近年來,隨著量子信息技術(shù)、生物科技等高新技術(shù)發(fā)展迅猛,對(duì)微弱光信號(hào)檢測(cè)采樣的研究越發(fā)引人關(guān)注。不同于采集強(qiáng)光信號(hào),微弱光信號(hào)在信息提取環(huán)節(jié)對(duì)采樣模塊的分辨率和采樣率要求更高。如何高速高精度地對(duì)微弱光信號(hào)進(jìn)行信息采集,關(guān)系著系統(tǒng)整體性能的優(yōu)劣。但在一個(gè)實(shí)際采樣系統(tǒng)中很難同時(shí)滿足微弱光信號(hào)采樣高分辨率和高采樣率的需求。為解決這一難題,以往使用的是多片ADC芯片并行采樣方案,實(shí)現(xiàn)電路復(fù)雜。不同于并行采樣方案,本文設(shè)計(jì)了一種基于單片高速ADC芯片和可編程實(shí)驗(yàn)芯片的等效采樣系統(tǒng),具體內(nèi)容如下:1.分析了微弱光信號(hào)采樣過程中遇到的高采樣率與高分辨率之間相互矛盾,提出了采用等效采樣的方法。2.給出了利用可編程時(shí)延芯片對(duì)采樣時(shí)鐘進(jìn)行等步長(zhǎng)時(shí)延,實(shí)現(xiàn)順序等效采樣的方案。討論并設(shè)計(jì)采樣子卡電路。整個(gè)采樣子卡電路主要分成5個(gè)模塊,分別是以LMK03806芯片為核心的時(shí)鐘發(fā)生模塊,以MC10EP195芯片為核心的高精度可編程時(shí)延模塊,以高速ADC芯片ADS54RF63為核心的ADC采樣模塊,以FMC-LPC為接口的采樣子卡與FPGA開發(fā)板之間的數(shù)據(jù)交互模塊和采樣子卡供電模塊。最終,根據(jù)設(shè)計(jì)好的電路原理圖,繪制PCB板并制成采樣子卡實(shí)物。3.測(cè)試采樣子卡性能,分三個(gè)模塊進(jìn)行測(cè)試。一是對(duì)子卡的時(shí)鐘發(fā)生模塊進(jìn)行測(cè)試,驗(yàn)證兩個(gè)功能:一個(gè)是能夠支持FPGA開發(fā)板對(duì)時(shí)鐘芯片寄存器的寫入,成功輸出高頻穩(wěn)定時(shí)鐘;另一個(gè)功能是可以實(shí)現(xiàn)收發(fā)系統(tǒng)之間的時(shí)鐘同步,避免采樣漂移。二是對(duì)ADC采樣模塊進(jìn)行測(cè)試,通過程序設(shè)計(jì)解決采樣中的亞穩(wěn)態(tài)問題。測(cè)試結(jié)果表明在200MHz的采樣頻率下,采樣子卡的有效位數(shù)能達(dá)到9.25bits。三是測(cè)試可編程時(shí)延模塊,成功編程控制MC10EP195芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)100MHz的采樣時(shí)鐘的實(shí)時(shí)時(shí)延,等效采樣頻率可以達(dá)到2GHz。本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種用于微弱光信號(hào)高精度采樣系統(tǒng),能夠兼顧到高精度采樣技術(shù)中的高速率和高分辨率的需求。該系統(tǒng)借助可編程時(shí)延芯片實(shí)現(xiàn)等效采樣,實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,在微弱光信號(hào)采樣中有廣泛應(yīng)用。
【學(xué)位單位】：北京郵電大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TN911.23;TN79
【部分圖文】：

率一定的條件下，量化位數(shù)的增加，后端的數(shù)據(jù)接收壓力會(huì)加大。所以在目前的??ＡＤＣ芯片主流產(chǎn)品中，量化位數(shù)一般只有ｌＯｂｉｔｓ左右，如果真的需要高量化位??數(shù)會(huì)采用芯片級(jí)聯(lián)的方式。如圖１－１所示，在高精度采樣中，過采樣和高分辨率??的要求最終推論得出兩者相互矛盾。??針對(duì)這一問題，一般會(huì)通過使用時(shí)間交替采樣（Ｔｉｍｅ－ｉｎｔｅｒｌｅａｖｅｄ）技術(shù)的方??法來處理。這種技術(shù)是在１９８０年，由美國(guó)人布萊克和霍奇斯提出，創(chuàng)造性地利??用多片ＡＤＣ構(gòu)成并行采樣系統(tǒng)，每個(gè)ＡＤＣ通道同時(shí)對(duì)同一個(gè)模擬信號(hào)進(jìn)行??采樣，這樣可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)采樣系統(tǒng)的采樣頻率通過每片ＡＤＣ的采樣頻率進(jìn)行疊??力口，達(dá)到成倍地提高系統(tǒng)采樣率的目的［７］。目前市場(chǎng)上的大部分示波器生產(chǎn)商家??都采用這種方法來實(shí)現(xiàn)高精度采樣顯示。但是，這種方法首先帶來的是成本問題，??多片ＡＤＣ芯片級(jí)聯(lián)會(huì)帶來研究成本的提高，在高校中一般課題組負(fù)擔(dān)不起。其??次

ｉｆｋ?■??￣ｆ?Ｓ?－ｆｓ?０?ｆｓ?ｆ＇ｓ?ｆ??圖２－５理想低通濾波器與實(shí)際濾波器的差別??２．１．４?ＡＤＣ芯片的采樣工作原理??ＡＤＣ芯片是整個(gè)采樣模塊的核心元器件，其工作過程主要是先對(duì)輸入的模??擬信號(hào)ｘ（ｔ）進(jìn)行采樣，并保持采樣值ｘ＇（ｔ），然后通過量化環(huán)節(jié)把采樣保持值ｘ＇（ｔ）??轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)的量化值ｘ（ｎｒ），最后按照一定的格式進(jìn)行編碼，得到數(shù)字信號(hào)ｘ（ｎ）。??這也就是我們平時(shí)在通信中提及的采樣，量化和編碼三大環(huán)節(jié)。??Ａ?ｎｘ?ｊｆｌ??—Ｉ?＼?＾?Ｊｉｌｌ??ｘ（ｔ）?￣￣?ｘｆ（ｔ）?ｘ（ｎＴ）＼?ｘ（ｎ）??—＾采樣?一＾－?量化?一＾?編碼?■?＊??圖２－６?ＡＤＣ芯片的采樣工作原理??其中，采樣環(huán)節(jié)是對(duì)輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)點(diǎn)的選取。一般條件下，如果??采樣的頻率越高，取樣點(diǎn)的間隔就會(huì)越來越小，即可以得到更加密集的信號(hào)信息，??后面的數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)也能得到更完整的恢復(fù)出原始信號(hào)信息。采樣環(huán)節(jié)是在時(shí)間??域上對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行離散化，量化環(huán)節(jié)可以理解成是在取值域上對(duì)取樣點(diǎn)序列進(jìn)??行離散化。在時(shí)間域上對(duì)信號(hào)進(jìn)行離散化

?ｘ（ｎ）??—＾采樣?一＾－?量化?一＾?編碼?■?＊??圖２－６?ＡＤＣ芯片的采樣工作原理??其中，采樣環(huán)節(jié)是對(duì)輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)點(diǎn)的選取。一般條件下，如果??采樣的頻率越高，取樣點(diǎn)的間隔就會(huì)越來越小，即可以得到更加密集的信號(hào)信息，??后面的數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)也能得到更完整的恢復(fù)出原始信號(hào)信息。采樣環(huán)節(jié)是在時(shí)間??域上對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行離散化，量化環(huán)節(jié)可以理解成是在取值域上對(duì)取樣點(diǎn)序列進(jìn)??行離散化。在時(shí)間域上對(duì)信號(hào)進(jìn)行離散化，不會(huì)引入失真，因?yàn)楦鱾�(gè)采樣值還是??連續(xù)變量。一般而言，量化位數(shù)越高，可以對(duì)取樣序列進(jìn)行更細(xì)致的標(biāo)定，即是??信號(hào)的分辨率也就越高。但量化環(huán)節(jié)是對(duì)輸入取樣點(diǎn)電平值的離散化處理，因?yàn)??量化的精度有限，不能百分之百標(biāo)定序列值。這一環(huán)節(jié)上肯定會(huì)產(chǎn)生量化誤差，??導(dǎo)致信號(hào)失真。目前針對(duì)連續(xù)信源的量化方式主要有一維量化和多個(gè)采樣值聯(lián)合??量化的矢量量化兩種方式
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本文編號(hào)：2888761