基于FPGA消除噪聲干擾方法詳解

許多高速數(shù)據(jù)采集應(yīng)用，如激光雷達(dá)或光纖測(cè)試等，都需要從嘈雜的環(huán)境中采集小的重復(fù)信號(hào)，因此對(duì)于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，最大的挑戰(zhàn)就是如何最大限度地減少噪聲的影響。利用信號(hào)平均技術(shù)，可以讓您的測(cè)量測(cè)試系統(tǒng)獲取更加可靠的、更加有效的測(cè)試數(shù)據(jù)。

通常情況下，在模擬信號(hào)的測(cè)試中，所采集到的數(shù)據(jù)往往夾雜著一些不需要的、隨機(jī)的內(nèi)容，這些數(shù)據(jù)是由周?chē)母蓴_或者測(cè)試誤差所引起的，我們稱之為隨機(jī)噪聲，這種噪聲可能會(huì)影響我們的目標(biāo)信號(hào)，也就是我們需要采集的數(shù)據(jù)。而采用信號(hào)平均技術(shù)，則可以減少隨機(jī)噪聲的影響，提升信噪比(SNR)，并且最大程度的減少對(duì)目標(biāo)信號(hào)的影響，從而提高數(shù)據(jù)采集的精度和動(dòng)態(tài)范圍。具體來(lái)說(shuō)，凌華科技的數(shù)據(jù)平均模式(DAM，Data Average Mode)就是提供了這樣一個(gè)高水準(zhǔn)的信號(hào)平均功能。

FPGA的優(yōu)勢(shì) 消除噪聲的解決方案包含了兩種：一種是基于DSP的解決方案，另一種是基于FPGA的解決方案。當(dāng)測(cè)量測(cè)試系統(tǒng)所需的采樣率低于幾千赫茲時(shí)，通常采用基于DSP的解決方案。但是，當(dāng)測(cè)量測(cè)試系統(tǒng)所需的采樣率比較高時(shí)，基于FPGA(Field-programmable Gate Array)的解決方案則是更好的選擇。因?yàn)镈SP是基于代碼或指令的一種方法，它不可避免地要涉及到系統(tǒng)架構(gòu)和核心處理器，這會(huì)導(dǎo)致過(guò)多的占用系統(tǒng)資源，增加處理時(shí)間。而FPGA由于提供了多個(gè)門(mén)陣列(Gate)和內(nèi)存塊(RAM Block)，可以組成乘法器(Multiplier)、寄存器(Registers)和其他邏輯單元，從而可以實(shí)現(xiàn)快速的運(yùn)算。因此，目前許多高性能的應(yīng)用大都采用基于FPGA的解決方案。

凌華科技大部分的高速數(shù)字化儀都提供了板載的FPGA功能，對(duì)于需要高速高帶寬的實(shí)時(shí)采集應(yīng)用來(lái)說(shuō)是非常合適的?；贔PGA功能的板卡支持板載的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理功能，如信號(hào)平均，這樣可以減少在主機(jī)上運(yùn)行的信號(hào)平均任務(wù)。并且就處理速度而言，在FPGA上執(zhí)行信號(hào)平均要比在主機(jī)上執(zhí)行快得多，并且不會(huì)占用主機(jī)CPU的任何資源。

消除噪聲干擾，提升重復(fù)信號(hào)采樣的精準(zhǔn)度

在模擬信號(hào)的測(cè)試中，所采集到的數(shù)據(jù)中常常包含了一些噪聲(如諧波分量，調(diào)制邊帶等)，可能會(huì)掩蓋我們所感興趣的信號(hào)或它的諧波分量，調(diào)制邊帶modulation sideband等。眾所周知，由于隨機(jī)噪聲的期望值為零，使得信號(hào)平均技術(shù)成為一種簡(jiǎn)單且有效的解決方案，可以在周期性或重復(fù)的信號(hào)中消除隨機(jī)噪聲。PCIe-9852的信號(hào)平均模式就是按照下面的原理進(jìn)行工作的。在重觸發(fā)(Re-trigger)模式下，重復(fù)采集R次N采樣點(diǎn)，且觸發(fā)源為外部的數(shù)字或模擬信號(hào)，每次采集的數(shù)據(jù)都會(huì)儲(chǔ)存在相同的板載緩存中，并且在沒(méi)有軟件干預(yù)的情況下由FPGA自動(dòng)進(jìn)行累計(jì)。當(dāng)R次重觸發(fā)完成后，F(xiàn)PGA將累計(jì)的數(shù)據(jù)除以R后得到一個(gè)平均數(shù)，并將該平均數(shù)交給主機(jī)電腦。所有的數(shù)據(jù)(包含平均數(shù))都會(huì)逐個(gè)的用軌跡表示出來(lái)，從而減少噪聲，讓數(shù)據(jù)更接近目標(biāo)數(shù)據(jù)。下圖顯示了PCIe-9852的數(shù)據(jù)平均模式在數(shù)據(jù)采集和降噪方面的對(duì)比結(jié)果。

圖1 – 1k Hz單通道采集，帶噪聲的3.6vpp正弦波

圖2- 100個(gè)平均周期后的正弦波

PCIe-9852數(shù)據(jù)平均模式最大的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是節(jié)約很多存儲(chǔ)空間。在主機(jī)上利用軟件進(jìn)行信號(hào)平均，需要為N(每個(gè)軌跡的采樣點(diǎn))x R(重觸發(fā)次數(shù))個(gè)采樣預(yù)留內(nèi)存空間，而PCIe-9852數(shù)據(jù)平均模式僅需要預(yù)留為N個(gè)采樣預(yù)留內(nèi)存空間，因?yàn)槊總€(gè)采樣都會(huì)存儲(chǔ)在相同的板載緩沖中，并且在平均之后才交給主機(jī)。由于數(shù)據(jù)變得更小，因此，信號(hào)平均模式的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間花費(fèi)更少。

同時(shí)，相比利用軟件來(lái)處理信號(hào)平均，信號(hào)平均模式可以減少CPU的負(fù)荷。由于信號(hào)平均模式是基于FPGA的，因此整個(gè)計(jì)算過(guò)程都是獨(dú)立于CPU完成的。

下表比較了采用不同的解決方案(一個(gè)基于軟件，一個(gè)基于FPGA)后的測(cè)試結(jié)果。其中PCIe-9852采集的是一個(gè)2.0Vpp，200kHz的連續(xù)正弦波，且使用了100個(gè)重觸發(fā)事件。PCIe-9852的采樣率為200MS/s，每次采集的數(shù)據(jù)總量為100kS。結(jié)果表明，信號(hào)平均模式優(yōu)于基于軟件的解決方案。當(dāng)數(shù)據(jù)量和重觸發(fā)次數(shù)增加時(shí)，或者測(cè)試平臺(tái)采用的是低功耗的處理器時(shí)，信號(hào)平均模式的優(yōu)勢(shì)將更加明顯。

表1 - 基于軟件和基于數(shù)據(jù)平均模式的信號(hào)平均測(cè)試結(jié)果對(duì)比

下面的框圖顯示了使用信號(hào)平均模式和基于軟件的信號(hào)平均的處理規(guī)則。

圖3- 由軟件(CPU)執(zhí)行的信號(hào)平均 圖4-由數(shù)據(jù)平均模式執(zhí)行的信號(hào)平均

分布式光纖測(cè)溫(DTS)中的成功應(yīng)用 分布式光纖測(cè)溫(DTS)是一個(gè)非常典型的、得益于信號(hào)平均技術(shù)的應(yīng)用。DTS是采用基于光時(shí)域反射(OTDR，Optical Time-Domain Reflectmeter)的測(cè)量?jī)x器，通過(guò)光纖來(lái)測(cè)量溫度，從而取代了傳統(tǒng)的熱電偶或熱敏電阻。采用DTS的解決方案，除了可以獲得準(zhǔn)確的溫度數(shù)據(jù)，還可以節(jié)省大量的成本。通過(guò)采用脈沖激光耦合器，DTS可以測(cè)量長(zhǎng)達(dá)30km的光纖。當(dāng)特定區(qū)域的溫度變化時(shí)，光的波長(zhǎng)會(huì)發(fā)生變化，并以反向散射光的形式在光纖中傳播。通過(guò)對(duì)反向散射光的精確測(cè)量可以獲得準(zhǔn)確的溫度變化數(shù)據(jù)。

如此高速的重復(fù)信號(hào)，其攜帶的噪聲已經(jīng)達(dá)到令人望而卻步的水平，而由一個(gè)高速高精度的數(shù)字化儀來(lái)處理這樣的信號(hào)是非常理想的解決方案，并且對(duì)于這樣的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，信號(hào)平均功能是非常重要的因素。凌華科技PCIe-9852是一款2通道200MS/s 14位高速數(shù)字化儀，非常適合DTS的應(yīng)用。PCIe-9852的2個(gè)模擬輸入可以同步接收斯托克斯和反斯托克斯光，并且其高精度采樣率可以輕易滿足30km以上的檢測(cè)距離。此外，通過(guò)數(shù)據(jù)平均模式提供的板載信號(hào)平均可以從復(fù)雜的環(huán)境中提取出極其微小的檢測(cè)數(shù)據(jù)。