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用于微弱脈沖信號檢測的數據采集卡的高級時域固件介紹

來源：坤馳科技查看手機網址

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瀏覽：- 發布日期：2016-03-02 14:04:00【大中小】

以往要想以14bit分辨率、2GS/s的速度檢測微弱脈沖信號，是無法實現的，現在北京坤馳科技有限公司的ADQ14系列數據采集卡結合行業領先、自身專有的降低噪聲技術開發了相關的高級時域固件（ATD），實現了以上快速、高分辨率的微弱脈沖信號檢測功能。該脈沖數據采集系統包含以下核心內容：

·用于脈沖數據線性識別的濾波函數

·用于噪聲非線性抑制的閾值運算函數

·通過重復測量計算波形平均抑制噪聲

ADQ14數據采集卡

1，工作原理

高級時域固件的應用目的是加強用于脈沖測量的高速數據采集卡的信噪比。固件包含一個基線調節器、三個噪聲抑制級別、線性濾波、非線性閾值、能夠降低噪聲的重復測量波形平均功能。

ADQ14系列高速數據采集卡的每個通道都配置有一個高級時域固件（ATD）單元，在相同的波形尺寸和累積數量設置下，同步工作。每通道的閾值是獨立設置的。

每通道高級時域固件的原理圖如下：

每通道高級時域固件的原理圖

圖1

上圖的相關信號解釋及設置函數見下表：

	描述	設置函數
a	模擬信號為單極脈沖（負極）
b	將模擬的直流偏置（DC-offset 0加到信號，以充分利用ADC幅度	*SetAdjustableBias*
c	增益和偏移的數字化掃描	*SetGainandOffset*
d	基線穩定器，DBS,脈沖數據系統內利用專有算法的基線穩定器，DBS輸出是一個相對于用戶定義值的約束控制等值線	*SetupDBS*
e	閾值運算操作為將噪聲設置低于定義閾值以下的噪聲壓制，本處有一個用于信號加強的FIR線性濾波器和非線性噪聲抑制的閾值電壓	*ATDSetupThreshold* *ATDSetupFilter*
f	用于噪聲抑制波形平均重復測量一定數量的波形，	*ATDSetupWFA*
g	數據傳輸到主機，雙buffer時，即使進行大量波形平均計算，空載時間（dead-time）不受限制。
h	數據通過 USB 3.0或PCIe 傳到主機	See ADQ14 manual

2，模擬輸入

如圖1（a）,輸入模擬信號為單極性，這意味著信號相對于一個DC值基線和一個信號脈沖構建的。信號的DC值不必為0，一些DC耦合的高速數據采集卡，將使得輸入信號的直流電平高于0點，如果需要，AC耦合版本，可以移動輸入DC電壓值。

一個模擬的DC偏置加到信號中，可實現ADC的對稱輸入范圍充分使用。這將使信號基線接近信號范圍的上限或下限。峰值波形能覆蓋所有信號范圍。直流偏置有效的加倍了單極信號的分辨率。如圖1（b）.直流偏置（DC-offset）電壓由軟件控制，控制范圍為電壓上限到下限，但好留有10%的范圍，以適應信號過沖。

3，零電位調準和信號縮放

當為了獲取理想電壓范圍使用直流偏置（DC-offset），基線接近信號一端，如果需要，可使用數字化增益和偏置調整模塊來縮放信號。

4，數字基線穩定器，DBS

對于常見的直接信號分析，模擬的直流電平（DC-level）是準確的,然而，為得到非線性閾值操作的佳性能，基線應該鎖定為一個確定值。本處由數字基線穩定器（DBS）實現,其配置在A/D轉換器之后。DBS是SP devices的一項專利技術，通過分析數據、找到和調整基線為22位精度的目標值。如圖2.

目標值由使用者設定，好接近模擬增益（DC-offset），如果應用了DC-offset這一功能。DBS應用了模糊識別的方法進行數據處理，DBS是一直激活的，其不斷的監視和跟隨基線變化，并矯正基線為時不變值。

DBS操作原理

圖2

5，高級閾值設置

5.1 概述

閾值功能基于以下幾個基本模型（依據單極性脈沖的極性），如圖3.

·對于采集系統的正脈沖，采樣低于閾值（設置的參考值）

·對于采集系統的負電壓，采樣高于閾值（設置的參考值）

處理結果為，與閾值相等信號和低于閾值的信號被視為噪聲被移除。

正脈沖的基本閾值操作

圖3 正脈沖的基本閾值操作

5.2 利用濾波器的線性噪聲抑制

當脈沖具有可以與本底噪聲分離的性質時，濾波功能就可以用來加強信號特性，之后性噪比會提高，閾值精度也會提高。濾波器通常為形狀相關的，使用濾波或相關功能時，脈沖由多個樣本復現出來。

例如：低通濾波器將辨別噪聲的高頻部分，因此降低噪聲的峰值幅度。

例如：對弱脈沖的形狀已經初步了解時，使用濾波器相關到其形狀，以放大這類有用形狀，壓縮其他形狀，也就是壓縮噪聲。

注意到，濾波器僅對選擇的處理過程起作用，輸出數據并不濾波。

5.3 應用閾值

原理如圖4所示，噪聲抑制的非線性部分，原理是使得認為是信號得部分為大幅度，噪聲部分為小幅度。

在脈沖能夠識別的位置，閾值應用到濾波信號，高于閾值的原始信號極其位置會保存下來。注意到閾值應用到濾波信號，因此原始非濾波信號數據為輸出數據，這是為了保留原始信號波形形狀，圖中的延遲線（delay line）用來匹配分支運行時間。

沒有脈沖的位置被寄存器R的存儲值代替，寄存器R存儲值與DBS的目標值相同。

濾波信號用于選擇采樣位置，原始信號用于結果輸出

圖4 數據流。濾波信號用于選擇采樣位置，原始信號用于結果輸出

5.4 準確度

閾值精度由DBS的準確度決定，22bits。通常，DBS將依據22bits時的測量誤差調整基線值為14位整數，閾值和參考值為相同數據格式時，沒有舍入誤差。

6 ，波形平均

6.1 累加數據字

波形平均是利用累加器將波形相加后求平均，每個波形的個樣本加到其他波形的個樣本，每個波形樣本都有相同的長度，每個數據字的尺寸為32bits,因此，輸入14bits數據高有效位（MSB）對齊到16bits字。有16位的可用空間用于存儲附加信息。這意味著硬盤數據溢出之前，可存入2^16=65536個波形數據。波形平均功能包括針對波形數目的除法，然而，這個除法不能適用于FPGA，需由用戶軟件操作完成。

6.2 累加矢量長度

波形平均使用板上DRAM作為累加器。波形數可以很大，多5Msamples。

6.3 觸發

每個波形都由觸發啟動，所有的采樣觸發都可選為波形觸發。系統波形平均更好的利用了重復測量功能，觸發可以是來自于與外部觸發源的外部觸發也可以是內部觸發。通常，脈沖形狀可以分析，觸發電平用于多次觸發重復脈沖。

每個波形結束后的空載時間為20ns,為上一次采樣結束到系統接收新的觸發的時間間隔。

7，數據讀出到主機

由于數據讀出到主機的速度小于數據采集的速度，板上必須有一個額外的緩沖空間在波形數據發送到主機之前存儲波形。經由累加器的波形平均后，PC數據率的需求是降低很多的。但當后一個波形被累加后，一段時間內，累加器為數據讀出封鎖并不再接收新的波形。ADQ14通過引入一個外加的緩沖區（buffer）,在數據讀出之前保存結果，同時不封鎖累加器。一個新的累加過程將于20ns后啟動。

8 ，仿真結果

圖5中顯示了相對于同一采樣時鐘不同相位的脈沖信號，藍色信號帶有尖峰噪聲。紅色信號為濾波后的結果。這里的關鍵是信號脈沖波形大于一個采樣寬度，噪聲波形小于一個采樣寬度，這是典型的高斯噪聲。

圖5

圖6顯示了來自于圖5的兩列脈沖和高斯尖峰噪聲，藍色曲線為濾波前，紅色為濾波后。底部紅色曲線來自基于閾值的原始信號濾波后的閾值濾波噪聲。圖7為濾波前后的噪聲直方圖，濾波后，噪聲幅度降低。

兩列脈沖和高斯尖峰噪聲

圖6 濾波前后的兩列脈沖和隨機噪聲尖峰

濾波前后的噪聲直方圖

圖7 濾波前后的噪聲直方圖

9，并行采樣處理

FPGA 的數據率僅為250MHz,因此，高速數據采集時，采樣操作必須為并行處理，這會給一些尺寸設置帶來了約束條件，例如，匹配信號路徑到濾波器的延遲時間設置為8個步長，為了微調各個操作分支的時間，濾波器峰值的位置可以移動一個采樣長度。

用于微弱脈沖信號檢測的數據采集卡的高級時域固件介紹

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