等效时间采样原理及基于FPGA的实现

在现代电子测量、通讯系统以及生物医学等领域，经常涉及对宽带模拟信号进行数据采集和存储，以便计算机进一步进行数据处理。为了对高速模拟信号进行不失真采集，根据奈奎斯特定理， 采样频率必须为信号频率的2 倍以上，但在电阻抗多频及参数成像技术中正交序列数字解调法的抗噪性能对信号每周期的采样点数决定，采样点数越多，抗噪性能越高。 【等效时间采样原理】 等效时间采样（Equivalent Time Sampling, ETS）是一种针对高速模拟信号数据采集的技术，其基本思想是将高频、快速的信号转化为低频的慢速信号，从而降低后续处理的复杂性和硬件要求。在奈奎斯特定理的基础上，常规的实时采样要求采样频率至少是信号最高频率的两倍，以避免信息损失。然而，当信号频率非常高时，高采样率的ADC和处理速度可能成为系统设计的瓶颈。等效时间采样则通过低速ADC配合特定的采样策略，实现了高速信号的高效采集。 等效时间采样主要分为三种类型： 1. 顺序采样：按照固定的时钟间隔在每个周期的相同位置采样。 2. 随机采样：在信号周期内随机选取采样点，以提高抗噪性能。 3. 混合等效采样：结合顺序和随机采样，灵活适应不同场景。 例如，混合等效采样中，信号在一个周期内的不同时间点被采样，然后在后续周期内按照一定的延迟进行后续采样。这样可以在一个完整周期内获得多个采样点，提高数据密度，从而提升抗噪能力。 【基于FPGA的实现】 在实际应用中，FPGA（Field-Programmable Gate Array）因其可编程性、高速处理能力和灵活性，常被用来实现等效时间采样系统。系统通常包括以下几个关键部分： 1. 采样时钟生成：FPGA控制的低速时钟用于驱动ADC进行采样，这个时钟通常是对高频时钟进行分频得到的，以满足低速ADC的要求。 2. 数据采集：ADC在采样时钟的控制下对宽带模拟信号进行采样，并将数字信号传递给FPGA。 3. 数据存储：FPGA内部的FIFO（First-In-First-Out）存储器用于暂存来自ADC的数据，确保数据传输的连续性和一致性。 4. 数据传输：FPGA将FIFO中的数据通过USB接口传送到计算机，进行进一步的数据处理和重构。 在FPGA的程序实现中，关键在于生成符合等效时间采样策略的时钟信号。代码示例中，SAMP_CONTS和ADC_CLK_BANK等信号用于控制分频和采样，CLK_CNT用于计数，EN作为使能信号，而CLK_TANK则是最终输出给ADC的采样时钟。 通过FPGA实现的等效时间采样系统，不仅能够有效地应对高速模拟信号的采集挑战，还能够通过灵活的采样策略优化抗噪性能，降低了系统设计的复杂性和成本。这种技术在现代电子测量、通信系统和生物医学领域有着广泛的应用前景。