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# 读出系统历史无关的功能配置项
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本文以常用的超导量子比特读出操作为例，
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将读出操作可能涉及到的相关功能拆解成最小功能项，
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并给出对每个功能项的历史无关配置集。
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超导量子比特读出操作涉及到EXT、ACQ和Pump三类通道，
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本文将基于**ez-Q 2.5 FPGA平台读出子系统**的的通道为控制对象进行功能分解。
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读出子系统的工作流程如下图所示：
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本文所指的`历史无关配置`限定为上图中历史无关实验中的**实验配置**项，
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而与对读出系统的初始化（例如寄存器复位、ADC、DAC、PLL等自动校准）、
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外部参数的校准（例如通信链路校准、系统间同步、回环延时补偿）等操作不在本文讨论范围。
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# 激励通道（EXC）
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读出激励通道用于为量子比特读出产生激励信号，
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对激励通道的输出控制包括模拟控制和数字控制两个部分。
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ez-Q 2.5 FPGA平台变频电路沿用ez-Q 2.0的硬件，
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目前不支持变频增益控制，LO本振频率控制暂不开放，
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LO频率固定为5.5 GHz，因此模拟电路无需配置。
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激励通道的数字电路输入控制如下图所示
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配置项包括MCU指令、MCU数据、波形索引、波形仓库和若干基带输出控制寄存器。
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相应的功能如下所示：
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* MCU指令+MCU数据用于控制实验流程和产生执行命令；
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* 波形索引+波形仓库用于完成从命令到数字波形信号的翻译；
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* 基带输出控制寄存器用于控制数字波形信号处理过程；
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其中输出控制寄存器可以通过上位机直接配置，
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此外输出控制寄存器也被映射到了MCU的访存空间，
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MCU也可以通过修改寄存器来实时控制波形输出行为。
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本文暂未涉及到需要实时修改控制寄存器的用例，
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默认都是通过上位机直接配置输出控制寄存器。
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## EXC.1 直接波形输出功能
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直接波形输出功能将用户配置以采样点配置的波形数据直接发到DAC，
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数字信号经过DAC转换成模拟基带信号，
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接着基带信号再经过模拟变频电路变频后得到读出激励信号。
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实现直接波形所需的全部配置项如下表所示
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|配置项|说明|
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|:-:|:-|
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|MCU指令|用于产生码字的指令|
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|MCU数据|非必要配置，配合MCU指令|
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|波形映射表|配置码字到波形地址和长度的映射表|
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|波形仓库|存储映射表对应的波形|
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|控制寄存器|控制波形的输出模式|
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### 编程规范
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用户通过编程MCU来生成码字指令，编程需要满足以下规范：
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|说明项|说明内容|
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|:-:|:-|
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|1|MCU数据根据需要配置，若存在访存指令则需配置，否则可不配置|
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|2|波形输出通过发出码字来控制|
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||
|3|程序结束应该调用exit来退出运行。|
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|4|指令和数据的最大容量为16 KB|
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以下示例是一个用于发出码字为`0x00000000`的汇编程序，
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该程序不存在访存指令，可不配置MCU数据。
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程序通过`send`指令发送码字信号，并通过`exit`指令退出运行。
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```{.line-numbers}
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send x0, x0, 0
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exit x0, x0, 0
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```
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### 码字约束
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对直接波形输出功能有影响的码字如下表所示：
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|配置项|值|说明|
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|:-|:-:|:-|
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|CODEWORD[12]|0|允许波形输出|
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|CODEWORD[11]|0|使用码字索引波形|
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|CODEWORD[7:0]|ID|设置用于指定的波形的ID|
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例如码字`0x00000000`可以触发输出形索引ID为`0`对应的波形。
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### 控制寄存器配置
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对直接波形输出功能有影响的寄存器如下表所示：
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|配置项|值|说明|
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|:-:|:-:|:-|
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|ACW|0x4000|设置归一化幅度为1|
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||
|AMP_SEL|0|使用AWG内部调幅值|
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|INTP_SEL|0|使用邻近插值滤波器|
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|MIX_MODE|0|NRZ输出模式|
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|AWG_MODE|0|直接波形输出模式|
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||
例如设置`amplitude`寄存器高16位为16‘h4000，`function`寄存器为32’h00000000，
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||
表示采用NRZ模式直接将存储在波形仓库中的采样点输出。
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### 波形映射表 + 波形仓库
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编程过程中发射的波形ID必须要有对应的映射表进行转换，
|
||
而编程的映射表必须要有对应的波形采样点进行匹配。
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||
映射表的一个配置项用32比特表示，高16比特对应地址，低16比特对应长度，
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||
地址和长度的单位都是时钟周期，在FPGA平台上，一个时钟周期对应16个采样点。
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||
例如映射表配置成
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```{.line-numbers}
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0x00000080
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0x00800040
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```
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||
当`ID==0`是从0地址输出128个时钟周期的波形（对应2048个采样点），当`ID==1`时，从128地址开始输出一个长度为64个时钟周期的波形（对应1024个采样点），波形起始地址和波形长度。波形地址加上波形长度的访问范围是12比特，对应最大4096个时钟周期波形输出。
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```
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S1S2S3...S16
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||
...
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S2033...S2048
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||
...
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||
S3057...S3072
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||
```
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||
此时波形仓库中的数据应该如上所示,总共存储了192个时钟周期，FPGA的主频为250 MHz，DAC的更新率为4Gsps，192个时钟周期对应3072个采样点数据，其中`S1-2048`采样点对应`ID==0`时输出,`S2049-S3072`采样点对应`ID==1`时输出.
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### 配置示例
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以下是直接输出一个高斯包络波形的配置示例，
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由于激励和采集在一个芯片上，并被同步信号触发，
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为了避免仿采集通道使用未定义数据，
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本例为采集通道MCU配置了一条退出指令。
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@import "exc_1_config.txt"
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仿真结果如下图所示:
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## EXC.2 调制波形输出功能
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调制波形输出功能将用户配置以采样点经过调制处理后发到DAC，
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数字信号经过DAC转换成模拟基带信号，
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接着基带信号再经过模拟变频电路变频后得到读出激励信号。
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实现波形调制输出所需的全部配置项如下表所示
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|配置项|说明|
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|:-:|:-|
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|MCU指令|用于产生码字的指令|
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|MCU数据|非必要配置，配合MCU指令|
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|波形映射表|配置码字到波形地址和长度的映射表|
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||
|波形仓库|存储映射表对应的波形|
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||
|控制寄存器|控制波形的输出模式，驱动模式，调幅|
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||
### 编程规范
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||
|说明项|说明内容|
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||
|:-:|:-|
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||
|1|MCU数据根据需要配置，若存在访存指令则需配置，否则可不配置|
|
||
|2|波形输出通过发出码字来控制|
|
||
|3|程序结束应该调用exit来退出运行。|
|
||
|4|指令和数据的最大容量为16 KB|
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||
以下示例是一个用于发出码字为`0x00000400`的汇编程序，
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||
该程序不存在访存指令，可不配置MCU数据。
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||
程序通过`send`指令发送码字信号，并通过`exit`指令退出运行。
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```{.line-numbers}
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||
send x0, x0, 0x400
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||
exit x0, x0, 0
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```
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### 码字约束
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对波形调制输出功能有影响的码字如下表所示：
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|配置项|值|说明|
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|:-|:-:|:-|
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|CODEWORD[12]|0|允许波形输出|
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|CODEWORD[11]|0|使用码字索引波形|
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|CODEWORD[10]|EN|清零NCO相位|
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||
|CODEWORD[7:0]|ID|设置用于指定的波形的ID|
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例如码字`0x00000400`可以触发输出形索引ID为`0`对应的波形，使能NCO相位清零。
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### 控制寄存器配置
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|配置项|值|说明|
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|:-:|:-:|:-|
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|ACW|acw|设置输出波形的调幅值，amp = acw/2^14|
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|FCW|fcw|设置NCO调制频率，freq = fcw/2^32*sample_rate|
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|PCW|pcw|相位控制字，phi = pcw/2^16\*2*pi|
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|AMP_SEL|0|使用AWG内部调幅值|
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|INTP_SEL|0|使用邻近插值滤波器|
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|MIX_MODE|0|NRZ输出模式|
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|AWG_MODE|1|波形调制输出模式|
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例如设置Amplitude寄存器高16位为16‘h4000，
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Frequency为32'h10000000,
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Phase高16位为16’h0000，
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Function寄存器为32’h00000001，
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采用NRZ模式将存储在波形仓库中的采样点输出，
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经过希尔伯特变换后然后再与频率为250 MHz相位为0的NCO载波调制后输出。
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### 波形映射表 + 波形仓库
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编程过程中发射的波形ID必须要有对应的映射表进行转换，
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而编程的映射表必须要有对应的波形进行匹配。
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映射表的一个配置项用32比特表示，高16比特对应地址，
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低16比特对应长度，地址和长度的单位都是时钟周期，
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在FPGA平台上，一个时钟周期对应16个采样点。
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||
|
||
例如映射表配置成
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```{.line-numbers}
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0x00000080
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||
0x00800040
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||
```
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||
当`ID==0`是从0地址输出128个时钟周期的波形（对应2048个采样点），当`ID==1`时，从128地址开始输出一个长度为64个时钟周期的波形（对应1024个采样点），波形起始地址和波形长度。波形地址加上波形长度的访问范围是12比特，对应最大4096个时钟周期波形输出。
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||
```
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S1S2S3...S16
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||
...
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||
S2033...S2048
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||
...
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S3057...S3072
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||
```
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此时波形仓库中的数据应该如上所示,总共存储了192个时钟周期，
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FPGA的主频为250 MHz，DAC的更新率为4Gsps，
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192个时钟周期对应3072个采样点数据，
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其中`S1-2048`采样点对应`ID==0`时输出,`S2049-S3072`采样点对应`ID==1`时输出。
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调制模式输出时，波形需要经过希尔伯特变换，
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而希尔伯特变换器的归一化通带频率为0.06~0.44，
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因此采样点的频率需要处于240~1760 MHz，
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否则波形会发生显著的畸变。
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### 配置示例
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以下是直接输出一个312.5 MHz波形调制上一个-250 MHz频率的配置示例，
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由于激励和采集在一个芯片上，并被同步信号触发，
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为了避免仿采集通道使用未定义数据，
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本例为采集通道MCU配置了一条退出指令。
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@import "exc_2_config.txt"
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仿真结果如下图所示，输出频率为
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312.5MHz-250MHz=62.5MHz，
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32ns输出显示了2个周期波形，符合预期。
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# ACQ通道
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读出采集通道用于处理来自量子比特的返回信号，
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对返回信号的处理控制包括模拟调制和数字控制两个部分。
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ez-Q 2.5 FPGA平台变频电路沿用ez-Q 2.0的硬件，
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目前不支持变频增益控制，LO本振频率控制暂不开放，
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LO频率固定为5.5 GHz，因此模拟电路无需配置。
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采集通道的数字电路输入控制如下图所示
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数字电路配置项包括MCU指令、MCU数据、参数查找表、滤波器系数表和若干控制寄存器。
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相应的功能如下所示：
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* MCU指令+MCU数据用于控制实验流程和产生执行命令；
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* 参数表+滤波器系数用于获取指定匹配滤波器系数和提供态判断参数；
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||
* 基带输入控制寄存器用于控制采集处理过程；
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其中输出控制寄存器可以通过上位机直接配置，
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此外基带输出控制寄存器也被映射到了MCU的访存空间，
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||
MCU也可以通过修改寄存器来实时控制信号处理行为。
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本文暂未涉及到需要实时修改控制寄存器的用例，
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默认都是通过上位机直接配置控制寄存器。
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## ACQ.1 波形采集功能
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波形采集功能将ADC采集到的原始波形数据采集并上传到上位机。
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|配置项|说明|
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|:-:|:-|
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|MCU指令|用于产生码字的指令|
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||
|MCU数据|非必要配置，配合MCU指令|
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|控制寄存器|控制采集参数|
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|模拟寄存器|控制变频增益和频率|
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### 编程规范
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不同于激励信号输出可以做到背靠背输出，
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波形采集需要保证两次采集之间预留50ns的死时间。
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其中死时间定义为两次触发的间隔时间减去波形持续的时间。
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|说明项|说明内容|
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|:-:|:-|
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||
|1|MCU数据根据需要配置，若存在访存指令则需配置，否则可不配置|
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||
|2|波形采集通过发出码字来控制|
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||
|3|程序结束应该调用exit来退出运行。|
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||
|4|指令和数据的最大容量为16 KB|
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||
|5|生成触发码字的死时间应≥50 ns|
|
||
|6|波形持续采集数据速率应≤ 200 Mbps（数据上报速率）|
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||
|7|波形突发采集数据量≤ 128 KB（片内缓存容量）|
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||
以下示例是一个用于发出码字为`0x00001000`的汇编程序，
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||
该程序不存在访存指令，可不配置MCU数据。
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||
程序通过`send`指令发送码字信号，并通过`exit`指令退出运行。
|
||
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||
```
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lui x1, 0x1
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||
send x0, x1, 0x0
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||
exit x0, x0, 0
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```
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### 码字约束
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||
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||
与波形采集相关的码字如下表所示:
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|配置项|值|说明|
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|:-|:-:|:-|
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|CODEWORD[12]|1'h1|采集波形数据|
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建议通过设置`0`来关闭其它采集功能选项，
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例如码字为`0x00001000`时，表示仅触发波形采集功能，
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若开启其它采集选项，采集死时间受不同的功能组合而改变。
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### 控制寄存器配置
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||
在波形采集实验中，主要配置的寄存器参数包括波形采集的深度和数据回传方式。
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||
下表设置采用数据自动推送，该模式先采集的数据先推送，数据以流模式返回。
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|配置项|值|说明|
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|:-|:-:|:-|
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|spi_rd_en|1'h0|设置为主动数据推送模式|
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|sample_depth|sample_depth|要采集数据的深度，16bit, 单位是时钟周期|
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### 配置示例
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以下是采集一段长度为64ns波形的示例，
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为了方便观察信号，我们将`EXC.1`示例的输出环回到采集通道。
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本示例额外配置了数据阈值请求量`int_threshold`，
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以告知仿真器在采集到足够数据后停止运行
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||
并将采集到的数据写入文件。
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||
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||
@import "acq_1_config.txt"
|
||
|
||
以下是推送的数据（含帧头）
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@import "acq_1_pack.txt"
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||
去除帧头的波形数据如下图所示
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||
## ACQ.2 IQ采集功能
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||
IQ采集功能利用解模算法计算输入信号的IQ值，
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||
并将IQ值采集并推送到上位机。
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||
受限于FPGA的计算资源，FPGA平台仅支持系数直读模式，不支持权重计算模式，
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||
因此FPGA平台下需要配置匹配滤波器系数。
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而ASIC平台滤波器系数是自动生成的，无该配置项。
|
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以下是ez-Q 2.5 FPGA平台下所需的配置项：
|
||
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||
|配置项|说明|
|
||
|:-:|:-|
|
||
|MCU指令|用于产生码字的指令|
|
||
|MCU数据|非必要配置，配合MCU指令|
|
||
|控制寄存器|控制解模采集相关参数|
|
||
|读出控制参数表|定义了解模所用的参数索引|
|
||
|匹配滤波器系数|定义了解模匹配滤波器系数|
|
||
|模拟寄存器|控制变频增益和频率|
|
||
|
||
### 编程规范
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||
解模采集需要保证两次采集之间预留50ns的死时间。
|
||
其中死时间定义为两次触发的间隔时间减去比特最大解模时间。
|
||
|
||
|说明项|说明内容|
|
||
|:-:|:-|
|
||
|1|MCU数据根据需要配置，若存在访存指令则需配置，否则可不配置|
|
||
|2|IQ解模数据采集通过发出码字来控制|
|
||
|3|程序结束应该调用exit来退出运行。|
|
||
|4|指令和数据的最大容量为16 KB|
|
||
|5|生成触发码字的死时间应≥50 ns|
|
||
|6|IQ数据持续采集数据速率应≤ 200 Mbps（数据上报速率）|
|
||
|7|IQ数据突发采集数据量≤ 128 KB（片内缓存容量）|
|
||
|
||
以下示例是一个用于发出码字为`0xFFFF2110`的汇编程序，
|
||
该程序不存在访存指令，可不配置MCU数据。
|
||
程序通过`send`指令发送码字信号，并通过`exit`指令退出运行。
|
||
|
||
```
|
||
lui x1, 0xFFFF2
|
||
send x0, x1, 0x110
|
||
exit x0, x0, 0
|
||
```
|
||
|
||
### 码字约束
|
||
与IQ解模采集相关的码字如下表所示:
|
||
|配置项|值|说明|
|
||
|:-|:-|:-|
|
||
|CODEWORD[31:16]|QUBIT_EN|需要采集的频点，最大16个|
|
||
|CODEWORD[13]|1'h1|使能IQ数据采集|
|
||
|CODEWORD[11:10]|2'h0|使用参数表中配置|
|
||
|CODEWORD[8]|DEMOD_CLR_VAL|IQ数据求和清零|
|
||
|CODEWORD[4]|DEMOD_SUM_VAL|IQ数据求和使能|
|
||
|CODEWORD[3:0]|PARA_ID|IQ解模选择的参数|
|
||
|
||
|
||
例如码字为`0xFFFF2110`时，表示仅触发IQ采集功能，
|
||
该码字使能了全部16个频点的IQ数据采集功能，
|
||
同时使能了IQ求和和IQ求和清零操作，
|
||
此时会先执行清零再执行求和，得到单次解模结果，
|
||
解模使用的参数为`PARA_ID=0`索引参数。
|
||
建议通过设置`0`来关闭其它功能选项，
|
||
若开启其它选项，采集死时间受不同的功能组合而改变。
|
||
|
||
如果需要对`N`次解模IQ进行求和，
|
||
那么第一次操作应该使能求和清零和解模求和不使能存储，
|
||
中间`N-2`次使能解模求和不使能清零和存储，
|
||
最后一次使能存储和解模求和不使能清零。
|
||
当需要采集多次求和结果时，重复上述过程即可。
|
||
|
||
### 控制寄存器配置
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||
|
||
在IQ采集实验中，主要配置的寄存器参数为采集的深度和数据回传方式和IQ数据的截取范围。
|
||
|
||
|配置项|值|说明|
|
||
|:-|:-:|:-|
|
||
|spi_rd_en|1'h0|设置为主动数据推送模式|
|
||
|iq_scale|1’h0|选择小iq范围|
|
||
|
||
上述设置数据自动推送，先采集的数据先推送，仅使能的频点数据返回，
|
||
同时采集的多个频点数据先返回频点序号较小的数据，数据以流模式持续推送直至推送完成。
|
||
|
||
### 解模参数配置
|
||
码字为`0xFFFF2110`使用了PARA_ID为0的解模参数，
|
||
对于每个比特而言，由于只执行解模，仅需要配置参数组中的mtf_idx域。
|
||
下表为qubit0的配置结构，由于只用了一组参数，因此只需要配置一组参数。
|
||
由于使能了16个qubit，因此每个qubit都需要配置，
|
||
不同qubit配置格式相同，仅偏移地址不同，这里不再赘述。
|
||
|
||
|地址|值|说明|
|
||
|:-|:-:|:-|
|
||
|0x00500000|dds_pfw|无需配置|
|
||
|0x00500004|mtf_idx|需要配置|
|
||
|
||
### 匹配滤波器系数配置
|
||
由于解模使用参数配置表中的`mtf_idx`来索引匹配滤波器系数，
|
||
因此匹配滤波器系数对应区域需要配置。
|
||
例如当`mtf_idx`等于`0x00000020`时，
|
||
表示使用从0偏移地址开始的32个地址内存储的匹配滤波器系数。
|
||
每个地址i、q数据分别存储16个系数，每个系数占用1个字节
|
||
下图是qubit0解模i、q系数的存储示意图，
|
||
不同qubit配置格式相同，仅偏移地址不同，这里不再赘述。
|
||
|
||
|地址|值|
|
||
|:-|:-:|
|
||
|0x00580000|I0...I15|
|
||
|...|...|
|
||
|0x005801FC|I496...I511|
|
||
|0x00584000|Q0...Q15|
|
||
|...|...|
|
||
|0x005841FC|Q496...Q511|
|
||
|
||
### 配置示例
|
||
|
||
以下是采集q0到q3解模结果的示例，
|
||
为了方便观察信号，我们将`EXC.1`示例的输出环回到采集通道。
|
||
并将波形改成包含[407666666,437533333,467800000,499600000]四个频点的多音信号。
|
||
本示例额外配置了数据阈值请求量`int_threshold`，
|
||
以告知仿真器在采集到足够数据后停止运行
|
||
并将采集到的数据写入文件。
|
||
|
||
@import "acq_2_config.txt"
|
||
|
||
推送的数据结果如下所示
|
||
@import "acq_2_pack.txt"
|
||
|
||
绘制到iq平面上的结果如下图所示
|
||
|
||
|
||
## ACQ.3 态采集功能
|
||
态采集功能首先利用解模算法计算IQ值，
|
||
接着用态判断算法计算IQ值对应的比特状态，
|
||
最后将计算出来的态信息采集并推送到上位机。
|
||
态采集功能会利用IQ解模结果，
|
||
除配置解模所需参数外还需要额外配置态判断所需参数。
|
||
以下是ez-Q 2.5 FPGA平台下所需的配置项：
|
||
|
||
|配置项|说明|
|
||
|:-:|:-|
|
||
|MCU指令|用于产生码字的指令|
|
||
|MCU数据|非必要配置，配合MCU指令|
|
||
|控制寄存器|采集的相关配置|
|
||
|读出控制参数表|定义了读出所用的参数索引|
|
||
|匹配滤波器系数|定义了解模匹配滤波器系数|
|
||
|模拟寄存器|控制变频增益和频率|
|
||
|
||
|
||
### 编程规范
|
||
态采集需要保证两次态采集之间预留50ns的死时间。
|
||
其中死时间定义为两次触发的间隔时间减去比特解模解模时间。
|
||
|
||
|说明项|说明内容|
|
||
|:-:|:-|
|
||
|1|MCU数据根据需要配置，若存在访存指令则需配置，否则可不配置|
|
||
|2|IQ解模数据采集通过发出码字来控制|
|
||
|3|程序结束应该调用exit来退出运行。|
|
||
|4|指令和数据的最大容量为16 KB|
|
||
|5|生成触发码字的死时间应≥50 ns|
|
||
|6|态持续采集数据速率应≤ 200 Mbps（数据上报速率）|
|
||
|7|态数据突发采集数据量≤ 128 KB（片内缓存容量）|
|
||
|
||
以下示例是一个用于发出码字为`0xFFFF4000`的汇编程序，
|
||
该程序不存在访存指令，可不配置MCU数据。
|
||
程序通过`send`指令发送码字信号，并通过`exit`指令退出运行。
|
||
|
||
```
|
||
lui x1, 0xFFFF4
|
||
send x0, x1, 0x0
|
||
exit x0, x0, 0
|
||
```
|
||
|
||
### 码字约束
|
||
与态采集相关的码字如下表所示:
|
||
|配置项|值|说明|
|
||
|:-|:-|:-|
|
||
|CODEWORD[31:16]|QUBIT_EN|需要采集的频点，最大16个|
|
||
|CODEWORD[14]|1'h1|使能态数据采集|
|
||
|CODEWORD[11:10]|2'h0|使用参数表中配置|
|
||
|CODEWORD[3:0]|PARA_ID|IQ解模选择的参数|
|
||
|
||
例如码字为`0xFFFF4000`时，表示仅触发态采集功能，
|
||
该码字使能了全部16个频点的态数据采集功能，
|
||
解模使用的参数为`PARA_ID=0`索引参数。
|
||
建议通过设置`0`来关闭其它功能选项，
|
||
若开启其它选项，采集死时间受不同的功能组合而改变。
|
||
|
||
### 控制寄存器配置
|
||
|
||
在IQ采集实验中，主要配置的寄存器参数为采集的深度和数据回传方式和IQ数据的截取范围。
|
||
|
||
|配置项|值|说明|
|
||
|:-|:-:|:-|
|
||
|spi_rd_en|1'h0|设置为主动数据推送模式|
|
||
|iq_scale|1’h0|选择小iq范围|
|
||
|two_state_en|1‘b0|不用两态判定|
|
||
|
||
上述设置数据自动推送，先采集的数据先推送，
|
||
只要发生采集操作即将全部16个qubit数据推送，
|
||
数据以流模式持续推送直至推送完成。
|
||
|
||
### 解模参数配置
|
||
码字为`0xFFFF4000`使用了PARA_ID为0的解模参数，
|
||
对于每个比特而言，需要执行解模和态判断，
|
||
因此需要配置参数组中的mtf_idx、ab[0,1,2]、c[0,1,2]域。
|
||
下表为qubit0的配置结构，由于只用了一组参数，因此只需要配置一组参数。
|
||
由于使能了16个qubit，因此每个qubit都需要配置，
|
||
不同qubit配置格式相同，仅偏移地址不同，这里不再赘述。
|
||
|
||
|地址|值|说明|
|
||
|:-|:-:|:-|
|
||
|0x00500000|dds_pfw|无需配置|
|
||
|0x00500004|mtf_idx|需要配置|
|
||
|0x00500008|ab0|需要配置|
|
||
|0x0050000c|c0|需要配置|
|
||
|0x00500010|ab1|需要配置|
|
||
|0x00500014|c1|需要配置|
|
||
|0x00500018|ab2|需要配置|
|
||
|0x0050001c|c2|需要配置|
|
||
|
||
### 匹配滤波器系数配置
|
||
由于解模使用参数配置表中的`mtf_idx`来索引匹配滤波器系数，
|
||
因此匹配滤波器系数对应区域需要配置。
|
||
例如当`mtf_idx`等于`0x00000020`时，
|
||
表示使用从0偏移地址开始的32个地址内存储的匹配滤波器系数。
|
||
每个地址i、q数据分别存储16个系数，每个系数占用1个字节
|
||
下图是qubit0解模i、q系数的存储示意图，
|
||
不同qubit配置格式相同，仅偏移地址不同，这里不再赘述。
|
||
|
||
|地址|值|
|
||
|:-|:-:|
|
||
|0x00580000|I0...I15|
|
||
|...|...|
|
||
|0x005801FC|I496...I511|
|
||
|0x00584000|Q0...Q15|
|
||
|...|...|
|
||
|0x005841FC|Q496...Q511|
|
||
|
||
### 配置示例
|
||
|
||
以下是采集q0到q3态结果的示例，
|
||
为了方便观察信号，我们将`EXC.1`示例的输出环回到采集通道。
|
||
并将波形改成包含[407666666,437533333,467800000,499600000]四个频点的多音信号。
|
||
本示例额外配置了数据阈值请求量`int_threshold`，
|
||
以告知仿真器在采集到足够数据后停止运行
|
||
并将采集到的数据写入文件。
|
||
|
||
@import "acq_3_config.txt"
|
||
|
||
推送的数据结果如下所示
|
||
@import "acq_3_pack.txt"
|
||
|
||
上述结果显示q0~q3分别处于2、1、0、1态，
|
||
其余未测量的比特处于错误未定义的3态。
|
||
|
||
|
||
## ACQ.4 计数采集功能
|
||
|
||
态计数采集功能利用解模算法计算输入信号的IQ值，
|
||
接着利用态判断算法到量子比特的状态，
|
||
最后对0态、1态、2态和3态进行计数统计，
|
||
最后将将每个比特的四个计数值采集并推送到上位机。
|
||
受限于FPGA的计算资源，FPGA平台解模仅支持系数直读模式，不支持权重计算模式，
|
||
因此FPGA平台下需要配置匹配滤波器系数。
|
||
而ASIC平台滤波器系数是自动生成的，无该配置项。
|
||
以下是ez-Q 2.5 FPGA平台下所需的配置项：
|
||
|
||
|配置项|说明|
|
||
|:-:|:-|
|
||
|MCU指令|用于产生码字的指令|
|
||
|MCU数据|非必要配置，配合MCU指令|
|
||
|控制寄存器|控制态统计采集相关参数|
|
||
|读出控制参数表|定义了解模所用的参数索引|
|
||
|匹配滤波器系数|定义了解模匹配滤波器系数|
|
||
|模拟寄存器|控制变频增益和频率|
|
||
|
||
### 编程规范
|
||
解模采集需要保证两次采集之间预留50ns的死时间。
|
||
其中死时间定义为两次触发的间隔时间减去比特最大解模时间。
|
||
|
||
|说明项|说明内容|
|
||
|:-:|:-|
|
||
|1|MCU数据根据需要配置，若存在访存指令则需配置，否则可不配置|
|
||
|2|IQ解模数据采集通过发出码字来控制|
|
||
|3|程序结束应该调用exit来退出运行。|
|
||
|4|指令和数据的最大容量为16 KB|
|
||
|5|生成触发码字的死时间应≥50 ns|
|
||
|6|IQ数据持续采集数据速率应≤ 200 Mbps（数据上报速率）|
|
||
|7|IQ数据突发采集数据量≤ 128 KB（片内缓存容量）|
|
||
|
||
以下示例是一个用于发出码字为`0xFFFF8220`的汇编程序，
|
||
该程序不存在访存指令，可不配置MCU数据。
|
||
程序通过`send`指令发送码字信号，并通过`exit`指令退出运行。
|
||
|
||
```
|
||
lui x1, 0xFFFF8
|
||
send x0, x1, 0x220
|
||
exit x0, x0, 0
|
||
```
|
||
|
||
### 码字约束
|
||
与态计数采集相关的码字如下表所示:
|
||
|配置项|值|说明|
|
||
|:-|:-|:-|
|
||
|CODEWORD[31:16]|QUBIT_EN|需要采集的频点，最大16个|
|
||
|CODEWORD[15]|1'h1|使能态计数数据采集|
|
||
|CODEWORD[11:10]|2'h0|使用参数表中配置|
|
||
|CODEWORD[9]|STATE_CLR_VAL|态计数统计清零|
|
||
|CODEWORD[5]|STATE_STS_VAL|态计数统计使能|
|
||
|CODEWORD[3:0]|PARA_ID|IQ解模选择的参数|
|
||
|
||
|
||
例如码字为`0xFFFF8220`时，表示仅触发态计数采集功能，
|
||
该码字使能了全部16个频点的IQ数据采集功能，
|
||
同时使能了计数统计和计数清零操作，
|
||
此时会先执行清零再执行统计，得到单次计数结果，
|
||
解模使用的参数为`PARA_ID=0`索引参数。
|
||
建议通过设置`0`来关闭其它功能选项，
|
||
若开启其它选项，采集死时间受不同的功能组合而改变。
|
||
|
||
态计数一般应用存在多次读出过程的实验中，
|
||
对于需要对`N`次读出进行态计数统计的实验，
|
||
那么第一次操作应该使能计数清零和计数统计且不使能计数存储，
|
||
中间`N-2`次使能计数统计不使能计数清零和计数存储，
|
||
最后一次使能计数存储和计数统计不使能计数清零。
|
||
当需要采集多次计数统计结果时，重复上述过程即可。
|
||
|
||
### 控制寄存器配置
|
||
|
||
在态计数采集实验中，主要配置的寄存器参数为数据回传方式和IQ数据的截取范围以及是否使能2态判定。
|
||
|
||
|配置项|值|说明|
|
||
|:-|:-:|:-|
|
||
|spi_rd_en|1'h0|设置为主动数据推送模式|
|
||
|iq_scale|1’h0|选择小iq范围|
|
||
|two_state_en|1‘b0|不用两态判定|
|
||
|
||
上述设置数据自动推送，先采集的数据先推送，仅使能的频点数据返回，
|
||
同时采集的多个频点数据先返回频点序号较小的数据，数据以流模式持续推送直至推送完成。
|
||
|
||
### 解模参数配置
|
||
码字为`0xFFFF8220`使用了PARA_ID为0的解模参数，
|
||
对于每个比特而言，由于只执行解模和态判断，
|
||
因此需要配置参数组中的mtf_idx、ab[0,1,2]、c[0,1,2]域。
|
||
下表为qubit0的配置结构，由于只用了一组参数，因此只需要配置一组参数。
|
||
由于使能了16个qubit，因此每个qubit都需要配置，
|
||
不同qubit配置格式相同，仅偏移地址不同，这里不再赘述。
|
||
|
||
|地址|值|说明|
|
||
|:-|:-:|:-|
|
||
|0x00500000|dds_pfw|无需配置|
|
||
|0x00500004|mtf_idx|需要配置|
|
||
|0x00500008|ab0|需要配置|
|
||
|0x0050000c|c0|需要配置|
|
||
|0x00500010|ab1|需要配置|
|
||
|0x00500014|c1|需要配置|
|
||
|0x00500018|ab2|需要配置|
|
||
|0x0050001c|c2|需要配置|
|
||
|
||
### 匹配滤波器系数配置
|
||
由于解模使用参数配置表中的`mtf_idx`来索引匹配滤波器系数，
|
||
因此匹配滤波器系数对应区域需要配置。
|
||
例如当`mtf_idx`等于`0x00000020`时，
|
||
表示使用从0偏移地址开始的32个地址内存储的匹配滤波器系数。
|
||
每个地址i、q数据分别存储16个系数，每个系数占用1个字节
|
||
下图是qubit0解模i、q系数的存储示意图，
|
||
不同qubit配置格式相同，仅偏移地址不同，这里不再赘述。
|
||
|
||
|地址|值|
|
||
|:-|:-:|
|
||
|0x00580000|I0...I15|
|
||
|...|...|
|
||
|0x005801FC|I496...I511|
|
||
|0x00584000|Q0...Q15|
|
||
|...|...|
|
||
|0x005841FC|Q496...Q511|
|
||
|
||
### 配置示例
|
||
以下是采集q0到q3态统计结果的示例，
|
||
该示例在acq.3示例的基础上仅修改了码字和采集数据量。
|
||
码字从`000f4000`改成了`000f8220`
|
||
阈值数据量从`000000001`改成了`00000010`。
|
||
|
||
采集到的数据如下所示：
|
||
|
||
@import "acq_4_pack.txt"
|
||
|
||
上述数据分析如下，与acq.3实验结果吻合。
|
||
* q0出现了1次2态，其余态出现0次
|
||
* q1出现了1次1态，其余态出现0次
|
||
* q2出现了1次0态，其余态出现0次
|
||
* q3出现了1次1态，其余态出现0次
|
||
|
||
## ACQ.5 读出反馈功能
|
||
态读出反馈功能首先利用解模算法得到IQ值，
|
||
接着利用态判断算法计算IQ值对应的比特状态，
|
||
最后将计算出来的态信息通过上行和下行反馈端口发出。
|
||
以下是ez-Q 2.5 FPGA平台下所需的配置项：
|
||
|
||
|配置项|说明|
|
||
|:-:|:-|
|
||
|MCU指令|用于产生码字的指令|
|
||
|MCU数据|非必要配置，配合MCU指令|
|
||
|控制寄存器|读出的相关配置|
|
||
|读出控制参数表|定义了读出所用的参数索引|
|
||
|匹配滤波器系数|定义了解模匹配滤波器系数|
|
||
|模拟寄存器|控制变频增益和频率|
|
||
|
||
### 编程规范
|
||
态读出反馈需要保证两次态采集之间预留50ns的死时间。
|
||
其中死时间定义为两次触发的间隔时间减去比特解模解模时间。
|
||
|
||
|说明项|说明内容|
|
||
|:-:|:-|
|
||
|1|MCU数据根据需要配置，若存在访存指令则需配置，否则可不配置|
|
||
|2|IQ解模数据采集通过发出码字来控制|
|
||
|3|程序结束应该调用exit来退出运行。|
|
||
|4|指令和数据的最大容量为16 KB|
|
||
|5|生成触发码字的死时间应≥50 ns|
|
||
|
||
以下示例是一个用于发出码字为`0xFFFF00C0`的汇编程序，
|
||
该程序不存在访存指令，可不配置MCU数据。
|
||
程序通过`send`指令发送码字信号，并通过`exit`指令退出运行。
|
||
|
||
```
|
||
lui x1, 0xFFFF0
|
||
send x0, x1, 0x0C0
|
||
exit x0, x0, 0
|
||
```
|
||
|
||
### 码字约束
|
||
与态采集相关的码字如下表所示:
|
||
|配置项|值|说明|
|
||
|:-|:-|:-|
|
||
|CODEWORD[31:16]|QUBIT_EN|需要采集的频点，最大16个|
|
||
|CODEWORD[11:10]|2'h0|使用参数表中配置|
|
||
|CODEWORD[7]|上行端口发送使能|
|
||
|CODEWORD[6]|下行端口发送使能|
|
||
|CODEWORD[3:0]|PARA_ID|IQ解模选择的参数|
|
||
|
||
例如码字为`0xFFFF00C0`时，表示仅触发反馈读出功能，
|
||
该码字使能了全部16个频点的态数据读出上下行反馈功能，
|
||
解模使用的参数为`PARA_ID=0`索引参数。
|
||
建议通过设置`0`来关闭其它功能选项，
|
||
若开启其它选项，采集死时间受不同的功能组合而改变。
|
||
|
||
### 控制寄存器配置
|
||
|
||
在态读出反馈实验中，主要配置的寄存器参数为IQ数据的截取范围和态判断的模式。
|
||
|
||
|配置项|值|说明|
|
||
|:-|:-:|:-|
|
||
|iq_scale|1’h0|选择小iq范围|
|
||
|two_state_en|1‘b0|不用两态判定|
|
||
|
||
|
||
### 解模参数配置
|
||
码字为`0xFFFF00C0`使用了PARA_ID为0的解模参数，
|
||
对于每个比特而言，需要执行解模和态判断，
|
||
因此需要配置参数组中的mtf_idx、ab[0,1,2]、c[0,1,2]域。
|
||
下表为qubit0的配置结构，由于只用了一组参数，因此只需要配置一组参数。
|
||
由于使能了16个qubit，因此每个qubit都需要配置，
|
||
不同qubit配置格式相同，仅偏移地址不同，这里不再赘述。
|
||
|
||
|地址|值|说明|
|
||
|:-|:-:|:-|
|
||
|0x00500000|dds_pfw|无需配置|
|
||
|0x00500004|mtf_idx|需要配置|
|
||
|0x00500008|ab0|需要配置|
|
||
|0x0050000c|c0|需要配置|
|
||
|0x00500010|ab1|需要配置|
|
||
|0x00500014|c1|需要配置|
|
||
|0x00500018|ab2|需要配置|
|
||
|0x0050001c|c2|需要配置|
|
||
|
||
### 匹配滤波器系数配置
|
||
由于解模使用参数配置表中的`mtf_idx`来索引匹配滤波器系数，
|
||
因此匹配滤波器系数对应区域需要配置。
|
||
例如当`mtf_idx`等于`0x00000020`时，
|
||
表示使用从0偏移地址开始的32个地址内存储的匹配滤波器系数。
|
||
每个地址i、q数据分别存储16个系数，每个系数占用1个字节
|
||
下图是qubit0解模i、q系数的存储示意图，
|
||
不同qubit配置格式相同，仅偏移地址不同，这里不再赘述。
|
||
|
||
|地址|值|
|
||
|:-|:-:|
|
||
|0x00580000|I0...I15|
|
||
|...|...|
|
||
|0x005801FC|I496...I511|
|
||
|0x00584000|Q0...Q15|
|
||
|...|...|
|
||
|0x005841FC|Q496...Q511|
|
||
|
||
### 配置示例
|
||
以下是反馈q0到q3态读出结果的示例，
|
||
该示例在acq.4示例的基础上仅修改了码字。
|
||
将码字从`000f8220`，改成`000f82e0`。
|
||
|
||
仿真结果如下图所示：
|
||
|
||
可以看到局部反馈端口`loc_lvcmos_t`上的态结果与acq.3实验相同,
|
||
全局反馈回环接收数据`glb_fd_in`与acq.3实验相同，符合预期。
|
||
|
||
# Pump通道
|
||
|
||
Pump通道用于为参量放大器提供能量，对Pump通道的输出控制包括模拟电路配置。
|
||
模拟电路通过小数分配锁相环来合成指定频率，并通过功率驱动电路后输出。
|
||
|
||
## Pump.1 Pump开关输出功能
|
||
Pump开关输出功能使用与激励信号同一个MCU来产生码字，
|
||
通道利用码字来触发产生一个指定脉冲宽度的数字信号，
|
||
并利用这个数字信号使能Pump通道微波信号输出，
|
||
从而实现泵浦通道与激励信号实时同步输出。
|
||
|
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|配置项|说明|
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|:-:|:-|
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|MCU指令|用于产生码字的指令|
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|MCU数据|非必要配置，配合MCU指令|
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|控制寄存器|控制脉冲输出的宽度|
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|模拟寄存器|控制Pump的频率和功率|
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### 编程规范
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|说明项|说明内容|
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|:-:|:-|
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|1|MCU数据根据需要配置，若存在访存指令则需配置，否则可不配置|
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|2|波形输出通过发出码字来控制|
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|3|程序结束应该调用exit来退出运行|
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|4|指令和数据的最大容量为16 KB|
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以下示例是一个用于发出码字为`0x00000300`的汇编程序，
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该程序不存在访存指令，可不配置MCU数据。
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程序通过`send`指令发送码字信号，并通过`exit`指令退出运行。
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由于使能了仅脉冲输出，因此没有配置波形和索引表。
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```{.line-numbers}
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lui x1, 0x00001
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send x0, x1, 0x300
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exit x0, x0, 0
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```
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### 码字约束
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与使能脉冲输出相关的控制码字如下：
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|配置项|值|说明|
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|:-|:-:|:-|
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|CODEWORD[12]|1|仅使能脉冲输出|
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|CODEWORD[8]|1|使能Pump脉冲输出|
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例如码字`0x00001100`可以触发输出pump通道使能控制脉冲而不触发波形输出，
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此时脉冲的宽度等于pump_width指定的长度。
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用户也可以通过设置`CODEWORD[12]=0`来同时输出波形，
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当允许波形输出时，使能脉冲的长度等于波形长度加上pump_width指定的长度。
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允许波形输出时必须同时配置好RI通道相关配置。
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### 控制寄存器配置
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控制器寄存器主要包括对使能脉冲的延迟和宽度的配置。
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|配置项|值|说明|
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|:-:|:-:|:-|
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|pump_inv|0|不反转极性，默认低电平输出|
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|pump_ctrl|{delay,width}|pump脉冲输出延迟和宽度|
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### 模拟寄存器
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模拟寄存器用于配置模拟电路生成pump信号的参数
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|配置项|值|说明|
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|:-|:-|:-|
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|pump_freq|FCW|输出频率控制字，freq = FCW*1000|
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|pump_power|PCW|PCW范围[-1300,-200],码值与输出功率正相关|
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|pump_enable|32'h11|使能pump通道模拟输出|
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### 配置示例
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数字部分配置
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@import "pump_1_dig_cfg.txt"
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数字部分仿真结果如下图所示,可以看到脉冲输出持续了96ns（24个时钟周期），
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其中8个时钟周期是波形输出时间，16个时钟周期是附加持续时间，与预期符合。
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模拟部分配置需要设置输出频率、输出功率并使能输出。
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配置用例如下所示：
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@import "pump_1_ana_cfg.txt"
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注意：受制于混频板的硬件设计，
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对混频板的参数配置需要预留一定等待时间，
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建议每执行一项配置后等待10毫秒再执行。
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## Pump.2 Pump连续输出功能
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Pump连续输出功能通过配置寄存器令使能脉冲始终处于高电平，
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从而允许pump通道始终输出微波信号。
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连续输出所需配置项如下表所示：
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|配置项|说明|
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|:-:|:-|
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|控制寄存器|控制脉冲输出的极性|
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|模拟寄存器|控制Pump的频率和功率|
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### 码字约束
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Pump通道连续输出功能本身无需编程MCU，
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但是当需要触发RI波形输出时，
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必须禁止码字Pump脉冲输出功能
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### 控制寄存器配置
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控制器寄存器主要包括对使能脉冲的延迟和宽度的配置。
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|配置项|值|说明|
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|:-:|:-:|:-|
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|pump_inv|1|反转极性，控制脉冲默认输出高电平|
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### 模拟寄存器
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|配置项|值|说明|
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|:-|:-|:-|
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|pump_freq|FCW|输出频率控制字，freq = FCW*1000|
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|pump_power|PCW|PCW范围[-1300,-200],码值与输出功率正相关|
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|pump_enable|32'h11|使能pump通道模拟输出|
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### 配置示例
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数字部分配置仅需要设置pump_en的极性为取反，
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并且生成码字时不能使能pump_en。
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数字部分配置用例如下所示：
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@import "pump_2_dig_cfg.txt"
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仿真结果如下图所示，将极性取反后，
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`pump_en`输出始终为高电平，
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模拟部分配置保持与pump.1相同，
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此时模拟开关始终打开，
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pump信号保持持续输出。
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# 附录
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## 附录.1 参数扫描测试
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参数扫描测试为了提高测试效率，
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采用MCU实时修改寄存器来更新参数。
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以下是mcu的测试程序
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@import "sweep_test.asm"
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### 扫相测试用例
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<测试设置描述>16个频点
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**测试结果如下**
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<结果及结论描述>
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### 扫频测试用例
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16个频点
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### 扫幅测试用例
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16个频点同时扫，使用寄存器控制
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## 附录.2 系统功能验证
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### 多比特并行读出功能
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该测试同时采集读出波形、解模IQ数据、态数据、态统计数据，
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以验证不同截断数据的正确性。
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### 参数快速切换功能
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该测试以不同参数，死时间≤50 ns的间隔 |