利用信號(hào)平均技術(shù)消除噪聲干擾的探究

許多高速數(shù)據(jù)采集應(yīng)用，如激光雷達(dá)或光纖測(cè)試等，都需要從嘈雜的環(huán)境中采集小的重復(fù)信號(hào)，因此對(duì)于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，最大的挑戰(zhàn)就是如何最大限度地減少噪聲的影響。利用信號(hào)平均技術(shù)，可以讓您的測(cè)量測(cè)試系統(tǒng)獲取更加可靠的、更加有效的測(cè)試數(shù)據(jù)。
　　通常情況下，在模擬信號(hào)的測(cè)試中，所采集到的數(shù)據(jù)往往夾雜著一些不需要的、隨機(jī)的內(nèi)容，這些數(shù)據(jù)是由周圍的干擾或者測(cè)試誤差所引起的，我們稱之為隨機(jī)噪聲，這種噪聲可能會(huì)影響我們的目標(biāo)信號(hào)，也就是我們需要采集的數(shù)據(jù)。而采用信號(hào)平均技術(shù)，則可以減少隨機(jī)噪聲的影響，提升信噪比（SNR），并且最大程度的減少對(duì)目標(biāo)信號(hào)的影響，從而提高數(shù)據(jù)采集的精度和動(dòng)態(tài)范圍。具體來(lái)說(shuō)，凌華科技的數(shù)據(jù)平均模式（DAM，Data Average Mode）就是提供了這樣一個(gè)高水準(zhǔn)的信號(hào)平均功能。
　　FPGA的優(yōu)勢(shì)
　　消除噪聲的解決方案包含了兩種：一種是基于DSP的解決方案，另一種是基于FPGA的解決方案。當(dāng)測(cè)量測(cè)試系統(tǒng)所需的采樣率低于幾千赫茲時(shí)，通常采用基于DSP的解決方案。但是，當(dāng)測(cè)量測(cè)試系統(tǒng)所需的采樣率比較高時(shí)，基于FPGA（Field-programmable Gate Array）的解決方案則是更好的選擇。因?yàn)镈SP是基于代碼或指令的一種方法，它不可避免地要涉及到系統(tǒng)架構(gòu)和核心處理器，這會(huì)導(dǎo)致過(guò)多的占用系統(tǒng)資源，增加處理時(shí)間。而FPGA由于提供了多個(gè)門陣列（Gate）和內(nèi)存塊（RAM Block），可以組成乘法器（Multiplier）、寄存器（Registers）和其他邏輯單元，從而可以實(shí)現(xiàn)快速的運(yùn)算。因此，目前許多高性能的應(yīng)用大都采用基于FPGA的解決方案。
　　凌華科技大部分的高速數(shù)字化儀都提供了板載的FPGA功能，對(duì)于需要高速高帶寬的實(shí)時(shí)采集應(yīng)用來(lái)說(shuō)是非常合適的?；贔PGA功能的板卡支持板載的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理功能，如信號(hào)平均，這樣可以減少在主機(jī)上運(yùn)行的信號(hào)平均任務(wù)。并且就處理速度而言，在FPGA上執(zhí)行信號(hào)平均要比在主機(jī)上執(zhí)行快得多，并且不會(huì)占用主機(jī)CPU的任何資源。
　　消除噪聲干擾，提升重復(fù)信號(hào)采樣的精準(zhǔn)度
　　在模擬信號(hào)的測(cè)試中，所采集到的數(shù)據(jù)中常常包含了一些噪聲（如諧波分量，調(diào)制邊帶等），可能會(huì)掩蓋我們所感興趣的信號(hào)或它的諧波分量，調(diào)制邊帶modulation sideband等。眾所周知，由于隨機(jī)噪聲的期望值為零，使得信號(hào)平均技術(shù)成為一種簡(jiǎn)單且有效的解決方案，可以在周期性或重復(fù)的信號(hào)中消除隨機(jī)噪聲。PCIe-9852的信號(hào)平均模式就是按照下面的原理進(jìn)行工作的。在重觸發(fā)（Re-trigger）模式下，重復(fù)采集R次N采樣點(diǎn)，且觸發(fā)源為外部的數(shù)字或模擬信號(hào)，每次采集的數(shù)據(jù)都會(huì)儲(chǔ)存在相同的板載緩存中，并且在沒(méi)有軟件干預(yù)的情況下由FPGA自動(dòng)進(jìn)行累計(jì)。當(dāng)R次重觸發(fā)完成后，F(xiàn)PGA將累計(jì)的數(shù)據(jù)除以R后得到一個(gè)平均數(shù)，并將該平均數(shù)交給主機(jī)電腦。所有的數(shù)據(jù)（包含平均數(shù)）都會(huì)逐個(gè)的用軌跡表示出來(lái)，從而減少噪聲，讓數(shù)據(jù)更接近目標(biāo)數(shù)據(jù)。下圖顯示了PCIe-9852的數(shù)據(jù)平均模式在數(shù)據(jù)采集和降噪方面的對(duì)比結(jié)果。
　　
　　圖1 – 1k Hz單通道采集，帶噪聲的3.6vpp正弦波
　　
　　圖2- 100個(gè)平均周期后的正弦波
　　PCIe-9852數(shù)據(jù)平均模式最大的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是節(jié)約很多存儲(chǔ)空間。在主機(jī)上利用軟件進(jìn)行信號(hào)平均，需要為N（每個(gè)軌跡的采樣點(diǎn)）x R（重觸發(fā)次數(shù)）個(gè)采樣預(yù)留內(nèi)存空間，而PCIe-9852數(shù)據(jù)平均模式僅需要預(yù)留為N個(gè)采樣預(yù)留內(nèi)存空間，因?yàn)槊總€(gè)采樣都會(huì)存儲(chǔ)在相同的板載緩沖中，并且在平均之后才交給主機(jī)。由于數(shù)據(jù)變得更小，因此，信號(hào)平均模式的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間花費(fèi)更少。