一,、概述：

  項目背景：

  該項目主要用于光脈沖在不同介質(zhì)中的傳輸特性不同,，來實現(xiàn)對目標(biāo)的跟蹤,。
  本系統(tǒng)主要應(yīng)用于水下目標(biāo)的特征探測,。
  系統(tǒng)框圖如下：
  當(dāng)光電倍增管接收的光為均勻的介質(zhì)是產(chǎn)生的經(jīng)典本底信號如下：
 

  本底信號采用2.5Gsps采樣,，下降時間約40ns,。
  當(dāng)光電倍增管接收的光為遇到介質(zhì)中的“氣泡”時，將在上圖的本底信號的上升沿產(chǎn)生畸變,，典型信號如下：
 

  由于氣泡的位置和大小不確定,，所以會產(chǎn)生不同的畸變大小、形狀且畸變的位置也是不固定的,。
  我們的任務(wù)就是需要采集到光電倍增管輸出的高速脈沖,，通過FPGA實現(xiàn)數(shù)字信號實時處理，判別和區(qū)分開當(dāng)前的信號是本底信號還是有畸變的信號,，將該信號的特征上傳到主機,。

  我們面臨的挑戰(zhàn)：
  1、光電倍增管輸出的脈沖信號非常的窄,，且上升時間特別陡峭,；這就需要我們采用高速ADC進行采集。
  2,、脈沖信號為負(fù)脈沖,，且幅度較小,；這就需要特殊設(shè)計ADC的前端放大器,，采用高速高帶寬直流放大器并且增加高穩(wěn)定度偏置電路。
  3,、水下環(huán)境復(fù)雜,，有時本底信號和有氣泡的信號區(qū)別不是很大，這就需要設(shè)計更復(fù)雜的算法進行更精確的分析和判別,；算法復(fù)雜程度較大,。
  4、本底和畸變差別較小本底和畸變差別中等本底和畸變差別較大,。
  5,、由于采用高速采集，采集時鐘為2GHz,，遠(yuǎn)高于FPGA所能接收的速度,，所以需要采用并行計算的方式來實時處理采集到的信號,。

  解決方案：

  根據(jù)實際系統(tǒng)和算法處理精度要求，硬件系統(tǒng)采用如下設(shè)計：
  1,、10bit2GSPSADC,，單通道。
  2,、低噪聲模擬前端，支持+/-5V~+/-200mV信號輸入,，50Ω阻抗BNC接口,。
  3、板載128MBDDR2內(nèi)存,。
  4,、16個可編程GPIO，可用于系統(tǒng)控制,。
  5,、高穩(wěn)定度，超低低抖動時鐘發(fā)生器,。
  6,、低噪聲電源設(shè)計。
  7,、LED顯示,，指示含有畸變信號的數(shù)量和狀態(tài)。
  8,、FPGA實現(xiàn)實時信號特征檢測算法功能,。
  9、USB2.0接口,，用戶可以通過USB進行參數(shù)配置以及接收計算結(jié)果,。
  10、寬溫設(shè)計-20℃~+90℃
  11,、供電需求,，單電源12DC輸入，1A電流,。
  12,、外形尺寸：220mmX90mm

  二、系統(tǒng)整體框圖如下：
 

  三,、信號的檢測算法：

  設(shè)計思想：我們根據(jù)不同的波形曲線進行實時特征統(tǒng)計,，提取曲線的特征點，在找到特征點的關(guān)鍵點的性質(zhì),，來分析有無畸變情況,。
  目前特征點的條件定為如下幾點：

  特征點由三部分組成
  a.一階導(dǎo)數(shù)的零點
  b.二階導(dǎo)數(shù)的零點
  c.函數(shù)本身的極值點

  判決方法為這些特征點的特性變化：
  1.計算相鄰特征點的方向向量
  2.計算相鄰向量改變角度值
  3.相鄰特征點向量方向轉(zhuǎn)變角度閾值，超過該閾值，則認(rèn)為曲線有可觀測到的變動

  判決畸變的規(guī)則：

  若輸入序列開始為負(fù)值,，則找到序列第2個正值(連續(xù)2個為正)再開始判斷
  1.若此后序列值符號變化為正（至少再有1個點為正）->負(fù),，則判斷存在畸變（曲線出現(xiàn)內(nèi)凹）
  2.滿足連續(xù)3個點值為正，且數(shù)值變化小于中間值的25%,則判斷存在畸變（畸變形狀近似直線）
  3.滿足連續(xù)5個點值為正,，且數(shù)值均小于一個閾值K_TH（較小的數(shù)）,則判斷存在畸變（畸變形狀近似直線）
  4.滿足一階導(dǎo)數(shù)存在2個以上的較大峰值（大于平均正值斜率均值1.5倍）,，且峰值大于兩峰之間的斜率均值2倍以上，則存在畸變（曲線部分外凸）
  這些規(guī)則分別判定有尖的毛刺,，有直線變化以及外凸等情況,。該算法架構(gòu)大的好處是可以根據(jù)實際情況增加判決規(guī)則。

  典型數(shù)據(jù)測試測試結(jié)果：
  對于典型的畸變信號,，順利檢測出畸變量=25,。
 

  對于典型的本底信號，畸變量=0,。

  對于較小的畸變,，畸變量=4。

  附錄：

  高速采集卡的挑戰(zhàn)

  為了準(zhǔn)確的采集,，采集系統(tǒng)的信噪比SNR必須得到保證,。影響采集精度的主要要素有以下幾點：

  1、量化誤差,。
  2,、lClockjitter和ADCjitter。
  3,、數(shù)字以及電源干擾

  量化精度的提高：
  對于量化誤差對采集系統(tǒng)的影響,，我們在該系統(tǒng)中選用10bit的ADC，理論

  Clockjitter的消除：

  該方案中采用溫度補償晶體TCXO以及業(yè)內(nèi)頂級的JittercleaningCLKGenerator芯片來保證clock的穩(wěn)定性,，Clockjitter的消除以及極低的Phasenoise,。
  在寬溫工作環(huán)境下，普通的晶體隨著工作溫度的變化,，晶體的穩(wěn)定度和頻率都會發(fā)生改變,，為解決該問題，我們選用超低相位噪聲的晶體,。
  對于時鐘芯片的選擇,，也是基于同樣的考慮，集成高精度高穩(wěn)定的VCO,，具有Jittercleaning功能和clkphaseadj功能,。通常，jitter由ADC本身的jitter和CLKjitter組成,，各自的RMS再組成總jitter的RMS：

  總jitter的RMS會在采集系統(tǒng)中產(chǎn)生白噪聲,，其關(guān)系如下：

  采集系統(tǒng)的總=

  采用本時鐘解決方案,，其總的clockjitter在系統(tǒng)中完全能做到<1ps。在忽略信號noise,，dnl等情況下,，fin和clockjitter有如下關(guān)系：
 

  合理的高速數(shù)模混合PCB設(shè)計,，充分論證信號完整性和電源完整性，PCB版圖如下：
 

  采集測試方案以及ADC芯片性能力指標(biāo)

  1.ADC性能測試

  ADC模塊的測試：

  使用AgilentE8663DRF信號發(fā)生器,，主要發(fā)生單頻的sine信號,，通過窄帶濾波器，保證sine的“純凈”,。信號幅度為+/-1V輸出,，保證ADC輸入的滿幅度。
  信號通過ADC采集后進入PC并存儲,，通過測試軟件進行數(shù)據(jù)處理,。

  關(guān)于ADC采集數(shù)據(jù)的處理及計算方法：
  Data輸入可以選取多個點（如4K-16K），同hanningwindow進行卷積,，防止矩形窗引起的Gibbs現(xiàn)象,。
  卷積后的信號進行FFT，得到頻譜數(shù)據(jù),。這是為了測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,，可以多采集幾次進行譜平均，得到更準(zhǔn)確的譜數(shù)據(jù),。
 

  ADC性能的測試：
  我們可以在頻譜中找到輸入sine的基波信號,，以及除去其高次諧波的噪聲能量，得到SNR的指標(biāo)：

  SNR=20*log([Fundamental]/SQRT(SUM(SQR([Noise]))))

  以及

  SFDR=20*log([Fundamental]/[HighestSpurious])

  SINAD=20*log([Fundamental]/SQRT(SUM(SQR([Noise+Harmonics]))))

  ENOB=(SINAD–1.76)/6.02

  根據(jù)如上測試方法,，本系統(tǒng)的采集性能達(dá)到如下性能指標(biāo)：

  Fs=2Gsps
  Fin=500MHz
  SNR：42dBc
  ENOB：7bit
  THD：45dBc
  SFDR：48dBc