微弱光信号高精度采样研究

发布时间：2020-11-18 13:22

　　 近年来,随着量子信息技术、生物科技等高新技术发展迅猛,对微弱光信号检测采样的研究越发引人关注。不同于采集强光信号,微弱光信号在信息提取环节对采样模块的分辨率和采样率要求更高。如何高速高精度地对微弱光信号进行信息采集,关系着系统整体性能的优劣。但在一个实际采样系统中很难同时满足微弱光信号采样高分辨率和高采样率的需求。为解决这一难题,以往使用的是多片ADC芯片并行采样方案,实现电路复杂。不同于并行采样方案,本文设计了一种基于单片高速ADC芯片和可编程实验芯片的等效采样系统,具体内容如下:1.分析了微弱光信号采样过程中遇到的高采样率与高分辨率之间相互矛盾,提出了采用等效采样的方法。2.给出了利用可编程时延芯片对采样时钟进行等步长时延,实现顺序等效采样的方案。讨论并设计采样子卡电路。整个采样子卡电路主要分成5个模块,分别是以LMK03806芯片为核心的时钟发生模块,以MC10EP195芯片为核心的高精度可编程时延模块,以高速ADC芯片ADS54RF63为核心的ADC采样模块,以FMC-LPC为接口的采样子卡与FPGA开发板之间的数据交互模块和采样子卡供电模块。最终,根据设计好的电路原理图,绘制PCB板并制成采样子卡实物。3.测试采样子卡性能,分三个模块进行测试。一是对子卡的时钟发生模块进行测试,验证两个功能:一个是能够支持FPGA开发板对时钟芯片寄存器的写入,成功输出高频稳定时钟;另一个功能是可以实现收发系统之间的时钟同步,避免采样漂移。二是对ADC采样模块进行测试,通过程序设计解决采样中的亚稳态问题。测试结果表明在200MHz的采样频率下,采样子卡的有效位数能达到9.25bits。三是测试可编程时延模块,成功编程控制MC10EP195芯片实现对100MHz的采样时钟的实时时延,等效采样频率可以达到2GHz。本文设计并实现了一种用于微弱光信号高精度采样系统,能够兼顾到高精度采样技术中的高速率和高分辨率的需求。该系统借助可编程时延芯片实现等效采样,实现简单,在微弱光信号采样中有广泛应用。
【学位单位】：北京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN911.23;TN79
【部分图文】：

率一定的条件下，量化位数的增加，后端的数据接收压力会加大。所以在目前的??ＡＤＣ芯片主流产品中，量化位数一般只有ｌＯｂｉｔｓ左右，如果真的需要高量化位??数会采用芯片级联的方式。如图１－１所示，在高精度采样中，过采样和高分辨率??的要求最终推论得出两者相互矛盾。??针对这一问题，一般会通过使用时间交替采样（Ｔｉｍｅ－ｉｎｔｅｒｌｅａｖｅｄ）技术的方??法来处理。这种技术是在１９８０年，由美国人布莱克和霍奇斯提出，创造性地利??用多片ＡＤＣ构成并行采样系统，每个ＡＤＣ通道同时对同一个模拟信号进行??采样，这样可以实现整个采样系统的采样频率通过每片ＡＤＣ的采样频率进行叠??力口，达到成倍地提高系统采样率的目的［７］。目前市场上的大部分示波器生产商家??都采用这种方法来实现高精度采样显示。但是，这种方法首先带来的是成本问题，??多片ＡＤＣ芯片级联会带来研究成本的提高，在高校中一般课题组负担不起。其??次

ｉｆｋ?■??￣ｆ?Ｓ?－ｆｓ?０?ｆｓ?ｆ＇ｓ?ｆ??图２－５理想低通滤波器与实际滤波器的差别??２．１．４?ＡＤＣ芯片的采样工作原理??ＡＤＣ芯片是整个采样模块的核心元器件，其工作过程主要是先对输入的模??拟信号ｘ（ｔ）进行采样，并保持采样值ｘ＇（ｔ），然后通过量化环节把采样保持值ｘ＇（ｔ）??转化成对应的量化值ｘ（ｎｒ），最后按照一定的格式进行编码，得到数字信号ｘ（ｎ）。??这也就是我们平时在通信中提及的采样，量化和编码三大环节。??Ａ?ｎｘ?ｊｆｌ??—Ｉ?＼?＾?Ｊｉｌｌ??ｘ（ｔ）?￣￣?ｘｆ（ｔ）?ｘ（ｎＴ）＼?ｘ（ｎ）??—＾采样?一＾－?量化?一＾?编码?■?＊??图２－６?ＡＤＣ芯片的采样工作原理??其中，采样环节是对输入的模拟信号进行数据点的选取。一般条件下，如果??采样的频率越高，取样点的间隔就会越来越小，即可以得到更加密集的信号信息，??后面的数据处理环节也能得到更完整的恢复出原始信号信息。采样环节是在时间??域上对模拟信号进行离散化，量化环节可以理解成是在取值域上对取样点序列进??行离散化。在时间域上对信号进行离散化

?ｘ（ｎ）??—＾采样?一＾－?量化?一＾?编码?■?＊??图２－６?ＡＤＣ芯片的采样工作原理??其中，采样环节是对输入的模拟信号进行数据点的选取。一般条件下，如果??采样的频率越高，取样点的间隔就会越来越小，即可以得到更加密集的信号信息，??后面的数据处理环节也能得到更完整的恢复出原始信号信息。采样环节是在时间??域上对模拟信号进行离散化，量化环节可以理解成是在取值域上对取样点序列进??行离散化。在时间域上对信号进行离散化，不会引入失真，因为各个采样值还是??连续变量。一般而言，量化位数越高，可以对取样序列进行更细致的标定，即是??信号的分辨率也就越高。但量化环节是对输入取样点电平值的离散化处理，因为??量化的精度有限，不能百分之百标定序列值。这一环节上肯定会产生量化误差，??导致信号失真。目前针对连续信源的量化方式主要有一维量化和多个采样值联合??量化的矢量量化两种方式
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本文编号：2888761