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，如激光雷達或光纖測試等，都需要從嘈雜的環(huán)境中采集小的重復(fù)信號，因此對于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計來說，最大的挑戰(zhàn)就是如何最大限度地減少噪聲的影響。利用信號平均技術(shù)，可以讓您的測量測試系統(tǒng)獲取更加可靠的、更加有效的測試數(shù)據(jù)。

通常情況下，在模擬信號的測試中，所采集到的數(shù)據(jù)往往夾雜著一些不需要的、隨機的內(nèi)容，這些數(shù)據(jù)是由周圍的干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，也就是我們需要采集的數(shù)據(jù)。而采用信號平均技術(shù)，則可以減少隨機噪聲的影響，提升信噪比(SNR)，并且最大程度的減少對目標信號的影響，從而提高數(shù)據(jù)采集的精度和動態(tài)范圍。具體來說，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高水準的信號平均功能。

FPGA的優(yōu)勢 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)測量測試系統(tǒng)所需的采樣率低于幾千赫茲時，通常采用基于DSP的解決方案。但是，當(dāng)測量測試系統(tǒng)所需的采樣率比較高時，基于FPGA(Field-programmable Gate Array)的解決方案則是更好的選擇。因為DSP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，這會導(dǎo)致過多的占用系統(tǒng)資源，增加處理時間。而FPGA由于提供了多個門陣列(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，從而可以實現(xiàn)快速的運算。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，對于需要高速高帶寬的實時采集應(yīng)用來說是非常合適的?；贔PGA功能的板卡支持板載的實時數(shù)據(jù)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(wù)。并且就處理速度而言，在FPGA上執(zhí)行信號平均要比在主機上執(zhí)行快得多，并且不會占用主機CPU的任何資源。

消除噪聲干擾，提升重復(fù)信號采樣的精準度

在模擬信號的測試中，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)，可能會掩蓋我們所感興趣的信號或它的諧波分量，調(diào)制邊帶modulation sideband等。眾所周知，由于隨機噪聲的期望值為零，使得信號平均技術(shù)成為一種簡單且有效的解決方案，可以在周期性或重復(fù)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(fā)(Re-trigger)模式下，重復(fù)采集R次N采樣點，且觸發(fā)源為外部的數(shù)字或模擬信號，每次采集的數(shù)據(jù)都會儲存在相同的板載緩存中，并且在沒有軟件干預(yù)的情況下由FPGA自動進行累計。當(dāng)R次重觸發(fā)完成后，F(xiàn)PGA將累計的數(shù)據(jù)除以R后得到一個平均數(shù)，并將該平均數(shù)交給主機電腦。所有的數(shù)據(jù)(包含平均數(shù))都會逐個的用軌跡表示出來，從而減少噪聲，讓數(shù)據(jù)更接近目標數(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個平均周期后的正弦波

PCIe-9852數(shù)據(jù)平均模式最大的一個優(yōu)點就是節(jié)約很多存儲空間。在主機上利用軟件進行信號平均，需要為N(每個軌跡的采樣點)x R(重觸發(fā)次數(shù))個采樣預(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個采樣預(yù)留內(nèi)存空間，因為每個采樣都會存儲在相同的板載緩沖中，并且在平均之后才交給主機。由于數(shù)據(jù)變得更小，因此，信號平均模式的數(shù)據(jù)傳輸時間花費更少。

同時，相比利用軟件來處理信號平均，信號平均模式可以減少CPU的負荷。由于信號平均模式是基于FPGA的，因此整個計算過程都是獨立于CPU完成的。

下表比較了采用不同的解決方案(一個基于軟件，一個基于FPGA)后的測試結(jié)果。其中PCIe-9852采集的是一個2.0Vpp，200kHz的連續(xù)正弦波，且使用了100個重觸發(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，或者測試平臺采用的是低功耗的處理器時，信號平均模式的優(yōu)勢將更加明顯。

表1 - 基于軟件和基于數(shù)據(jù)平均模式的信號平均測試結(jié)果對比

下面的框圖顯示了使用信號平均模式和基于軟件的信號平均的處理規(guī)則。

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

分布式光纖測溫(DTS)中的成功應(yīng)用 分布式光纖測溫(DTS)是一個非常典型的、得益于信號平均技術(shù)的應(yīng)用。DTS是采用基于光時域反射(OTDR，Optical Time-Domain Reflectmeter)的測量儀器，通過光纖來測量溫度，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，除了可以獲得準確的溫度數(shù)據(jù)，還可以節(jié)省大量的成本。通過采用脈沖激光耦合器，DTS可以測量長達30km的光纖。當(dāng)特定區(qū)域的溫度變化時，光的波長會發(fā)生變化，并以反向散射光的形式在光纖中傳播。通過對反向散射光的精確測量可以獲得準確的溫度變化數(shù)據(jù)。

如此高速的重復(fù)信號，其攜帶的噪聲已經(jīng)達到令人望而卻步的水平，而由一個高速高精度的數(shù)字化儀來處理這樣的信號是非常理想的解決方案，并且對于這樣的應(yīng)用來說，信號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以上的檢測距離。此外，通過數(shù)據(jù)平均模式提供的板載信號平均可以從復(fù)雜的環(huán)境中提取出極其微小的檢測數(shù)據(jù)。