。

FPGA（现场可编程门阵列）信号处理

Moku:Delta 支持将自定义 DSP 算法部署到Xilinx RFSoC FPGA 上生成自定义信号处理。在解调之前实时过滤输入信号，或在解调之后执行后处理和平均。

开放 API 和完全自动化

Python、MATLAB 和 REST API 提供完整的程序化控制。可远程计算并上传基带脉冲、调整检测设置、在 Moku:Delta 上查看输出，并自动记录结果。

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