ADQ的固件選項(xiàng)FWATD(高級(jí)時(shí)域)是為極端動(dòng)態(tài)范圍而設(shè)計(jì)的,，在高動(dòng)態(tài)范圍內(nèi),，很少出現(xiàn)的弱信號(hào)可以和強(qiáng)信號(hào)(指高幅度的情況下)共存。我們提供了幾個(gè)步驟的噪聲抑制,，并可以結(jié)合起來(lái)達(dá)到所需的性能,。固件選件FWATD包括高級(jí)時(shí)域測(cè)量并受益于極高動(dòng)態(tài)范圍，典型應(yīng)用包括：

科學(xué)儀器

飛行時(shí)間

質(zhì)譜

電子順磁共振

粒子物理實(shí)驗(yàn)

測(cè)試與測(cè)量

分布式光纖傳感

為了獲得極高的動(dòng)態(tài)范圍,，需要考慮幾個(gè)參數(shù),。固件包含四個(gè)級(jí)別的噪聲抑制，基線穩(wěn)定,，線性濾波,，非線性閾值和波形平均，并且提供了三種專(zhuān)門(mén)針對(duì)系統(tǒng)噪聲（模式噪聲）的方法,。FWATD可以看作是具有上述噪聲抑制方法的工具箱,。由此，應(yīng)用程序可以選擇合適的工具以獲得所需的動(dòng)態(tài)范圍,。

在多通道ADQ中,，每個(gè)通道有一個(gè)FWATD單元。它們以相同的波形大小和累積次數(shù)設(shè)置同步運(yùn)行,。但是,，每個(gè)通道的濾波器和閾值參數(shù)是單獨(dú)設(shè)置的。ADQ-FWATD的框圖如圖1所示,。

圖1

a. 為了充分利用ADC的范圍,，可以在信號(hào)中加入模擬直流偏移。這樣可以有效地將單極脈沖的動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)大一倍,。

b. 數(shù)字基線穩(wěn)定器（DBS）是Teledyne SP Devices在脈沖數(shù)據(jù)系統(tǒng)中用于基線穩(wěn)定的專(zhuān)有算法,。DBS輸出是一個(gè)受控的基線電平，設(shè)置在用戶(hù)定義的22位精度值上。

c. 通用數(shù)據(jù)路徑FIR濾波器,，用于限制帶寬和降低寬帶噪聲,。

d. 用(c)作為抗混疊濾波器，跳過(guò)樣本進(jìn)行數(shù)據(jù)縮減或完全抽取,。

e. 高級(jí)閾值操作是一種非線性噪聲抑制,，可以區(qū)分低于用戶(hù)定義水平的樣本。即使脈沖幅度與噪聲具有相同的數(shù)量級(jí),，濾波器也可以對(duì)具有一定形狀的樣本序列進(jìn)行復(fù)雜的提升,。

f. 波形平均會(huì)積累大量的波形，通過(guò)重復(fù)測(cè)量進(jìn)行隨機(jī)噪聲抑制,。請(qǐng)注意,，累加器將波形相加，劃分則由用戶(hù)在PC機(jī)上執(zhí)行,。

g.無(wú)縫流式傳輸?shù)街鳈C(jī),，幾乎提供了死區(qū)時(shí)間的免費(fèi)采集

h. 為了實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的波形RL和更長(zhǎng)的累積NA，可以在ADQAPI中進(jìn)行第二部分的累積,。分區(qū)算法決定當(dāng)前用例是否需要在ADQAPI中進(jìn)行積累,。

i. 如果需要，用戶(hù)可以在用戶(hù)應(yīng)用程序中使用更長(zhǎng)的格式,，如gint64,，繼續(xù)進(jìn)行平均化。

j. 通過(guò)USB3.0或PCIe將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C(jī)PC,。

內(nèi)部觸發(fā)源—使用內(nèi)部參考時(shí)鐘在數(shù)字轉(zhuǎn)換器內(nèi)部產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)。默認(rèn)情況下,，內(nèi)部觸發(fā)器是自由運(yùn)行的,。內(nèi)部觸發(fā)器可以作為主外部設(shè)備在連接器TRIG上輸出。

外部觸發(fā)源—通過(guò)連接到前面板上連接器TRIG的外部信號(hào)觸發(fā)設(shè)備,。

軟件觸發(fā)源—軟件觸發(fā)功能在操作過(guò)程中實(shí)際用途有限,。它在調(diào)試和系統(tǒng)設(shè)置過(guò)程中非常有用,。

電平觸發(fā)—輸入信號(hào)的幅度決定了系統(tǒng)何時(shí)觸發(fā),。因此，觸發(fā)是由數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的,。

采用波形平均的系統(tǒng)最好是重復(fù)測(cè)量,。觸發(fā)既可以是從外部設(shè)備開(kāi)始采集的外部觸發(fā)，也可以是內(nèi)部觸發(fā)，其中ADQ通過(guò)連接器TRIG控制外部設(shè)備,。在一些應(yīng)用中,，某些脈沖形狀是值得關(guān)注的。數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的電平觸發(fā)可用于在重復(fù)脈沖上多次觸發(fā),。

波形始終具有固定（用戶(hù)定義）的長(zhǎng)度RL,，但用戶(hù)可以自由選擇波形的開(kāi)始時(shí)間。相對(duì)于觸發(fā)事件,，波形的開(kāi)始時(shí)間可以來(lái)回移動(dòng),。設(shè)置預(yù)觸發(fā)采樣數(shù)的參數(shù)適用于關(guān)注觸發(fā)事件之前的樣本的應(yīng)用。對(duì)于觸發(fā)過(guò)早的應(yīng)用,，可以使用另一個(gè)參數(shù)來(lái)控制觸發(fā)延遲,。預(yù)觸發(fā)和觸發(fā)延遲如圖2所示。請(qǐng)注意,，預(yù)觸發(fā)和觸發(fā)延遲均不會(huì)影響記錄長(zhǎng)度,。

圖2 預(yù)觸發(fā)和觸發(fā)延遲的說(shuō)明。用戶(hù)可以自由選擇波形的起始采樣,。

兩條記錄之間的時(shí)間稱(chēng)為死區(qū)時(shí)間,。死區(qū)時(shí)間受重新設(shè)置時(shí)間（從最后一個(gè)波形采樣到系統(tǒng)準(zhǔn)備接受新的觸發(fā)的時(shí)間段）的限制，同時(shí)也受數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C(jī)的速度的限制,。死區(qū)時(shí)間和重啟時(shí)間如圖3所示,。最小死區(qū)時(shí)間的數(shù)量級(jí)為幾十納秒。’

圖3 觸發(fā)期,、重啟時(shí)間和死機(jī)時(shí)間的說(shuō)明,。

在圖3中，還顯示了觸發(fā)周期,。如果觸發(fā)周期

減少隨機(jī)噪聲和提高靈敏度的一個(gè)常用方法是重復(fù)多次測(cè)量,，研究平均信號(hào),。這種方法可以減少非相關(guān)的噪聲，增加相關(guān)的有用信號(hào),。波形平均的方法會(huì)產(chǎn)生大量的測(cè)量數(shù)據(jù),。為了減少主機(jī)的負(fù)載,，F(xiàn)WATD在板載FPGA中加入了對(duì)實(shí)時(shí)波形累加的支持。

波形平均(WFA)是一個(gè)將波形相加的累加器,。每個(gè)波形中的第一個(gè)樣本與所有其他波形的第一個(gè)樣本相加,。根據(jù)定義，平均函數(shù)應(yīng)該包含一個(gè)帶有波形數(shù)NA的除法,。然而,，這種劃分不適用于FPGA實(shí)現(xiàn)，因此留給用戶(hù)在軟件中執(zhí)行,。WFA的概念如圖4所示,。

圖4 波形累積的圖解。

當(dāng)積累大量的波形時(shí),，任何系統(tǒng)性的信號(hào)都會(huì)受到影響,，顯得更加清晰。不僅對(duì)想要的信號(hào)產(chǎn)生影響,，對(duì)相關(guān)噪聲也是如此,。這種相關(guān)噪聲也稱(chēng)為模式噪聲或系統(tǒng)噪聲。模式噪聲的主要來(lái)源是ADC內(nèi)核的交織,。其他模式噪聲的來(lái)源是時(shí)鐘,，與觸發(fā)頻率相關(guān)。通常情況下,，ADC的內(nèi)置噪聲抑制就足夠了,，但由于WFA的存在，其余的變化可能仍然是一個(gè)問(wèn)題（因?yàn)樗鼈兊脑鲆媾c所需信號(hào)的增益相同）,。從而降低微弱信號(hào)的可見(jiàn)度,，因此與模式噪聲在同一范圍內(nèi)的信號(hào)在累積后也會(huì)被隱藏起來(lái)。

我們提供了三種處理系統(tǒng)噪聲的方法,，其中一種是DBS,。另外兩種方法是利用波形的觸發(fā)來(lái)隨機(jī)化系統(tǒng)噪聲。雖然噪聲仍然是系統(tǒng)性的,，但它會(huì)因波形不同而不同,，因此積累一些波形將隨機(jī)化和抑制噪聲，如圖5,，顯示了理想的情況,，其中觸發(fā)位置平均分布在四個(gè)ADC內(nèi)核上.這三種方法具有不同的質(zhì)量，因此選擇的方法取決于應(yīng)用,。表1總結(jié)了下面描述的方法的屬性,。

圖5 模式噪聲與所需信號(hào)的增益相同。重復(fù)模式是四個(gè)樣本長(zhǎng)

表1：模式噪聲抑制方法在不同條件下效果最佳,。選擇的方法取決于當(dāng)前應(yīng)用程序的活動(dòng)性高還是低,，以及是否包含很多或很少的累積量 低活度意味著此處隔離的基線在一段時(shí)間占主導(dǎo)地位,。

DBS—DBS通過(guò)從數(shù)據(jù)中估計(jì)偏移量并減去每個(gè)內(nèi)核估計(jì)偏移量來(lái)消除模式噪聲,。圖6顯示了帶有和不帶有DBS的ADQ7的背景噪聲,。這種方法精度高，適用于低活度系統(tǒng),，也就是有明確基線的系統(tǒng).因此,，它的局限性在于需要一個(gè)基線才能正確估計(jì)偏移量。高活動(dòng)輸入信號(hào)（例如正弦波）會(huì)產(chǎn)生較差的結(jié)果,。DBS的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它可以處理一條記錄,。如圖7所示，不需要大量的累加即可獲得良好的結(jié)果,。

圖6 來(lái)自ADQ7的背景噪聲,，有（藍(lán)色）和沒(méi)有（黑色）DBS。

圖7DBS對(duì)單個(gè)波形的模式噪聲進(jìn)行抑制,，不需要積累就能獲得良好的效果,。

自由運(yùn)行觸發(fā)器—擁有自由運(yùn)行的觸發(fā)器意味著它不與ADQ的采樣時(shí)鐘鎖相，內(nèi)部觸發(fā)源默認(rèn)為自由運(yùn)行,。使用自由運(yùn)行觸發(fā)來(lái)抑制模式噪聲通常有利于大量累積,。即使抑制水平不能保證(因?yàn)橛|發(fā)頻率是不確定的)，實(shí)現(xiàn)良好降噪的概率也會(huì)隨著累積次數(shù)的增加而增加,，NA,。自由運(yùn)行觸發(fā)器的一個(gè)缺點(diǎn)是未鎖定的觸發(fā)器可能會(huì)涂抹短脈沖。

觸發(fā)模塊解決方案（附加的硬件選項(xiàng)）—觸發(fā)模塊是外部模式噪聲抑制觸發(fā)源,，可以連接到TRIG（物理連接器）,。觸發(fā)頻率確定為與ADQ的任何序列或時(shí)鐘都不相關(guān)的數(shù)字。結(jié)果,，通過(guò)累積抑制了圖案噪聲,。與自由運(yùn)行的觸發(fā)相反，觸發(fā)頻率不是任意的而是固定的,，該值使模式噪聲隨機(jī)化,，從而通過(guò)累積將其抑制。觸發(fā)模塊是一個(gè)外部模式噪聲抑制觸發(fā)源,，可以連接到TRIG（物理連接器）,。觸發(fā)頻率被確定為一個(gè)與ADQ的任何序列或時(shí)鐘無(wú)關(guān)的數(shù)字。因此,，模式噪聲是通過(guò)累積來(lái)抑制的,。與自由運(yùn)行的觸發(fā)器相反，觸發(fā)頻率不是任意的而是固定的一個(gè)隨機(jī)化模式噪聲的值,，從而通過(guò)累積來(lái)抑制它,。

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