基于FPGA的外差信號處理方法

　　外差信號處理原理

　　在雙頻激光外差干涉儀中，光學(xué)系統(tǒng)的改善很成熟，要想提高測量精度，對外差信號的處理成為了關(guān)鍵。從本質(zhì)上講，外差信號的處理方法分為頻率解調(diào)和相位解調(diào)，頻率解調(diào)法是將干涉儀測量鏡運(yùn)動產(chǎn)生的多普勒頻移轉(zhuǎn)化為對應(yīng)于運(yùn)動位移的加減系列脈沖，由可逆計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)得到測量結(jié)果，典型的是鎖相倍頻計(jì)數(shù)，以電子倍頻、混頻及計(jì)數(shù)電路為基礎(chǔ)，對外差信號的多普勒頻差進(jìn)行“放大”計(jì)數(shù)。在倍頻電路中，應(yīng)根據(jù)鎖相環(huán)的鎖定范圍合理設(shè)計(jì)倍頻系數(shù)，若超出將造成失鎖。同時(shí)由于倍頻后信號的頻率很高，對電子技術(shù)、電子器件的要求較高，后期電路設(shè)計(jì)難度增大。

　　相位解調(diào)法，當(dāng)外差干涉儀的測量鏡移動時(shí)，測量光束空間光程發(fā)生變化從而引起外差干涉信號的相位變化，利用相位檢測測出相位變化，即可獲得被測量的大小，本質(zhì)就是對測量信號與參考信號比相。狹義的相位法也可稱小數(shù)測量法，模擬信號采用AD采樣等方法，數(shù)字信號中較基礎(chǔ)且典型的是填脈沖法，以參考信號為基準(zhǔn)，基于過零檢測原理，對測量信號進(jìn)行填脈沖，對所填脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，獲得測量結(jié)果，測量范圍局限于一個(gè)周期。廣義的相位法即小數(shù)測量結(jié)合整周期計(jì)數(shù)，整周期計(jì)數(shù)可采用計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)模式有兩種大數(shù)對減和先對減后計(jì)數(shù)，外差信號的計(jì)數(shù)方法有兩種，一種是先計(jì)數(shù)后對減，即先對參考信號和測量信號分別計(jì)數(shù)，然后將計(jì)數(shù)結(jié)果對減得到測量結(jié)果，即大數(shù)對減;另一種先對減后計(jì)數(shù)，即先分別將參考信號和測量信號對頂后形成加減計(jì)數(shù)脈沖，然后由可逆計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)得到測量結(jié)果。在本設(shè)計(jì)中，采用先計(jì)數(shù)后對減，在原來基礎(chǔ)上做了一定的改善。

　　在設(shè)計(jì)中，測量信號與參考信號均為數(shù)字信號，小數(shù)測量基于過零檢測原理，采用填脈沖。具體原理如圖1所示。