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利用信号平均技术消除噪声干扰的探究
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2017-11-15
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许多高速数据采集应用，如激光雷达或光纤测试等，都需要从嘈杂的环境中采集小的重复信号，因此对于数据采集系统的设计来说，最大的挑战就是如何最大限度地减少噪声的影响。利用信号平均技术，可以让您的测量测试系统获取更加可靠的、更加有效的测试数据。
通常情况下，在模拟信号的测试中，所采集到的数据往往夹杂着一些不需要的、随机的内容，这些数据是由周围的干扰或者测试误差所引起的，我们称之为随机噪声，这种噪声可能会影响我们的目标信号，也就是我们需要采集的数据。而采用信号平均技术，则可以减少随机噪声的影响，提升信噪比（SNR），并且最大程度的减少对目标信号的影响，从而提高数据采集的精度和动态范围。具体来说，凌华科技的数据平均模式（DAM，Data Average Mode）就是提供了这样一个高水准的信号平均功能。
FPGA的优势
消除噪声的解决方案包含了两种：一种是基于DSP的解决方案，另一种是基于FPGA的解决方案。当测量测试系统所需的采样率低于几千赫兹时，通常采用基于DSP的解决方案。但是，当测量测试系统所需的采样率比较高时，基于FPGA（Field-programmable Gate Array）的解决方案则是更好的选择。因为DSP是基于代码或指令的一种方法，它不可避免地要涉及到系统架构和核心处理器，这会导致过多的占用系统资源，增加处理时间。而FPGA由于提供了多个门阵列（Gate）和内存块（RAM Block），可以组成乘法器（Multiplier）、寄存器（Registers）和其他逻辑单元，从而可以实现快速的运算。因此，目前许多高性能的应用大都采用基于FPGA的解决方案。
凌华科技大部分的高速数字化仪都提供了板载的FPGA功能，对于需要高速高带宽的实时采集应用来说是非常合适的。基于FPGA功能的板卡支持板载的实时数据处理功能，如信号平均，这样可以减少在主机上运行的信号平均任务。并且就处理速度而言，在FPGA上执行信号平均要比在主机上执行快得多，并且不会占用主机CPU的任何资源。
消除噪声干扰，提升重复信号采样的精准度
在模拟信号的测试中，所采集到的数据中常常包含了一些噪声（如谐波分量，调制边带等），可能会掩盖我们所感兴趣的信号或它的谐波分量，调制边带modulation sideband等。众所周知，由于随机噪声的期望值为零，使得信号平均技术成为一种简单且有效的解决方案，可以在周期性或重复的信号中消除随机噪声。PCIe-9852的信号平均模式就是按照下面的原理进行工作的。在重触发（Re-trigger）模式下，重复采集R次N采样点，且触发源为外部的数字或模拟信号，每次采集的数据都会储存在相同的板载缓存中，并且在没有软件干预的情况下由FPGA自动进行累计。当R次重触发完成后，FPGA将累计的数据除以R后得到一个平均数，并将该平均数交给主机电脑。所有的数据（包含平均数）都会逐个的用轨迹表示出来，从而减少噪声，让数据更接近目标数据。下图显示了PCIe-9852的数据平均模式在数据采集和降噪方面的对比结果。
图1 – 1k Hz单通道采集，带噪声的3.6vpp正弦波
图2- 100个平均周期后的正弦波
PCIe-9852数据平均模式最大的一个优点就是节约很多存储空间。在主机上利用软件进行信号平均，需要为N（每个轨迹的采样点）x R（重触发次数）个采样预留内存空间，而PCIe-9852数据平均模式仅需要预留为N个采样预留内存空间，因为每个采样都会存储在相同的板载缓冲中，并且在平均之后才交给主机。由于数据变得更小，因此，信号平均模式的数据传输时间花费更少。
通常情况下，在模拟信号的测试中，所采集到的数据往往夹杂着一些不需要的、随机的内容，这些数据是由周围的干扰或者测试误差所引起的，我们称之为随机噪声，这种噪声可能会影响我们的目标信号，也就是我们需要采集的数据。而采用信号平均技术，则可以减少随机噪声的影响，提升信噪比（SNR），并且最大程度的减少对目标信号的影响，从而提高数据采集的精度和动态范围。具体来说，凌华科技的数据平均模式（DAM，Data Average Mode）就是提供了这样一个高水准的信号平均功能。
FPGA的优势
消除噪声的解决方案包含了两种：一种是基于DSP的解决方案，另一种是基于FPGA的解决方案。当测量测试系统所需的采样率低于几千赫兹时，通常采用基于DSP的解决方案。但是，当测量测试系统所需的采样率比较高时，基于FPGA（Field-programmable Gate Array）的解决方案则是更好的选择。因为DSP是基于代码或指令的一种方法，它不可避免地要涉及到系统架构和核心处理器，这会导致过多的占用系统资源，增加处理时间。而FPGA由于提供了多个门阵列（Gate）和内存块（RAM Block），可以组成乘法器（Multiplier）、寄存器（Registers）和其他逻辑单元，从而可以实现快速的运算。因此，目前许多高性能的应用大都采用基于FPGA的解决方案。
凌华科技大部分的高速数字化仪都提供了板载的FPGA功能，对于需要高速高带宽的实时采集应用来说是非常合适的。基于FPGA功能的板卡支持板载的实时数据处理功能，如信号平均，这样可以减少在主机上运行的信号平均任务。并且就处理速度而言，在FPGA上执行信号平均要比在主机上执行快得多，并且不会占用主机CPU的任何资源。
消除噪声干扰，提升重复信号采样的精准度
在模拟信号的测试中，所采集到的数据中常常包含了一些噪声（如谐波分量，调制边带等），可能会掩盖我们所感兴趣的信号或它的谐波分量，调制边带modulation sideband等。众所周知，由于随机噪声的期望值为零，使得信号平均技术成为一种简单且有效的解决方案，可以在周期性或重复的信号中消除随机噪声。PCIe-9852的信号平均模式就是按照下面的原理进行工作的。在重触发（Re-trigger）模式下，重复采集R次N采样点，且触发源为外部的数字或模拟信号，每次采集的数据都会储存在相同的板载缓存中，并且在没有软件干预的情况下由FPGA自动进行累计。当R次重触发完成后，FPGA将累计的数据除以R后得到一个平均数，并将该平均数交给主机电脑。所有的数据（包含平均数）都会逐个的用轨迹表示出来，从而减少噪声，让数据更接近目标数据。下图显示了PCIe-9852的数据平均模式在数据采集和降噪方面的对比结果。
图1 – 1k Hz单通道采集，带噪声的3.6vpp正弦波
图2- 100个平均周期后的正弦波
PCIe-9852数据平均模式最大的一个优点就是节约很多存储空间。在主机上利用软件进行信号平均，需要为N（每个轨迹的采样点）x R（重触发次数）个采样预留内存空间，而PCIe-9852数据平均模式仅需要预留为N个采样预留内存空间，因为每个采样都会存储在相同的板载缓冲中，并且在平均之后才交给主机。由于数据变得更小，因此，信号平均模式的数据传输时间花费更少。
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