專利名稱：雙參考鎖定檢測器的制作方法
技術領域：
本發明一般涉及接收系統和方法中的參考鎖定裝置，特別涉及鎖定放大器/檢測器中使用雙參考配置進行信號恢復的系統和方法。
相關申請本專利申請對由Phillip R.Gibbs博士與2004年5月4日提交的名為“A Double Reference Lock-in Detector”的臨時專利申請60/568104主張優先權。該臨時申請的內容在此引用作為參考。
背景技術：
鎖定放大器是這樣一種檢測器，其特別適合于從寬帶噪聲提取低強度窄帶信號。由于這種鎖定放大器對相位敏感，通過使參考信號與寬帶輸入信號相乘，能夠提取在特定的頻率和相位的輸入信號分量。參考信號可以取自振蕩器或函數發生器中的任何適當的波形(例如，正弦波、方波等)。圖1示出了現有技術中的一種典型的單參考鎖定放大器110，其中，來自VCO(可變晶體振蕩器)的參考信號在混頻器120中與輸入信號混頻，所產生的信號還可以被窄帶濾波，在所示情況下，在混頻器120之后采用低通濾波器(LPF)125。
有時希望在鎖定放大器中采用外部參考。在典型的情況下，鎖定放大器的VCO被鎖相到外部參考，并且圖2示出了一種將內部參考信號鎖定到外部參考的方法。當采用一個外部參考信號和一個內部參考信號兩個參考信號時，仍然僅是將一個鎖定信號加到混頻器220以從輸入信號中提取感興趣的信號。
除了單鎖定放大器之外，還推薦采用雙鎖定放大器以最小化在想要的頻率上的噪聲問題。在J.Goree的文章“Double lock-in detection forrecovering weak coherent radio frequency signals”，Rev.Sci.lnstrum.，Vol.56，No.8(Aug.1985)中闡述了一種這樣的方法。在這種情況下，人們發現重要的和有問題的射頻拾波(RF pick-up)通過鎖定裝置而未衰減，說明鎖定檢測是無用的。通過在第一鎖定裝置之前引入第二鎖定裝置，人們發現第二個鎖定裝置與系統調制(例如，機械調制盤)同步，因而將在想要的頻率上的未調制的射頻拾波貢獻最小化。
然而是，上述這些方法，在將單參考信號用于鎖定感興趣的信號時還存在著共有的局限性。在有些情況下，希望用更復雜的，即，復合參考信號來提取想要的信號。這樣就可以提取多個感興趣的信號，或者避免特定的單一頻率和各單獨參考的諧波(例如，復合是指兩個參考信號的結合，從而產生互調和/或其邊帶/諧波分量)。在這些情況下，現有技術的單參考鎖定方法不能提供用于鎖定的合適的信號。
因而，存在對改進的鎖定檢測器或放大器的需要，其使得經由復合的參考實現鎖定變得靈活且容易。
發明內容
依照本發明，在這里對該發明的各個方面進行描述。一般而言，本發明提供了一種用于相位敏感的檢測和對感興趣的復雜信號的恢復的方法、電路和系統。在示例性實施例中，雙參考鎖定檢測器可以具有兩個或更多的參考信號源，其中該信號源的信號先被結合，生成復合的(例如互調的)參考信號。然后該信號被與感興趣的信號混頻，在想要的頻率上產生所期望的放大。第二個實施例使用了外部參考信號，在將參考信號結合之前使內部參考與這些外部參考信號同步。
本發明的一個方面，提供了一種用于從輸入信號中恢復感興趣的信號的方法。這種方法是從接收第一參考信號和接收第二參考信號開始的。第一和第二參考信號可以是與輸入信號相關聯的調制信號。該方法接著產生具有所述第一參考信號和所述第二參考信號的互調產物(inter-modulationproduct)的復合參考信號。該復合參考信號可被濾波從而得到單邊帶或者互調分量，該復合參考信號被與所述輸入信號相乘以提供乘積信號(product signal)。所述感興趣的信號是從所述輸入信號和所述復合參考信號的乘積恢復的。所述恢復步驟可以進一步包括將所述輸入信號和所述復合參考信號混頻以形成作為乘積的混頻信號。所述恢復還包括對所述混頻信號進行濾波以檢測和恢復所述感興趣的信號。
所述方法可實現這樣的步驟，即通過從內部信號源獲得在第一調制頻率的所述第一參考信號來接收該第一參考信號。同樣地，所述方法可實現這樣的步驟，即通過從另一個內部信號源獲得在第二調制頻率的所述第二參考信號來接收該第二參考信號。
可選地，所述方法可以實現這樣的步驟，通過從外部信號源獲得在第一調制頻率的所述第一參考信號來接收該第一參考信號，以及通過從另一個外部信號源獲得在第二調制頻率的所述第二參考信號來接收該第二參考信號。
進一步，該方法可以包括這樣的步驟基于所述第一參考信號提供第一鎖相環信號以及基于所述第二參考信號提供第二鎖相環信號。所述生成步驟還可以包括將所述第一和第二鎖相環信號結合在一起作為所述復合參考信號。
在本發明的另一方面，提供了一種用于恢復感興趣的信號的檢測電路。該電路包括參考源以及混頻器，其中所述參考源具有多個參考信號發生器以及組合器(combiner)。參考信號發生器可以是內部信號源，例如，VCO或其它類型的合成裝置或振蕩器。組合器與每個參考信號發生器相連，并且能夠響應于來自參考信號發生器的信號提供復合參考信號。該復合參考信號是在第一相位條件下的所述參考源的輸出。所述混頻器與所述參考源的輸出相連，并且能夠響應于接收的輸入信號，提取具有與所述第一相位條件基本上相同的相位條件的所述感興趣的信號。為了有選擇地提供所述感興趣的信號，所述檢測電路還可以包括被連接到所述混頻器的輸出的窄帶濾波器。
所述參考信號發生器可以分別響應于多個外部信號源。進一步，每一個外部信號源可以以鎖相關系與各自的一個參考信號發生器有效地連接。所述參考信號發生器還可以分別與所述輸入信號的多個調制信號相關聯。
在本發明的再一方面，提供了一種用于恢復與手性混合(chiralmixture)的屬性相關聯的感興趣的信號的檢測系統。該檢測系統包括被第一參考信號調制的第一信號源和被第二參考信號調制的磁場源。該系統還具有對所述第一信號源和所述磁場源作出響應并且維持所述手性混合的樣品管(sample cell)。最后，該系統包括至少一個多參考鎖定放大器或檢測器，其被連接到與所述樣品管的結果輸出相關聯的輸入信號。這種多參考鎖定檢測器使用所述第一參考信號和所述第二參考信號來產生互調復合參考信號并用其來提取所述感興趣的信號。
鎖定檢測器可以進一步包括對所述第一參考信號和所述第二參考信號作出響應的參考源。為了提供復合參考信號，所述參考源可以包括與所述第一參考信號和所述第二參考信號的每一個相連接的組合器。該復合參考信號是所述參考源的輸出。進一步，所述鎖定檢測器可以包括被連接到所述參考源的輸出的混頻器。該混頻器可以有效地響應于接收的輸入信號來提取所述感興趣的信號。
所述檢測系統還可以包括被連接到所述混頻器的輸出的窄帶濾波器以有選擇地提供所述感興趣的信號。同樣，所述第一參考信號可以以鎖相關系被連接到第一參考信號發生器，而且所述第二參考信號可以以鎖相關系被連接到第二參考信號發生器。
需要理解的是，前面的一般描述和下面的詳細描述僅為示例性和解釋性的，不對本發明進行限制。本發明的其它優點的一部分將在以下描述中闡明，并且其它部分可以從描述中明顯得出或通過實施本發明予以掌握。
附圖被并入且構成了本說明書的一部分，其示出了本發明的多個實施例，并連同描述一起用于解釋本發明的原理。
圖1是用于單參考鎖定放大器的說明性的現有技術方法的框圖；圖2是另一種說明性的現有技術方法的框圖，該方法使用了外部參考來同步單參考鎖定放大器；圖3是用于說明依照本發明的一個實施例的示例性的多參考鎖定放大器的框圖；圖4是用于說明依照本發明的另一個實施例的示例性的采用外部參考的多參考鎖定放大器的框圖；圖5是使用了依照本發明實施例的雙參考鎖定檢測系統的示例性的應用環境和代表性信號流程的框圖。
具體實施例方式
現在詳細參照本發明的示例性實施例，其中參照附圖及以下描述說明了該實施例的例子。相同的參考數字在附圖中指代相同或類似的部件。
一般而言，上述現有系統的局限性可以通過本發明的各種實施例所示的新穎方面得以克服，其中該實施例由下面的詳細描述和圖3、圖4示出。本發明的這些實施例尤其適合在測試應用中使用，例如圖5的手性分析環境。對本發明的實施有用的手性分析環境的另一個例子被一份在先臨時申請進一步公開，該申請提交于2003年10月10日，名為“Differential OpticalTechnique for Chiral Analysis”，申請號60/510209，以及被申請PCT WO03/029790 Al公開，其名為“High-Throughput Chiral Detector and Methodsfor Using Same”，申請人均為Phillip R.Gibbs博士，上述兩項申請在此引用作為參考。代替這些文獻中所描述的單參考鎖定，可以通過在先前公開的分析處理和系統中使用本發明的實施例和方面來獲得突出的效果。
現在參考附圖，特別地參考圖3，依照本發明的實施例來描述多參考鎖定放大器310的示例性代表。系統305和檢測器310分別接收來自兩個參考源315、316的參考信號f和w。這兩個參考信號都被提供給組合器317，來生成和產生復合參考信號(例如，互調信號f+w，及其邊帶)。然后將這個互調的復合參考信號，或者其分量中的至少一個施加到混頻器320以從輸入信號中恢復和提取感興趣的信號。在一個實施例中，濾波器(未示出)可被用來選擇將被施加到混頻器320的復合參考信號的特定互調分量。進一步，被連接到混頻器320的輸出的窄帶濾波器325可被用來幫助減少感興趣的頻率之外的噪聲分量并且增強對感興趣的信號的提取。這對于那種輸入信號依賴于多于一個頻率的調制因而難于使用常規的鎖定檢測器的系統而言，尤其具有優勢。
盡管已經以框圖的形式對圖3和圖4進行了描繪，本領域技術人員可以理解這些是功能性的描述，其可在多種電路中輕易實施。例如，可以借助于分立元件、集成電路或者運行在專用處理器或諸如計算機的通用處理器上的軟件來實現所述檢測電路。例如，本領域的技術人員可以理解這樣的計算機或者處理器，其包括微處理器、數字信號處理器或者具有DSP功能性的專用集成電路。特定的實施方案不過是設計選擇問題。
在圖5所示以及下面進一步描述的實施例中，利用數字信號處理器進行數字化實現。這樣，對于固定的實驗，可以對所有的參考信號(驅動和互調制的信號)典型地產生預定的正弦表(也被稱為波表)，從而使得一旦生成初始表便無需額外的計算。本領域技術人員可以理解這種波表通常和數字信號處理器一起使用。同樣地，可以通過改變兩個參考的數學混合并對其存儲來生成兩個基頻(f和w)的任意互調頻率組合并對它們進行跟蹤。然后期望的參考值可被通過數學混合施加于輸入信號并取其離散部分，從而檢測選定的邊帶和互調頻率(例如，f+w，f-w，2f+w，2f-w，3f+w，f+2w，等等)中感興趣的頻率。
可以通過執行第二鎖定分析來避免所述鎖定分析的相位依賴性，其中所述第二鎖定分析使用所應用的參考(例如，具有互調信號f+w的復合參考信號)的相移形式。換言之，該數字化實現的鎖定檢測器在其分析過程中可以采用復合參考信號的同相形式并且進一步可采用復合參考信號的相移形式。相移最好為90度或者基本上接近90度從而提供信號之間的基本上的正交關系。通過三角關系計算絕對信號幅度，其僅取決于所期望的頻率分量的幅度。可以采用參考信號的反正切和正交解析信號(quadratureanalytical signal)來提取相位信息。通過對驅動和分析波形(即，通過波表產生的那些信號)使用單參考時鐘，可以認為解析分量的相對相位是絕對的，其變化僅是由于在觀察信號中引入的相移。如果不將兩個參考波形和分析波形以某方式連接，那么作為結果的相位信息將是任意的并且取決于分析的初始啟動條件。
圖4示出了根據本發明的另一個實施例。現在參照圖4，雙參考鎖定放大器410從外部參考信號源406、407接收參考信號f和w。這些外部參考信號在鎖相環(PLL)411、415中被利用內部源(例如，VCO、晶體振蕩器、頻率合成器等)412、416進行鎖相。這樣，PLL充當參考信號源內的參考信號發生器(盡管是由外部參考信號源驅動的)。同樣地，當產生復合參考信號時，PLL可以被認為生成這樣的信號，其通常被稱作為提供給組合器的不同的鎖相環信號。
組合器419接收每個PLL 415、411的輸出，并且產生期望的復合參考信號(例如，根據期望的互調參考(f+w)和/或邊帶/諧波)。然后將這種復合參考信號施加到混頻器420以從輸入信號提取和恢復所述感興趣的信號。低通濾波器(LPF)425可被用來幫助去除所選頻帶外的噪聲分量并且增強對感興趣的信號的提取和恢復。
因而，圖3和圖4所示的實施例提供了取決于兩個調制頻率的信號。這就可以更好地提取感興趣的互調信號而且與常規的單參考信號鎖定方法相比產生更好的信噪比(SNR)。這種性能的改進是因為能夠在高得多的斬波比(chopping rate)下獲得互調信號(例如f+w，產生1/f的性能改進)，而且下調制有可能便于分析更高的頻率響應(例如，對于有些頻率而言，f-w與f+w相反，可被計算跟蹤)。本領域技術人員可以理解，同樣地，這會有助于高頻率的情況，在其中與使用f+w相反，使用f-w更容易收集更多的數據。此外，采用本發明實施例可提高性能，這是因為可從多邊帶(例如，圖5中f+w關聯于維爾德(Verdet，偏振光磁旋)常數以及2f+w關聯于光旋轉)的調制系統響應來獲得額外的解析信息，而且，對于在每個基頻(例如f和w)對系統斬波而引入的噪聲不會出現在互調頻率上。
圖3和圖4中描述的實施例可在各種測試環境或者其它需要信號恢復的應用中實現。在一個例子中，測試環境可以是如圖5所示的手性測試環境。在該例中，在手性外差應用中使用雙參考鎖定檢測器，用來恢復期望的解析信號，如Phillip R.Gibbs博士在其名為“Systems and Methods forChiroptical Heterodyning”、申請號為60/584105的美國臨時專利申請中公開的那樣，該申請在此被引用作為參考。
現在參照圖5，在概念上示出了一種示例性的手性檢測系統500，其在系統的接收機側使用了數字化實現的雙參考鎖定放大器，與本發明的原理一致。該系統500使用了公共系統時鐘524來驅動系統組件，該系統組件包括作為調制信號源的數模轉換器(DAC)/波表502a-b、激光器514、樣品管線圈516、樣品518、濾波器520以及被連接到一個或多個數字鎖定放大器501a-c的一個或多個模數轉換(ADC)單元522a-c。DAC/波表502a提供了信號w 510，其調制從激光器514施加到樣品518的光束。DAC/波表502b提供了信號f 512，其調制經由樣品管線圈516作用到樣品518的磁場512。這樣，DAC/波表502a-b基于公共時鐘524產生用來激勵樣品518的調制信號。
通過樣品518發射的光攜帶了關于該樣品的信息，這些信息反應在光的強度和偏振狀態。一個或多個光電二極管(未示出)可以被用來檢測所發射的光的振幅并且產生表示所發射的光的電信號。該電信號由濾波器520濾波后產生信號并且由使用相同系統時鐘524的ADC單元522a-c轉換回數字形式。在一個實施例，所述電信號通過四條濾波路徑濾波后產生由ADC單元得到的信號。這樣，ADC單元向鎖定放大器提供數據流(輸入信號的數字表示)。
在本例中，數字鎖定放大器500a-c由數字信號處理器實現，該數字處理器分別恢復在w，2f+w和f+w的每一個被濾波的信號。當鎖定放大器501a僅需要依靠單參考信號(信號w)時，鎖定放大器501b-c被實現為依靠兩個參考信號(例如，來自DAC/波表502a的調制信號w和來自DAC/波表502b的調制信號f)來產生復合參考信號，該復合參考信號具有適當的互調產物以用于在2f+w和f+w下對感興趣的信號的各自的相位敏感鎖定分析。在這種情況下，所述復合參考可被預先計算和存儲為2f+w和f+w的各自的波表。這些復合波表被鏈接到所述相同的系統時鐘來作為驅動頻率參考以維持在2f+w和f+w的恢復的系統響應中的非任意的相位關系。
總之，本發明的實施例提供了一種改進的鎖定單元、裝置或系統。本領域技術人員可以理解到，這些單獨的元件可能有各種選擇，并且如上所述它們的排列仍然在本發明的范圍之內。因而，值得注意的是，盡管在特定的雙鎖定方法的語境下描述了本發明，本領域技術人員可以理解到，本發明的元件和步驟也可由適宜的硬件和/或軟件配置來實現，并可以擴展到任何具有兩個或多個參考源的鎖定檢測器。
最后，以上描述只是對本發明各種實施例的闡釋與描述，而不是為了窮盡或限制到所公開的形式。對實施例的選擇和描述是為了解釋本發明的原理，顯示它的實際應用，以及使本領域普通技術人員理解如何制造和使用本發明。諸多修改及變型對本領域普通技術人員來說是顯而易見的。
因而，本發明的說明書和例子僅僅被認為是示例性的，而本發明的實際保護范圍和精神通過權利要求指出。
權利要求
1.一種用于恢復感興趣的信號的方法，包括以下步驟接收第一參考信號；接收第二參考信號；生成具有所述第一參考信號和所述第二參考信號的互調產物的復合參考信號，以及通過將所述復合參考信號與輸入信號相乘來提供乘積信號；以及從所述輸入信號和所述復合參考信號的乘積來恢復所述感興趣的信號。
2.根據權利要求1所述的方法，其中，所述第一參考信號和所述第二參考信號是與所述輸入信號相關的調制信號。
3.根據權利要求1所述的方法，其中，所述恢復步驟進一步包括將所述輸入信號和所述復合參考信號混頻，以形成作為所述乘積的混頻信號。
4.根據權利要求1所述的方法，其中，所述恢復步驟進一步包括在與所述輸入信號混頻以形成作為所述乘積的混頻信號之前對所述復合參考信號濾波以選擇出該復合參考信號的互調分量。
5.根據權利要求3所述的方法，其中，所述恢復步驟進一步包括對所述混頻信號進行濾波以檢測所述感興趣的信號。
6.根據權利要求1所述的方法，其中，所述接收第一參考信號的步驟進一步包括從內部信號源得到在第一調制頻率的所述第一參考信號，以及其中，所述接收第二參考信號的步驟進一步包括從另一個內部信號源得到在第二調制頻率的所述第二參考信號。
7.根據權利要求1所述的方法，其中，所述接收第一參考信號的步驟進一步包括從外部信號源得到在第一調制頻率的所述第一參考信號，以及其中，所述接收第二參考信號的步驟進一步包括從另一個外部信號源得到在第二調制頻率的所述第二參考信號。
8.根據權利要求7所述的方法，進一步包括步驟基于所述第一參考信號提供第一鎖相環信號以及基于所述第二參考信號提供第二鎖相環信號，以及其中，所述生成步驟進一步包括將所述第一和第二鎖相環信號結合在一起作為所述復合參考信號，其中該復合參考信號具有與所述第一參考信號和所述第二參考信號相關的互調分量。
9.一種用于恢復感興趣的信號的檢測電路，包括參考信號源，其進一步包括多個參考信號發生器，以及與所述參考信號發生器的每一個相連接的組合器，該組合器能夠響應于來自所述參考信號發生器的信號提供互調復合參考信號，該復合參考信號是在第一相位條件下的所述參考信號源的輸出，以及與所述參考信號源的輸出相連接的混頻器，該混頻器能夠響應于接收的輸入信號來提取具有與所述第一相位條件基本相同的相位條件的所述感興趣的信號。
10.根據權利要求9所述的檢測電路，進一步包括與所述混頻器的輸出相連接的窄帶濾波器，用于選擇性地提供所述感興趣的信號。
11.根據權利要求9所述的檢測電路，其中，所述多個參考信號發生器是內部信號源。
12.根據權利要求9所述的檢測電路，其中，所述多個參考信號發生器分別響應于多個外部信號源。
13.根據權利要求9所述的檢測電路，其中，所述多個參考信號發生器與被施加到所述輸入信號的多個調制信號相關聯。
14.一種用于恢復與手性混合的屬性相關聯的感興趣的信號的檢測系統，其包括被第一參考信號調制的第一信號源，被第二參考信號調制的第二信號源，響應于所述第一信號源和磁場源的樣品管，該樣品管包含所述手性混合，且該樣品管提供合成的輸出，以及與關聯于所述樣品管的所述合成輸出的輸入信號相連接的多參考鎖定檢測器，該多參考鎖定檢測器使用所述第一參考信號和所述第二參考信號以生成互調復合參考信號，利用該互調復合參考信號來提取所述感興趣的信號。
15.根據權利要求13所述的檢測系統，其中，所述第二信號源是磁場源。
16.根據權利要求13所述的檢測系統，其中，所述第二信號源是電場源。
17.根據權利要求13所述的檢測系統，其中，所述鎖定檢測器進一步包括響應于所述第一參考信號和所述第二參考信號的參考信號源，該參考信號源包括與所述第一參考信號和所述第二參考信號的每一個相連接的組合器，以提供所述互調復合參考信號作為所述參考信號源的輸出，以及與所述參考信號源的輸出相連接的混頻器，該混頻器通過將所述輸入信號與所述互調復合參考信號相乘來響應于接收的該輸入信號提取所述感興趣的信號。
18.根據權利要求17所述的檢測系統，進一步包括與所述混頻器的輸出相連接的窄帶濾波器，用于選擇性地提供所述感興趣的信號。
19.根據權利要求18所述的檢測系統，其中，所述第一參考信號以鎖相關系被連接到第一參考信號發生器，且所述第二參考信號以鎖相關系被連接到第二參考信號發生器。
20.根據權利要求13所述的檢測系統，進一步包括被連接在所述參考信號源和所述混頻器之間的濾波器，該濾波器能夠從所述互調復合參考信號選擇所述互調分量。
全文摘要
本發明提供了一種用于利用雙參考鎖定檢測器對感興趣的復雜信號進行相位敏感的檢測和恢復的方法、電路和系統。雙參考鎖定檢測器可以具有兩個或更多的參考信號源，該信號源的信號首先被結合，產生復合的(例如，互調)參考信號。然后將該信號與輸入信號混頻，產生在感興趣的頻率上的所希望的選擇性。第二個實施例在結合所述參考信號之前使用了與內部參考信號同步的外部參考信號。這種檢測器可以被用在用于恢復預定的感興趣的信號的手性檢測系統，在其中所述感興趣的信號與正在被檢測的樣品的手性屬性相關聯。
文檔編號G01N21/27GK101019353SQ200580022040
公開日2007年8月15日 申請日期2005年5月3日 優先權日2004年5月4日
發明者P·R·吉布斯 申請人:斯埃諾公司