一,、概述：

項(xiàng)目背景：

該項(xiàng)目主要用于光脈沖在不同介質(zhì)中的傳輸特性不同,，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(cè),。
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(hào)如下：

本底信號(hào)采用2.5Gsps采樣,，下降時(shí)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(shí)，將在上圖的本底信號(hào)的上升沿產(chǎn)生畸變,，典型信號(hào)如下：

由于氣泡的位置和大小不確定,，所以會(huì)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(guò)FPGA實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)實(shí)時(shí)處理，判別和區(qū)分開(kāi)當(dāng)前的信號(hào)是本底信號(hào)還是有畸變的信號(hào),，將該信號(hào)的特征上傳到主機(jī),。

我們面臨的挑戰(zhàn)：
1、光電倍增管輸出的脈沖信號(hào)非常的窄,，且上升時(shí)間特別陡峭,；這就需要我們采用高速ADC進(jìn)行采集,。
2、脈沖信號(hào)為負(fù)脈沖,，且幅度較?。贿@就需要特殊設(shè)計(jì)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(shí)本底信號(hào)和有氣泡的信號(hào)區(qū)別不是很大,，這就需要設(shè)計(jì)更復(fù)雜的算法進(jìn)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(shí)鐘為2GHz，遠(yuǎn)高于FPGA所能接收的速度,，所以需要采用并行計(jì)算的方式來(lái)實(shí)時(shí)處理采集到的信號(hào),。

解決方案：

根據(jù)實(shí)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(jì)：
1,、10bit2GSPSADC，單通道,。
2,、低噪聲模擬前端，支持+/-5V~+/-200mV信號(hào)輸入,，50Ω阻抗BNC接口,。
3、板載128MBDDR2內(nèi)存,。
4,、16個(gè)可編程GPIO，可用于系統(tǒng)控制,。
5,、高穩(wěn)定度，超低低抖動(dòng)時(shí)鐘發(fā)生器,。
6,、低噪聲電源設(shè)計(jì)。
7,、LED顯示,，指示含有畸變信號(hào)的數(shù)量和狀態(tài),。
8、FPGA實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信號(hào)特征檢測(cè)算法功能,。
9,、USB2.0接口，用戶可以通過(guò)USB進(jìn)行參數(shù)配置以及接收計(jì)算結(jié)果,。
10,、寬溫設(shè)計(jì)-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(hào)的檢測(cè)算法：

設(shè)計(jì)思想：我們根據(jù)不同的波形曲線進(jìn)行實(shí)時(shí)特征統(tǒng)計(jì),，提取曲線的特征點(diǎn),，在找到特征點(diǎn)的關(guān)鍵點(diǎn)的性質(zhì)，來(lái)分析有無(wú)畸變情況,。
目前特征點(diǎn)的條件定為如下幾點(diǎn)：

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

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

判決畸變的規(guī)則：

若輸入序列開(kāi)始為負(fù)值,，則找到序列第2個(gè)正值(連續(xù)2個(gè)為正)再開(kāi)始判斷
1.若此后序列值符號(hào)變化為正（至少再有1個(gè)點(diǎn)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(gè)點(diǎn)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(gè)點(diǎn)值為正,，且數(shù)值均小于一個(gè)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(gè)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(shí)際情況增加判決規(guī)則。

典型數(shù)據(jù)測(cè)試測(cè)試結(jié)果：
對(duì)于典型的畸變信號(hào),，順利檢測(cè)出畸變量=25,。

對(duì)于典型的本底信號(hào)，畸變量=0,。

對(duì)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(diǎn)：

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(duì)于量化誤差對(duì)采集系統(tǒng)的影響,，我們?cè)谠撓到y(tǒng)中選用10bit的ADC,，理論

Clockjitter的消除：

該方案中采用溫度補(bǔ)償晶體TCXO以及業(yè)內(nèi)頂級(jí)的JittercleaningCLKGenerator芯片來(lái)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(huì)發(fā)生改變,，為解決該問(wèn)題,，我們選用超低相位噪聲的晶體。
對(duì)于時(shí)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(huì)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(shí)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(hào)noise,，dnl等情況下,，fin和clockjitter有如下關(guān)系：

合理的高速數(shù)?；旌螾CB設(shè)計(jì),，充分論證信號(hào)完整性和電源完整性，PCB版圖如下：

采集測(cè)試方案以及ADC芯片性能力指標(biāo)

1.ADC性能測(cè)試

ADC模塊的測(cè)試：

使用AgilentE8663DRF信號(hào)發(fā)生器,，主要發(fā)生單頻的sine信號(hào),，通過(guò)窄帶濾波器，保證sine的“純凈”,。信號(hào)幅度為+/-1V輸出,，保證ADC輸入的滿幅度。
信號(hào)通過(guò)ADC采集后進(jìn)入PC并存儲(chǔ)，通過(guò)測(cè)試軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,。

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

ADC性能的測(cè)試：
我們可以在頻譜中找到輸入sine的基波信號(hào),，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(cè)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

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