利用信號平均技術消除噪聲干擾的探究

許多高速數據采集應用，如激光雷達或光纖測試等，都需要從嘈雜的環境中采集小的重復信號，因此對于數據采集系統的設計來說，最大的挑戰就是如何最大限度地減少噪聲的影響。利用信號平均技術，可以讓您的測量測試系統獲取更加可靠的、更加有效的測試數據。
　　通常情況下，在模擬信號的測試中，所采集到的數據往往夾雜著一些不需要的、隨機的內容，這些數據是由周圍的干擾或者測試誤差所引起的，我們稱之為隨機噪聲，這種噪聲可能會影響我們的目標信號，也就是我們需要采集的數據。而采用信號平均技術，則可以減少隨機噪聲的影響，提升信噪比（SNR），并且最大程度的減少對目標信號的影響，從而提高數據采集的精度和動態范圍。具體來說，凌華科技的數據平均模式（DAM，Data Average Mode）就是提供了這樣一個高水準的信號平均功能。
　　FPGA的優勢
　　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。當測量測試系統所需的采樣率低于幾千赫茲時，通常采用基于DSP的解決方案。但是，當測量測試系統所需的采樣率比較高時，基于FPGA（Field-programmable Gate Array）的解決方案則是更好的選擇。因為DSP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架構和核心處理器，這會導致過多的占用系統資源，增加處理時間。而FPGA由于提供了多個門陣列（Gate）和內存塊（RAM Block），可以組成乘法器（Multiplier）、寄存器（Registers）和其他邏輯單元，從而可以實現快速的運算。因此，目前許多高性能的應用大都采用基于FPGA的解決方案。
　　凌華科技大部分的高速數字化儀都提供了板載的FPGA功能，對于需要高速高帶寬的實時采集應用來說是非常合適的?；贔PGA功能的板卡支持板載的實時數據處理功能，如信號平均，這樣可以減少在主機上運行的信號平均任務。并且就處理速度而言，在FPGA上執行信號平均要比在主機上執行快得多，并且不會占用主機CPU的任何資源。
　　消除噪聲干擾，提升重復信號采樣的精準度
　　在模擬信號的測試中，所采集到的數據中常常包含了一些噪聲（如諧波分量，調制邊帶等），可能會掩蓋我們所感興趣的信號或它的諧波分量，調制邊帶modulation sideband等。眾所周知，由于隨機噪聲的期望值為零，使得信號平均技術成為一種簡單且有效的解決方案，可以在周期性或重復的信號中消除隨機噪聲。PCIe-9852的信號平均模式就是按照下面的原理進行工作的。在重觸發（Re-trigger）模式下，重復采集R次N采樣點，且觸發源為外部的數字或模擬信號，每次采集的數據都會儲存在相同的板載緩存中，并且在沒有軟件干預的情況下由FPGA自動進行累計。當R次重觸發完成后，FPGA將累計的數據除以R后得到一個平均數，并將該平均數交給主機電腦。所有的數據（包含平均數）都會逐個的用軌跡表示出來，從而減少噪聲，讓數據更接近目標數據。下圖顯示了PCIe-9852的數據平均模式在數據采集和降噪方面的對比結果。
　　
　　圖1 – 1k Hz單通道采集，帶噪聲的3.6vpp正弦波
　　
　　圖2- 100個平均周期后的正弦波
　　PCIe-9852數據平均模式最大的一個優點就是節約很多存儲空間。在主機上利用軟件進行信號平均，需要為N（每個軌跡的采樣點）x R（重觸發次數）個采樣預留內存空間，而PCIe-9852數據平均模式僅需要預留為N個采樣預留內存空間，因為每個采樣都會存儲在相同的板載緩沖中，并且在平均之后才交給主機。由于數據變得更小，因此，信號平均模式的數據傳輸時間花費更少。