ASA:先进信号处理器

Artium 的 ASA 是可用于激光多普勒测速仪（LDV）和相位杜普勒粒子干涉仪（PDI）应用的先进信号处理器。它是基于傅里叶变换的信号处理器，具有多项创新以确保最佳性能。使用 PMT/前置放大系统将 PDI 光学器件收集的光信号转换为电压。然后信号经过高通滤波和放大，馈送到 ASA 模拟信号处理部分。在模拟信号处理部分，信号通过软件可选可变正交混频器进行混频。正交混频器输出经过低通滤波以提高信噪比（SNR）。模拟部分的正交输出以软件可选的采样率进行采样和数字化。然后将数字化信号应用于相域突发检测器。相位突发检测器 (PBD) 输出与模拟突发检测器输出相结合，用作自适应采样电路的输入。最后将每个多普勒脉冲的采样数据打包成一个数据包。数据包内嵌入其他相关信息（到达时间、渡越时间和外部输入数据等），并通过高速 PCI 数据接口卡传输到计算机进行处理。

傅里叶变换方法：

Artium 使用傅立叶分析来测量信号频率。因此，我们以略高于奈奎斯特速率的速率或采样频率 (fs) 对信号进行采样。奈奎斯特速率是最大信号频率的两倍的频率。论文 Aliasing (Olshausen, 2000) 解释了为什么不需要以高于 Nyquist 速率的速率进行采样以避免混叠。然后使用傅里叶变换方法测量采样信号的频率。Rife 和 Boorstyn 的论文表明，傅里叶变换方法提供了最佳的频率和相位测量精度结果。当信号的信噪比SNR为0dB时。频率测量精度与 1/(N)^3 成正比，其中 N 是信号传输时间(T)内的样本数。为了达到这个分辨率，我们计算了覆盖-fs/2到fs/2的区间内N^3个频率上的傅里叶变换。对于LDV应用，频率测量分辨率为0.1%就足够了。因此，无需在超过 (64*N) 个频率上计算傅立叶变换（以获得优于 1/(64*N) 的频率分辨率）。

Artium 的信号处理器带宽为 150 MHz（10 MHz 至 160 MHz）。因此，所需的最大采样频率为 300 MHz。我们使用320MHz的最大采样频率来确保正确处理频率为160MHz的信号。不需要以更高的速率进行采样。如果需要将处理器频率带宽增加到190MHz（即处理 10 MHz 到 200 MHz 范围内的信号），用户可以选择将采样频率增加到400MHz。

傅立叶变换方法与计数器技术的比较：

有些同类设备制造商采用“计数器”技术来测量信号频率。例如，如果计数器时钟（有时被错误地称为采样频率）= fs 并且传输时间为 T，则在传输时间 T 内最多有 N 个计数（其中 N=T*fs） . 因此，频率测量分辨率不超过1/N =1/(T*fs)。只有在信号信噪比SNR高于10dB时才能实现这种测量分辨率。对于较低的信号信噪比SNR，由于噪声产生的额外零交叉的存在（计数方法的一个众所周知的问题），频率测量将进一步受到影响。

为了说明傅立叶变换方法相对于计数器技术的优越性，考虑一个传输时间T为50ns的多普勒信号。对于 400 MHz 的采样频率(fs)，采样数由(T*fs)=20个采样给出。因此，使用 Artium 处理器获得的频率分辨率为1/(64*20) ~ 0.12%。然而，使用计数器技术处理器获得的频率分辨率由1/(20)=4%给出，大大低于傅里叶变换方法。两者相差超过33倍！

必须指出，计数器技术的处理器是基于一种早期的频率和相位测量方法。自相关方法仅用于在使用计数器（用于频率和相位测量）之前改善信号信噪比SNR。自相关方法在改善信号 信噪比SNR方面的能力有限。尽管如此，基于计数器技术的处理器仍然受到众所周知的缺陷的影响，即由于对信号过零时引入的额外过零进行计数而产生有偏差的结果。

还应该指出的是，Artium 是唯一一家应用Rife和Boorstyn描述的傅立叶分析（或傅立叶方法）方法的公司-使用正交信号（实部 R(t) 及其希尔伯特变换 Q(t) 形成复信号 R(t) + i Q(t)，其中 i 是 -1 的平方根）来计算信号傅立叶变换。其它同行的处理器仅使用信号的实部。

使用正交采样的主要优势之一是它能够检测信号频率何时处于或接近奈奎斯特速率。请注意，当 R 或 Q 保持“平坦”（或有间隙）时，另一个信号正在以 Nyquist 速率变化或振荡。这就是为何此时FFT算法能够更准确地测量信号频率的原因。仅使用R采样数据无法实现此结果（就像我们的其它同行的设备所做的那样）。更关键的是，如果只使用信号的实部，相位测量就会受到影响。此外，仅使用实部信号R，相位测量精度取决于信号记录内的周期数。这种正交采样+傅里叶变换分析是Artium的专利技术（相关美国专利 5,808,895）。

如果您对这种先进信号处理技术感兴趣，敬请联系美国Artium公司在国内的独家代理-北京欧兰科技发展有限公司。