ADQ的固件選項FWATD(高級時域)是為極端動態(tài)范圍而設(shè)計的,，在高動態(tài)范圍內(nèi),，很少出現(xiàn)的弱信號可以和強(qiáng)信號(指高幅度的情況下)共存。我們提供了幾個步驟的噪聲抑制,，并可以結(jié)合起來達(dá)到所需的性能,。固件選件FWATD包括高級時域測量并受益于極高動態(tài)范圍,，典型應(yīng)用包括：

科學(xué)儀器

飛行時間

質(zhì)譜

電子順磁共振

粒子物理實驗

測試與測量

分布式光纖傳感

為了獲得極高的動態(tài)范圍,，需要考慮幾個參數(shù),。固件包含四個級別的噪聲抑制，基線穩(wěn)定,，線性濾波,，非線性閾值和波形平均，并且提供了三種專門針對系統(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態(tài)范圍,。

在多通道ADQ中,，每個通道有一個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,，可以在信號中加入模擬直流偏移。這樣可以有效地將單極脈沖的動態(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)定的專有算法,。DBS輸出是一個受控的基線電平，設(shè)置在用戶定義的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,，跳過樣本進(jìn)行數(shù)據(jù)縮減或完全抽取,。

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

f. 波形平均會積累大量的波形,，通過重復(fù)測量進(jìn)行隨機(jī)噪聲抑制,。請注意，累加器將波形相加,，劃分則由用戶在PC機(jī)上執(zhí)行,。

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

h. 為了實現(xiàn)更長的波形RL和更長的累積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,，用戶可以在用戶應(yīng)用程序中使用更長的格式,，如gint64，繼續(xù)進(jìn)行平均化,。

j. 通過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)部參考時鐘在數(shù)字轉(zhuǎn)換器內(nèi)部產(chǎn)生觸發(fā)信號。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—通過連接到前面板上連接器TRIG的外部信號觸發(fā)設(shè)備,。

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

電平觸發(fā)—輸入信號的幅度決定了系統(tǒng)何時觸發(fā),。因此,，觸發(fā)是由數(shù)據(jù)驅(qū)動的。

采用波形平均的系統(tǒng)最好是重復(fù)測量,。觸發(fā)既可以是從外部設(shè)備開始采集的外部觸發(fā),，也可以是內(nèi)部觸發(fā)，其中ADQ通過連接器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（用戶定義）的長度RL,，但用戶可以自由選擇波形的開始時間。相對于觸發(fā)事件,，波形的開始時間可以來回移動,。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。對于觸發(fā)過早的應(yīng)用,，可以使用另一個參數(shù)來控制觸發(fā)延遲,。預(yù)觸發(fā)和觸發(fā)延遲如圖2所示。請注意,，預(yù)觸發(fā)和觸發(fā)延遲均不會影響記錄長度,。

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

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

圖3 觸發(fā)期,、重啟時間和死機(jī)時間的說明,。

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常用方法是重復(fù)多次測量,，研究平均信號,。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,。波形平均的方法會產(chǎn)生大量的測量數(shù)據(jù),。為了減少主機(jī)的負(fù)載，F(xiàn)WATD在板載FPGA中加入了對實時波形累加的支持,。

波形平均(WFA)是一個將波形相加的累加器,。每個波形中的第一個樣本與所有其他波形的第一個樣本相加。根據(jù)定義,，平均函數(shù)應(yīng)該包含一個帶有波形數(shù)NA的除法,。然而，這種劃分不適用于FPGA實現(xiàn),，因此留給用戶在軟件中執(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,，任何系統(tǒng)性的信號都會受到影響，顯得更加清晰,。不僅對想要的信號產(chǎn)生影響,，對相關(guān)噪聲也是如此。這種相關(guān)噪聲也稱為模式噪聲或系統(tǒng)噪聲,。模式噪聲的主要來源是ADC內(nèi)核的交織,。其他模式噪聲的來源是時鐘，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問題（因為它們的增益與所需信號的增益相同）,。從而降低微弱信號的可見度，因此與模式噪聲在同一范圍內(nèi)的信號在累積后也會被隱藏起來,。

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)來隨機(jī)化系統(tǒng)噪聲。雖然噪聲仍然是系統(tǒng)性的,，但它會因波形不同而不同,，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的增益相同。重復(fù)模式是四個樣本長

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間占主導(dǎo)地位。

DBS—DBS通過從數(shù)據(jù)中估計偏移量并減去每個內(nèi)核估計偏移量來消除模式噪聲,。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基線才能正確估計偏移量。高活動輸入信號（例如正弦波）會產(chǎn)生較差的結(jié)果,。DBS的一個優(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 來自ADQ7的背景噪聲,，有（藍(lán)色）和沒有（黑色）DBS。

圖7DBS對單個波形的模式噪聲進(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(因為觸發(fā)頻率是不確定的)，實現(xiàn)良好降噪的概率也會隨著累積次數(shù)的增加而增加,，NA,。自由運(yùn)行觸發(fā)器的一個缺點(diǎn)是未鎖定的觸發(fā)器可能會涂抹短脈沖。

觸發(fā)模塊解決方案（附加的硬件選項）—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的任何序列或時鐘都不相關(guān)的數(shù)字。結(jié)果,，通過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,，從而通過累積將其抑制,。觸發(fā)模塊是一個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)頻率被確定為一個與ADQ的任何序列或時鐘無關(guān)的數(shù)字,。因此，模式噪聲是通過累積來抑制的,。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隨機(jī)化模式噪聲的值，從而通過累積來抑制它,。

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