光模数转换后端数据处理算法的硬件实现

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模数转换(analog-to-digital conversion, ADC)是现代电子学关键技术之一,它将模拟信号转换为数字信号,在数字信号处理领域有着十分重要的地位,是信号采集的核心。但在电模数转换中,由于电时钟的抖动水平较高,从而使得要对高速宽带信号实现无失真的采样就较为困难,该电子瓶颈制约了电模数转换器的发展,使其对现在的通信领域高速宽带信号日益增长的需求无法满足。光子学技术相比于电子学技术,具有抖动低、精度高、稳定性高、带宽高等特点.电子时钟的抖动目前可以做到100fs左右,而超短光脉冲的抖动在如今的工艺下已经可以达到10fs左右,提高了十倍左右,其应用具有深远的影响,可以提高模数转换的性能.利用光子学技术的特点在光域中进行信号处理,能够显著提高模数转换系统中的采样率以及有效比特位数,克服电采样中的高时钟抖动,对模数转换系统性能的提升具有重要的意义,因此光模数转换在将来会有广阔的应用前景。光模数转换系统中由于光采样通道的不一致性,以及光采样的非线性等,因此需要一定的算法对被采样的信号进行校正和恢复。光模数转换系统由于每个通道自身的不一致性,在对各自通道信号进行采样时,会有随机误差的产生,这样的随机误差会导致采样后的信号与原始信号具有一定的区别,有时甚至是显著的区别,因此利用数据校正技术对各个通道的数据信号进行分析以及对通道特征参数的提取,来去除由于通道自身的不一致而导致的采样信号的偏差,进而根据信号相关性推导得出的信号重构表达式进行失配校正,保证了数据的有效性。本文将光模数转换数据校正算法在FPGA上进行实验、仿真、实现以及从FPGA到PC端的数据传输及显示,完成了整个光模数转换系统中后端数据采样、校正、传输以及可视化处理模块。首先,分析了导致光模数转换系统中光采样通道不一致性的原因,以及在光模数转换系统中应用数据校正恢复算法对数据采样的重要意义。讨论了目前校正恢复算法的现状,比较了不同算法的优劣,并详细阐述本文所采用的光模数转换数据校正恢复算法的原理及优势。其次,描述并分析了系统后端框架及设计原理,阐述了算法实现框架,其中包括了双通道数据校正恢复的实现和多通道数据校正恢复的实现。分析了信号数据流的传输、数据的存储方式以及最后的数据显示模块。然后,在FPGA平台上实现了数据校正恢复算法和传输逻辑的功能模块,详细阐述了双通道算法设计实现流程和原理,以及多通道数据校正恢复算法的设计与实现。最后,搭建了FPGA通过PCI接口与PC端通信平台,仿真验证数据校正恢复算法数据流的传输及算法的正确性,并在PC端使用JAVASWING技术开发了数据的可视化模块,提供图形界面,对校正恢复后的数据进行显示以及处理。测试结果表明,算法在FPGA上实现与MATLAB实现相比的偏差小于1%,可达到光模数转换系统数据校正恢复的效果,论证了此算法在FPGA上实现的可行性。
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