Artium （ASA）先进信号处理器

Artium的ASA是激光多普勒测速（LDV）和相位多普勒干涉仪（PDI）应用中非常先进的信号处理器。它基于傅里叶变换原理，具有多项创新技术，实现卓越性能。由PDI光学器件收集的光信号通过PMT/前置放大系统转换为电压信号。该信号经过高通滤波和放大，然后馈送到ASA模拟部分。在模拟部分，信号与软件可选的可变正交混频器混合。正交混频器的输出经过低通滤波以提高信号信噪比。模拟部分的正交输出以软件可选的采样率进行采样和离散化。离散化的信号再应用于相位域脉冲检测器。相位脉冲检测器（PBD）输出与模拟脉冲检测器输出结合，然后用作自适应采样电路的输入。每个多普勒脉冲的采样数据被打包成单个数据包。数据包带有其他相关信息（到达时间、渡越时间和外部输入数据）的时间戳，并通过高速PCI接口卡传输到计算机。

傅里叶变换方法

Artium使用傅里叶分析来测量信号频率。因此，我们以略高于奈奎斯特率的速率或采样频率（fs）对信号进行采样。奈奎斯特率是最大信号频率的两倍。文章《Aliasing》（Olshausen，2000年）解释了为什么没有必要以高于奈奎斯特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的论文显示，傅里叶变换方法提供了最佳的频率和相位测量精度结果。在信号信噪比为0 dB时，频率测量精度与信号传输时间（T）内的采样数（N）成反比。为了达到这个分辨率，我们计算覆盖范围为-fs/2到fs/2的N^3个频率的傅里叶变换。对于LDV应用，拥有0.1%的频率测量分辨率就足够了。因此，没有必要计算超过（64N）个频率的傅里叶变换（以获得更好的1/(64N)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。我们使用最大采样频率为320 MHz，以确保处理160 MHz频率的信号。不需要以更高的速率进行采样。如果需要，可增加处理器频率带宽到190 MHz（即在10 MHz至200 MHz范围内处理信号），用户可以选择将采样频率增加到400 MHz。

不同傅里叶变换方法的比较

类似仪器的制造商采用“计数器”技术来测量信号频率。例如，如果计数器时钟（有时错误地称为采样频率）= fs，传输时间为T，则在传输时间T内最多有N个计数（其中N=1/(Tfs)）。因此，频率测量分辨率不超过1/N = 1/(Tfs)。这种测量分辨率只有在信号信噪比高于10 dB时才可能实现。对于信噪比较低的情况，由于噪声引起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损。

为了证明傅里叶变换方法优于计数器技术，考虑一个传输时间T为50 ns的多普勒信号。对于采样频率（fs）为400 MHz，样本数由(Tfs) = 20样本给出。因此，通过Artium处理器获得的频率分辨率由1/(6420) ~ 0.12%给出。然而，通过计数器技术处理器获得的频率分辨率为1/(20) = 4%。

我们必须强调，计数器技术处理器基于一种过时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）之前提高信号信噪比。自相关仅在提高信号信噪比方面提供有限优势。然而，计数器技术处理器仍然受到因计数额外零交叉而产生偏差结果的众所周知的缺点的影响。

应指出的是，Artium是唯一一家按照Rife和Boorstyn所述执行傅里叶分析（或傅里叶方法）的公司；使用正交信号（实部R(t)及其希尔伯特变换Q(t)形成复变量信号R(t) + i Q(t)，其中i是-1的平方根）来计算信号的傅里叶变换。同行的其他类型处理器则仅使用信号的实部。

使用正交采样的一个关键优势是它能够检测信号频率是否正在或接近奈奎斯特率。请注意，当R或Q保持平坦（或有间隙）时，另一个信号正在以奈奎斯特率变化或振荡。这就是为什么FFT算法能够准确测量信号频率的原因。仅使用R采样数据（这是我们同行设备的情况）无法实现这一结果。更关键的是，如果仅使用信号的实部，相位测量将受到影响。此外，仅使用实信号R，相位测量精度取决于信号记录中的周期数。美国专利5,808,895”

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