引言

高速數字化儀（Digitizer，以下簡稱“數字化儀”）是一種專注于高速和高精度信號采集與捕獲的儀器設備,，其核心功能是通過模數轉換器（ADC）將模擬信號轉換為數字信號,，同時具有專業(yè)的信號處理算法與高速數據傳輸的能力。數字化儀在信號采集與處理中具有以下特點和優(yōu)勢：

高速采樣與高精度：數字化儀基于高速ADC技術,，能夠實現(xiàn)高采樣率（如10 GS/s）和高分辨率（如12bit）,，從而精確捕捉復雜的信號。

重采樣技術：數字化儀通過FPGA算法實現(xiàn)重采樣,，包括插值和降采樣,，以改變信號的采樣率或時間間隔。重采樣技術在數字信號處理中廣泛應用于信號轉換,、濾波和優(yōu)化,。

實時處理與靈活性：數字化儀支持實時信號處理，通過FPGA算法在板載硬件上執(zhí)行重采樣和插值,，避免了復雜的后續(xù)軟件處理,，同時提高了系統(tǒng)的靈活性和效率,。

K時鐘重映射：在SS-OCT等應用中,，數字化儀通過K時鐘重映射技術，利用固定頻率的高質量時鐘源,，校正非線性,，確保信號的準確性和穩(wěn)定性。所謂K時鐘,，就是隨掃頻激光器輸出光波長與對應K空間（K-space）變化的同步信號,，用于觸發(fā)數字化儀對干涉信號進行等光程差間隔采樣，確保光譜數據在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）的術語,，即存儲原始數據的傅里葉變換空間。

圖1. 可查看原始數據和重采樣的軟件界面

圖2. 重采樣后對數據進行快速傅里葉變換（FFT）的軟件界面

SS-OCT技術因其高分辨率和高速成像能力,，現(xiàn)如今如要應用于醫(yī)學領域（眼科,，鼻科，血液科等）和工業(yè)缺陷檢測等領域,，表1總結了SS-OCT信號的典型特征及其應用參數,。

表1. SS-OCT技術的信號參數特征

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

時鐘質量要求高：高性能數字化儀中的模數轉換器（ADC）需要極低抖動的高質量時鐘源,。K時鐘無法滿足這些要求,，導致ADC性能下降。

噪聲和尖峰問題：K時鐘可能出現(xiàn)噪聲或尖峰，有時甚至在掃描的某些部分完全關閉,。

占空比影響：ADC內部采樣保持電路的設計通常就是需要使用具有恒定占空比的時鐘,，所以不同的占空比可能導致ADC輸出樣本不良，甚至偶爾丟失數據,。

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

頻率非均勻性：K時鐘是不均勻的,，頻率會發(fā)生變化,。此外，?由于數字化儀的采樣時鐘與掃頻光源的K時鐘不能實現(xiàn)鎖相（PLL同步）,，導致K空間的零相位點（K=0）與數字化儀的采樣時刻存在隨機偏移,，可能引入光譜域插值誤差。?

相比之下,，K時鐘重映射或重采樣方法（如圖3的右側所示）通過以下方式解決了上述問題,。

圖3. 左邊是直接K時鐘法，右邊是推薦的K空間重映射法

實時插值：重采樣過程通常包含插值運算,，用于在K時鐘過零點處（K時鐘信號從正電壓跨越到負電壓,，或反之由負電壓跨越到正電壓的瞬時時刻）實時估計OCT輸入信號的幅值。該插值與幅值估計由數字化儀的板載FPGA實時完成,。

提高分辨率：通過插值,，可以增加重采樣點數，從而顯著提高分辨率,。

避免數據丟失：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致的數據丟失。

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,，實現(xiàn)了更高的A掃描速率。

頻率一致性：通過FPGA實時算法,，嚴格對齊K時鐘過零點與數字化儀的采樣時刻,，消除掃頻激光器的頻率非均勻性影響。

由此可見,，K時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,，解決了傳統(tǒng)方法的多種問題，成為理想的解決方案,。

重采樣原理為K-時鐘信號被ADC采樣,，然后進行數字信號處理,，以找到輸入信號穿越過零點的時間，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實際采集流程示意圖

圖6所示的數字化儀是具備重采樣固件的SP Device ADQ32,，它具有2通道、每通道2.5GS/s采樣率,、2.5GHz模擬帶寬的指標特性,。將K時鐘和SS-OCT信號都連接到數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字化儀,，以實現(xiàn)同步數據采集。

圖6.  具有重采樣算法的ADQ32數字化儀外觀示意圖

表2. 基于K時鐘重采樣技術的選型方案規(guī)格表

其中,，F(xiàn)WOCT固件包含可編程數字濾波器,，用于阻斷直流和降低噪聲，否則會對重映射質量產生負面影響,，而且FWOCT還可以幫助預處理數據,，以簡化后續(xù)的GPU處理。 

通過上述表格對比可知,，在SS-OCT應用中,，數字化儀重采樣技術方案可完美符合各項指標和極具挑戰(zhàn)性的特殊需求。值得一提的是,，上述表格里數字化儀在系統(tǒng)級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 的重映射可以簡化GPU的后續(xù)處理過程，甚至可以為了節(jié)省成本而將GPU排除在外,。

然后將測試環(huán)境改用基于ADQ32數字化儀的方案進行相同信號產生條件下的信號采集,，K時鐘的時域信號波形如圖8所示,。

圖8. 采用基于ADQ32數字化儀采集的原始K時鐘信號

為了驗證重采樣技術，將K時鐘信號接到通道1,，OCT信號接到通道2,，觸發(fā)信號接到TRIG通道上，通過A掃描得到一系列數據,，經過FFT算法將多次觸發(fā)采集的重采樣時域數據計算得出頻域結果,，如圖9所示,。

圖9. A掃描重采樣之后的時域和頻域波形

圖11. 某國產OCT設備中實際測試重采樣的頻域效果圖

圖12. 某國產OCT設備的測試影像效果圖

結論

現(xiàn)代數字化儀是基于高速ADC技術,、專門用于實現(xiàn)高速數據采集的儀器設備。而且在特定應用領域,，高效的FPGA算法處理可展現(xiàn)出獨特價值,。坤馳科技國內獨家代理的ADQ32/ADQ33數字化儀（瑞典產）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,，本文推薦的數字化儀作為靈活的產品系列，可支持各種性能需求,，而且 API的可重復利用將簡化數字化儀的集成工作,，因此基于成功案例的高性價比數字化儀解決方案非常適合國產SS-OCT設備的研發(fā)。