利用信號平均技術,消除噪聲幹擾,提升重複信號採樣的精準度

2020-12-13 電子產品世界

　　許多高速數據採集應用，如雷射雷達或光纖測試等，都需要從嘈雜的環境中採集小的重複信號，因此對於數據採集系統的設計來說，最大的挑戰就是如何最大限度地減少噪聲的影響。利用信號平均技術，可以讓您的測量測試系統獲取更加可靠的、更加有效的測試數據。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/262544.htm

　　通常情況下，在模擬信號的測試中，所採集到的數據往往夾雜著一些不需要的、隨機的內容，這些數據是由周圍的幹擾或者測試誤差所引起的，我們稱之為隨機噪聲，這種噪聲可能會影響我們的目標信號，也就是我們需要採集的數據。而採用信號平均技術，則可以減少隨機噪聲的影響，提升信噪比(SNR)，並且最大程度的減少對目標信號的影響，從而提高數據採集的精度和動態範圍。具體來說，凌華科技的數據平均模式(DAM，Data Average Mode)就是提供了這樣一個高水準的信號平均功能。

　　1 FPGA的優勢

　　消除噪聲的解決方案包含了兩種：一種是基於DSP的解決方案，另一種是基於FPGA的解決方案。當測量測試系統所需的採樣率低於幾千赫茲時，通常採用基於DSP的解決方案。但是，當測量測試系統所需的採樣率比較高時，基於FPGA(Field-programmable Gate Array)的解決方案則是更好的選擇。因為DSP是基於代碼或指令的一種方法，它不可避免地要涉及到系統架構和核心處理器，這會導致過多的佔用系統資源，增加處理時間。而FPGA由於提供了多個門陣列(Gate)和內存塊(RAM Block)，可以組成乘法器(Multiplier)、寄存器(Registers)和其他邏輯單元，從而可以實現快速的運算。因此，目前許多高性能的應用大都採用基於FPGA的解決方案。

　　凌華科技大部分的高速數位化儀都提供了板載的FPGA功能，對於需要高速高帶寬的實時採集應用來說是非常合適的。基於FPGA功能的板卡支持板載的實時數據處理功能，如信號平均，這樣可以減少在主機上運行的信號平均任務。並且就處理速度而言，在FPGA上執行信號平均要比在主機上執行快得多，並且不會佔用主機CPU的任何資源。

　　2 消除噪聲幹擾，提升重複信號採樣的精準度

　　在模擬信號的測試中，所採集到的數據中常常包含了一些噪聲(如諧波分量，調製邊帶等)，可能會掩蓋我們所感興趣的信號或它的諧波分量，調製邊帶modulation sideband等。眾所周知，由於隨機噪聲的期望值為零，使得信號平均技術成為一種簡單且有效的解決方案，可以在周期性或重複的信號中消除隨機噪聲。PCIe-9852的信號平均模式就是按照下面的原理進行工作的。在重觸發(Re-trigger)模式下，重複採集R次N採樣點，且觸發源為外部的數字或模擬信號，每次採集的數據都會儲存在相同的板載緩存中，並且在沒有軟體幹預的情況下由FPGA自動進行累計。當R次重觸發完成後，FPGA將累計的數據除以R後得到一個平均數，並將該平均數交給主機電腦。所有的數據(包含平均數)都會逐個的用軌跡表示出來，從而減少噪聲，讓數據更接近目標數據。下圖顯示了PCIe-9852的數據平均模式在數據採集和降噪方面的對比結果。

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