引言

高速數(shù)字化儀（Digitizer，以下簡(jiǎn)稱“數(shù)字化儀”）是一種專注于高速和高精度信號(hào)采集與捕獲的儀器設(shè)備,，其核心功能是通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),，同時(shí)具有專業(yè)的信號(hào)處理算法與高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰?。?shù)字化儀在信號(hào)采集與處理中具有以下特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)：

高速采樣與高精度：數(shù)字化儀基于高速ADC技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)高采樣率（如10 GS/s）和高分辨率（如12bit）,，從而精確捕捉復(fù)雜的信號(hào),。

重采樣技術(shù)：數(shù)字化儀通過(guò)FPGA算法實(shí)現(xiàn)重采樣，包括插值和降采樣,，以改變信號(hào)的采樣率或時(shí)間間隔,。重采樣技術(shù)在數(shù)字信號(hào)處理中廣泛應(yīng)用于信號(hào)轉(zhuǎn)換、濾波和優(yōu)化,。

實(shí)時(shí)處理與靈活性：數(shù)字化儀支持實(shí)時(shí)信號(hào)處理,，通過(guò)FPGA算法在板載硬件上執(zhí)行重采樣和插值，避免了復(fù)雜的后續(xù)軟件處理,，同時(shí)提高了系統(tǒng)的靈活性和效率,。

K時(shí)鐘重映射：在SS-OCT等應(yīng)用中，數(shù)字化儀通過(guò)K時(shí)鐘重映射技術(shù),，利用固定頻率的高質(zhì)量時(shí)鐘源,，校正非線性，確保信號(hào)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性,。所謂K時(shí)鐘,，就是隨掃頻激光器輸出光波長(zhǎng)與對(duì)應(yīng)K空間（K-space）變化的同步信號(hào)，用于觸發(fā)數(shù)字化儀對(duì)干涉信號(hào)進(jìn)行等光程差間隔采樣,，確保光譜數(shù)據(jù)在K空間上呈現(xiàn)線性分布,。而K空間則是源自磁共振成像（MRI）的術(shù)語(yǔ)，即存儲(chǔ)原始數(shù)據(jù)的傅里葉變換空間,。

圖1. 可查看原始數(shù)據(jù)和重采樣的軟件界面

圖2. 重采樣后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換（FFT）的軟件界面

SS-OCT技術(shù)因其高分辨率和高速成像能力,，現(xiàn)如今如要應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域（眼科，鼻科,，血液科等）和工業(yè)缺陷檢測(cè)等領(lǐng)域,，表1總結(jié)了SS-OCT信號(hào)的典型特征及其應(yīng)用參數(shù)。

表1. SS-OCT技術(shù)的信號(hào)參數(shù)特征

在SS-OCT系統(tǒng)中,，傳統(tǒng)的利用K時(shí)鐘作為數(shù)字化儀外部時(shí)鐘的方法存在以下缺點(diǎn)：

時(shí)鐘質(zhì)量要求高：高性能數(shù)字化儀中的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）需要極低抖動(dòng)的高質(zhì)量時(shí)鐘源,。K時(shí)鐘無(wú)法滿足這些要求，導(dǎo)致ADC性能下降,。

噪聲和尖峰問(wèn)題：K時(shí)鐘可能出現(xiàn)噪聲或尖峰,，有時(shí)甚至在掃描的某些部分完全關(guān)閉。

占空比影響：ADC內(nèi)部采樣保持電路的設(shè)計(jì)通常就是需要使用具有恒定占空比的時(shí)鐘,，所以不同的占空比可能導(dǎo)致ADC輸出樣本不良,，甚至偶爾丟失數(shù)據(jù)。

接口限制：只有使用并行數(shù)據(jù)接口，如低壓差分信號(hào)（LVDS）的老一代ADC才能實(shí)現(xiàn)直接時(shí)鐘,，但此類ADC僅支持有限的采樣率,，限制了可實(shí)現(xiàn)的A掃描（Axis Scanning,軸向掃描，一維掃描）速率,。

頻率非均勻性：K時(shí)鐘是不均勻的,，頻率會(huì)發(fā)生變化。此外,，?由于數(shù)字化儀的采樣時(shí)鐘與掃頻光源的K時(shí)鐘不能實(shí)現(xiàn)鎖相（PLL同步）,，導(dǎo)致K空間的零相位點(diǎn)（K=0）與數(shù)字化儀的采樣時(shí)刻存在隨機(jī)偏移,，可能引入光譜域插值誤差,。?

相比之下，K時(shí)鐘重映射或重采樣方法（如圖3的右側(cè)所示）通過(guò)以下方式解決了上述問(wèn)題,。

圖3. 左邊是直接K時(shí)鐘法,，右邊是推薦的K空間重映射法

實(shí)時(shí)插值：重采樣過(guò)程通常包含插值運(yùn)算，用于在K時(shí)鐘過(guò)零點(diǎn)處（K時(shí)鐘信號(hào)從正電壓跨越到負(fù)電壓,，或反之由負(fù)電壓跨越到正電壓的瞬時(shí)時(shí)刻）實(shí)時(shí)估計(jì)OCT輸入信號(hào)的幅值,。該插值與幅值估計(jì)由數(shù)字化儀的板載FPGA實(shí)時(shí)完成。

提高分辨率：通過(guò)插值,，可以增加重采樣點(diǎn)數(shù),，從而顯著提高分辨率。

避免數(shù)據(jù)丟失：FPGA算法確保采樣保持電路的恒定占空比,，避免因占空比變化導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失,。

支持高速采樣：該方法支持現(xiàn)代高速ADC，突破了傳統(tǒng)接口的采樣率限制,，實(shí)現(xiàn)了更高的A掃描速率,。

頻率一致性：通過(guò)FPGA實(shí)時(shí)算法，嚴(yán)格對(duì)齊K時(shí)鐘過(guò)零點(diǎn)與數(shù)字化儀的采樣時(shí)刻,，消除掃頻激光器的頻率非均勻性影響,。

由此可見(jiàn)，K時(shí)鐘重映射或重采樣方法在SS-OCT系統(tǒng)中展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì),，解決了傳統(tǒng)方法的多種問(wèn)題,，成為理想的解決方案。

重采樣原理為K-時(shí)鐘信號(hào)被ADC采樣,，然后進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理,，以找到輸入信號(hào)穿越過(guò)零點(diǎn)的時(shí)間，如下圖4所示,。

圖4. 重采樣原理圖

在SS-OCT中的具體采集流程如下圖5所示：

圖5. SS-OCT實(shí)際采集流程示意圖

圖6所示的數(shù)字化儀是具備重采樣固件的SPDeviceADQ32,，它具有2通道、每通道2.5GS/s采樣率、2.5GHz模擬帶寬的指標(biāo)特性,。將K時(shí)鐘和SS-OCT信號(hào)都連接到數(shù)字化儀上的模擬輸入通道1和通道2上,，除了它們二者之外，A掃描和B掃描（二維橫斷面掃描）觸發(fā)器通常也由掃頻激光器提供給數(shù)字化儀,，以實(shí)現(xiàn)同步數(shù)據(jù)采集,。

圖6. 具有重采樣算法的ADQ32數(shù)字化儀外觀示意圖

表2. 基于K時(shí)鐘重采樣技術(shù)的選型方案規(guī)格表

其中，F(xiàn)WOCT固件包含可編程數(shù)字濾波器,，用于阻斷直流和降低噪聲,，否則會(huì)對(duì)重映射質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響，而且FWOCT還可以幫助預(yù)處理數(shù)據(jù),，以簡(jiǎn)化后續(xù)的GPU處理,。

通過(guò)上述表格對(duì)比可知，在SS-OCT應(yīng)用中,，數(shù)字化儀重采樣技術(shù)方案可完美符合各項(xiàng)指標(biāo)和極具挑戰(zhàn)性的特殊需求,。值得一提的是，上述表格里數(shù)字化儀在系統(tǒng)級(jí)劃分方面提供了極大的靈活性,。用戶可以決定是在軟件中執(zhí)行所有處理,，還是利用板載FPGA來(lái)處理。由上文介紹FWOCT的作用可知,，使用板載FPGA 的重映射可以簡(jiǎn)化GPU的后續(xù)處理過(guò)程,，甚至可以為了節(jié)省成本而將GPU排除在外。

然后將測(cè)試環(huán)境改用基于ADQ32數(shù)字化儀的方案進(jìn)行相同信號(hào)產(chǎn)生條件下的信號(hào)采集，K時(shí)鐘的時(shí)域信號(hào)波形如圖8所示,。

圖8. 采用基于ADQ32數(shù)字化儀采集的原始K時(shí)鐘信號(hào)

為了驗(yàn)證重采樣技術(shù),，將K時(shí)鐘信號(hào)接到通道1，OCT信號(hào)接到通道2,，觸發(fā)信號(hào)接到TRIG通道上,，通過(guò)A掃描得到一系列數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)FFT算法將多次觸發(fā)采集的重采樣時(shí)域數(shù)據(jù)計(jì)算得出頻域結(jié)果,，如圖9所示,。

圖9. A掃描重采樣之后的時(shí)域和頻域波形

圖11. 某國(guó)產(chǎn)OCT設(shè)備中實(shí)際測(cè)試重采樣的頻域效果圖

圖12. 某國(guó)產(chǎn)OCT設(shè)備的測(cè)試影像效果圖

結(jié)論

現(xiàn)代數(shù)字化儀是基于高速ADC技術(shù),、專門(mén)用于實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集的儀器設(shè)備,。而且在特定應(yīng)用領(lǐng)域，高效的FPGA算法處理可展現(xiàn)出獨(dú)特價(jià)值,。坤馳科技國(guó)內(nèi)獨(dú)家代理的ADQ32/ADQ33數(shù)字化儀（瑞典產(chǎn)）憑借以下卓越特性,，成為K空間重采樣的理想選擇。

綜上所述,，本文推薦的數(shù)字化儀作為靈活的產(chǎn)品系列,，可支持各種性能需求，而且 API的可重復(fù)利用將簡(jiǎn)化數(shù)字化儀的集成工作,，因此基于成功案例的高性價(jià)比數(shù)字化儀解決方案非常適合國(guó)產(chǎn)SS-OCT設(shè)備的研發(fā),。