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一種基于全數(shù)字化技術(shù)的束流位置和相位測(cè)量系統(tǒng)及方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于全數(shù)字化技術(shù)的束流位置和相位測(cè)量系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)包括模擬前端部分和數(shù)字處理部分，模擬前端部分利用欠采樣技術(shù)對(duì)來(lái)自束流位置探測(cè)器的輸入信號(hào)進(jìn)行欠采樣，通過(guò)數(shù)字化控制的鎖相環(huán)精確調(diào)節(jié)采樣率，使之為束流位置探測(cè)器輸入信號(hào)欠采樣后數(shù)字中頻信號(hào)頻率的4倍，直接獲取束流位置探測(cè)器輸入信號(hào)的數(shù)字正交序列；數(shù)字處理部分對(duì)模擬前端部分采樣獲取的數(shù)字正交序列進(jìn)行數(shù)字處理，同時(shí)測(cè)量加速器束流位置和相位，并實(shí)現(xiàn)相位的實(shí)時(shí)在線(xiàn)修正。本發(fā)明將數(shù)字處理模塊集中在單片F(xiàn)PGA中，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。同時(shí)恰當(dāng)?shù)牟蓸勇剩沟媒?jīng)過(guò)ADC采樣后直接得到輸入信號(hào)的正交序列，大大簡(jiǎn)化了信號(hào)的相位和幅度的數(shù)字處理算法。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種基于全數(shù)字化技術(shù)的束流位置和相位測(cè)量系統(tǒng)及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及加速器束流診斷領(lǐng)域，尤其涉及一種基于全數(shù)字化技術(shù)的加速器束流位置和相位測(cè)量系統(tǒng)及方法。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著人們對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)以及對(duì)微觀(guān)粒子研究逐漸深入，天然放射性粒子和宇宙射線(xiàn)不能滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)要求，于是粒子加速器應(yīng)運(yùn)而生。粒子加速器的種類(lèi)很多，不同加速器的能量、亮度等特征參數(shù)各不相同。為了使束流達(dá)到所需的特性，需要對(duì)其進(jìn)行束流監(jiān)控和進(jìn)行反饋控制。因此，束流測(cè)量系統(tǒng)(也可稱(chēng)為束流診斷系統(tǒng))是加速器不可或缺的一部分，國(guó)內(nèi)外的加速器實(shí)驗(yàn)裝置均有配套的束流測(cè)量系統(tǒng)。
[0003]束流測(cè)量系統(tǒng)由各種束流探測(cè)器、信號(hào)處理電子學(xué)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成。
[0004]束流橫截面的位置是加速器必須關(guān)心的束流參數(shù)，其測(cè)量方式根據(jù)不同的物理效應(yīng)有多重類(lèi)型的探測(cè)器。如非阻擋性的壁電流檢測(cè)器、位置探測(cè)器(Beam Posit1nMonitors)、同步光成像和有一定干擾的絲檢測(cè)器等。其中作為非阻擋性的探測(cè)器，基于電磁效應(yīng)BPM探測(cè)器是近年來(lái)束流加速器中最常用的位置探測(cè)器。BPM探測(cè)器電極感應(yīng)信號(hào)是窄脈沖信號(hào)，而對(duì)于固定波形的脈沖信號(hào)，其幅度與其諧波的幅度有固定比例關(guān)系，因此可以通過(guò)測(cè)量某一頻率成分的幅度來(lái)反推電極信號(hào)幅度。
[0005]BPM探測(cè)器電極引出信號(hào)需要通過(guò)電子學(xué)模塊進(jìn)行處理，才能獲得最終的相位和位置數(shù)據(jù)。常用的電子學(xué)處理方法是正交分析法。通過(guò)正交分析的方法，可以同時(shí)得到BPM探測(cè)器感應(yīng)信號(hào)的相位和幅度信息。而“差和比”算法則可以直接利用BPM探測(cè)器感應(yīng)信號(hào)通過(guò)正交分析方法得到的幅度信息，計(jì)算出束流的位置信息。所以，正交分析的方法，可以同時(shí)得到束流的位置和相位信息。將束流的位置測(cè)量和相位測(cè)量集成在一套測(cè)量系統(tǒng)中，可以大大簡(jiǎn)化束流診斷系統(tǒng)的復(fù)雜度，提高系統(tǒng)的集成度。
[0006]正交分析方法的核心就是獲得信號(hào)的正交分量。只有獲得信號(hào)的正交分量，才能計(jì)算束流信號(hào)的幅度和相位參量。正交分析的具體電子學(xué)實(shí)現(xiàn)方法，在系統(tǒng)的電子學(xué)發(fā)展進(jìn)程上可以分為三代。
[0007]第一代測(cè)量系統(tǒng)受早期模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(Analog-to-digital converter,ADC)技術(shù)和數(shù)字信號(hào)處理器(Digital signal processor, DSP)技術(shù)的限制，需要將射頻信號(hào)降頻到低頻信號(hào)域處理。降頻模塊主要由模擬電路領(lǐng)域中的頻率變換技術(shù)實(shí)現(xiàn)。最后經(jīng)過(guò)ADC，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，進(jìn)而進(jìn)行處理。典型的電子學(xué)結(jié)構(gòu)是:射頻輸入信號(hào)基于模擬正交(In-phase and Quadrature, IQ)解調(diào)的技術(shù),經(jīng)過(guò)一級(jí)或者多級(jí)模擬下變頻單元，降頻為直流，然后經(jīng)過(guò)低速的ADC進(jìn)行數(shù)字化。其降頻處理模塊和正交解調(diào)模塊均由模擬電路實(shí)現(xiàn)。這一代測(cè)量系統(tǒng)可以認(rèn)為是一種全模擬測(cè)量系統(tǒng)。由于模擬電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，且模擬器件本身存在非線(xiàn)性和噪聲，系統(tǒng)的集成度和性能受到限制。
[0008]第二代測(cè)量系統(tǒng)基于A(yíng)DC和DSP技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，模擬數(shù)字變換速度和DSP計(jì)算速度的提高，可以對(duì)頻率更高的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化。典型的電子學(xué)結(jié)構(gòu)是:射頻輸入信號(hào)先經(jīng)過(guò)一級(jí)模擬下變頻，將信號(hào)頻率降頻為中頻信號(hào)；再直接經(jīng)過(guò)ADC對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行模數(shù)變換；然后通過(guò)數(shù)字下變頻、數(shù)字解調(diào)和數(shù)字濾波，或者直接中頻正交采樣，得到信號(hào)的數(shù)字化正交分量；最后通過(guò)DSP進(jìn)行處理。這一代測(cè)量系統(tǒng)，除了第一級(jí)模擬下變頻外，模數(shù)變換之后的處理過(guò)程都集中在數(shù)字域中。可以認(rèn)為第二代測(cè)量系統(tǒng)是一種半模擬半數(shù)字化的測(cè)量系統(tǒng)。由于部分的信號(hào)處理都搬移到了數(shù)字領(lǐng)域，因此相對(duì)于第一代束測(cè)系統(tǒng)而言，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的電子學(xué)結(jié)構(gòu)，但是仍包含一定的模擬電路部分，因此對(duì)于系統(tǒng)性能的提升仍有一定的限制。
[0009]隨著ADC技術(shù)朝著更高速和更高精度發(fā)展進(jìn)步，第三代測(cè)量系統(tǒng)則趨向于全數(shù)字化的方向發(fā)展。典型的電子學(xué)結(jié)構(gòu)是:射頻輸入信號(hào)直接經(jīng)過(guò)ADC進(jìn)行數(shù)字化，通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理來(lái)計(jì)算束流參數(shù)。第三代束測(cè)技術(shù)的典型代表是數(shù)字IQ解調(diào)，其核心是基于數(shù)字信號(hào)處理方法實(shí)現(xiàn)模擬IQ解調(diào)的功能。相比于第一代的和第二代電路結(jié)構(gòu)，第三代的全數(shù)字化束測(cè)方法大大簡(jiǎn)化了電子學(xué)系統(tǒng)的復(fù)雜程度，但是數(shù)字IQ解調(diào)的算法過(guò)于復(fù)雜。為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化數(shù)字信號(hào)處理過(guò)程，我們提出了本發(fā)明中的新型全數(shù)字化電子學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法:基于欠采樣實(shí)現(xiàn)頻率變換過(guò)程；同時(shí)，基于當(dāng)代的高精度鎖相環(huán)電路的發(fā)展，通過(guò)選擇合適的采樣率，使得ADC采樣率恰好為輸入射頻信號(hào)欠采樣后數(shù)字中頻信號(hào)頻率的4倍，即可以直接通過(guò)欠采樣獲得I和Q序列。在滿(mǎn)足這種特殊的采樣率條件下，可以通過(guò)模擬數(shù)字變換直接獲得正交分量，同時(shí)最大程度地簡(jiǎn)化了模擬電路的復(fù)雜度和數(shù)字信號(hào)處理算法的復(fù)雜度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0010](一)要解決的技術(shù)問(wèn)題
[0011]有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種基于全數(shù)字化技術(shù)的加速器束流位置和相位測(cè)量系統(tǒng)及方法，以采用簡(jiǎn)單的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)同時(shí)實(shí)現(xiàn)束流的位置和相位測(cè)量。
[0012](二)技術(shù)方案
[0013]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種基于全數(shù)字化技術(shù)的束流位置和相位測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括模擬前端部分和數(shù)字處理部分，其中:模擬前端部分，利用欠采樣技術(shù)對(duì)來(lái)自束流位置探測(cè)器的輸入信號(hào)進(jìn)行欠采樣，通過(guò)數(shù)字化控制的鎖相環(huán)精確調(diào)節(jié)采樣率，使之為束流位置探測(cè)器輸入信號(hào)欠采樣后數(shù)字中頻信號(hào)頻率的4倍，直接獲取束流位置探測(cè)器輸入信號(hào)的數(shù)字正交序列，以計(jì)算輸入信號(hào)的幅度和相位信息；數(shù)字處理部分，對(duì)模擬前端部分采樣獲取的數(shù)字正交序列進(jìn)行數(shù)字處理，同時(shí)測(cè)量加速器束流位置和相位，并通過(guò)坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)的算法實(shí)現(xiàn)相位的實(shí)時(shí)在線(xiàn)修正。
[0014]優(yōu)選地，該模擬前端部分包括位置探測(cè)器信號(hào)模擬濾波及增益調(diào)節(jié)單元，參考信號(hào)模擬濾波及增益調(diào)節(jié)單元，時(shí)鐘產(chǎn)生單元和模擬數(shù)字變換單元，其中:
[0015]位置探測(cè)器信號(hào)模擬濾波及增益調(diào)節(jié)單元，濾除位置探測(cè)器BPM信號(hào)的帶外諧波，獲取二次諧波成分，并調(diào)節(jié)其幅度以適應(yīng)模擬數(shù)字變換單元的量程；
[0016]參考信號(hào)模擬濾波及增益調(diào)節(jié)單元，對(duì)參考信號(hào)進(jìn)行幅度調(diào)整及帶通濾波，濾出基頻成分，輸出給模擬數(shù)字變換單元及時(shí)鐘產(chǎn)生單元；
[0017]時(shí)鐘產(chǎn)生單元，將參考信號(hào)作為輸入時(shí)鐘，使用數(shù)字化控制的鎖相環(huán)(Phase-locked-loop,PLL)精確調(diào)整輸出時(shí)鐘的頻率，以滿(mǎn)足模擬數(shù)字變換采樣率的要求，并扇出給模擬數(shù)字變換單元作為采樣時(shí)鐘；
[0018]模擬數(shù)字變換單元，接收位置探測(cè)器信號(hào)模擬濾波及增益調(diào)節(jié)單元和參考信號(hào)模擬濾波及增益調(diào)節(jié)單元輸入的單頻模擬信號(hào)，通過(guò)高速高精度模擬數(shù)字變換器(ADC)，將模擬信號(hào)數(shù)字化，輸出至數(shù)字處理部分。
[0019]優(yōu)選地，該位置探測(cè)器信號(hào)模擬濾波及增益調(diào)節(jié)單元和該參考信號(hào)模擬濾波及增益調(diào)節(jié)單元均由級(jí)聯(lián)的帶通濾波器和增益調(diào)節(jié)元件構(gòu)成，輸入信號(hào)在進(jìn)行AD變換之前，先經(jīng)過(guò)該級(jí)聯(lián)的帶通濾波器和增益調(diào)節(jié)元件。在該級(jí)聯(lián)的帶通濾波器和增益調(diào)節(jié)元件中，第一級(jí)聲表面濾波器抽取輸入信號(hào)中的特征信號(hào)頻率成分，降低帶外諧波及噪聲；中間級(jí)帶通濾波器用以降低幅度調(diào)節(jié)單元的非線(xiàn)性帶來(lái)的諧波，同時(shí)進(jìn)一步抑制帶外噪聲；最后一級(jí)濾波器用以最終濾除前端所有模擬電路非線(xiàn)性帶來(lái)的諧波及帶外噪聲，進(jìn)一步提高信號(hào)的信號(hào)噪聲諧波比(Signal-to-noise and distort1n rat1, SINAD)。
[0020]優(yōu)選地，該時(shí)鐘產(chǎn)生單元提供的高精度時(shí)鐘，滿(mǎn)足采樣率為束流位置探測(cè)器輸入信號(hào)欠采樣后數(shù)字中頻信號(hào)頻率的4倍，直接獲取束流位置探測(cè)器輸入信號(hào)的正交IQ序列(I，Q, -1, -Q)，每個(gè)周期包含4個(gè)采樣點(diǎn)，即相鄰的采樣點(diǎn)相位相差90度。
[0021]優(yōu)選地，該數(shù)字處理部分包括ADC數(shù)據(jù)接收單元，IQ抽取單元，IQ相位修正單元，“和信號(hào)” IQ計(jì)算單元，幅度及相位計(jì)算單元，位置及相位差計(jì)算單元，有限脈沖響應(yīng)(Finite Impulse Response, FIR)濾波及平均處理單元,數(shù)據(jù)傳輸接口單元和前端控制邏輯單元，其中:
[0022]ADC數(shù)據(jù)接收單元，接收模擬前端部分采集的數(shù)據(jù),將8bit雙倍數(shù)據(jù)速率的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為16bit的單倍速率數(shù)據(jù)，并在存儲(chǔ)空間中緩存，從緩存中讀取數(shù)據(jù)輸入IQ抽取單元;
[0023]IQ抽取單元，接收從ADC數(shù)據(jù)接收單元的緩存中讀取的數(shù)據(jù)，從該數(shù)據(jù)中抽取正交IQ數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)平均處理后送入IQ相位修正單元處理；
[0024]IQ相位修正單元，對(duì)正交IQ數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，消除4個(gè)BPM感應(yīng)信號(hào)通道和參考信號(hào)通道的輸入信號(hào)到ADC輸入端的延時(shí)不一致性以及ADC采樣時(shí)鐘相位不一致性，之后將IQ數(shù)據(jù)送入“和信號(hào)” IQ計(jì)算單元以及幅度及相位計(jì)算單元；
[0025]“和信號(hào)”IQ計(jì)算單元，將4個(gè)BPM感應(yīng)信號(hào)通道修正后的IQ數(shù)據(jù)通過(guò)求和運(yùn)算，得到“和信號(hào)”的IQ數(shù)據(jù)輸出至幅度及相位計(jì)算單元，以計(jì)算“和信號(hào)”的相位；
[0026]幅度及相位計(jì)算單元，使用各通道修正后的IQ數(shù)據(jù)計(jì)算出4個(gè)BPM感應(yīng)信號(hào)通道及參考信號(hào)通道共5個(gè)通道的幅度和相位值，使用“和信號(hào)”的IQ數(shù)據(jù)計(jì)算出“和信號(hào)”的相位值，送入位置及相位差計(jì)算單元；
[0027]位置及相位差計(jì)算單元，利用計(jì)算得到的4個(gè)BPM感應(yīng)信號(hào)的幅度，計(jì)算出束流截面上的X和Y方向的位置；同時(shí)，利用“和信號(hào)”的相位與參考信號(hào)的相位計(jì)算束流相位，計(jì)算得到的位置數(shù)據(jù)和相位數(shù)據(jù)被送入FIR濾波及平均單元；
[0028]FIR濾波及平均處理單元，接收位置數(shù)據(jù)和相位數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)FIR數(shù)字濾波器和平均處理，降低數(shù)據(jù)更新率，同時(shí)濾除高頻噪聲，處理后的數(shù)據(jù)被傳輸至數(shù)據(jù)傳輸接口單元；
[0029]數(shù)據(jù)傳輸接口單元，對(duì)輸入的位置和相位數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，并發(fā)送到系統(tǒng)控制器存儲(chǔ)，同時(shí)，接收控制命令并將其發(fā)送到前端控制邏輯單元；
[0030]前端控制邏輯單元，接收數(shù)據(jù)傳輸接口接收的控制命令，產(chǎn)生控制信號(hào)，對(duì)模擬前端進(jìn)行控制和配置。
[0031]優(yōu)選地，該IQ抽取單元接收從ADC數(shù)據(jù)接收單元的緩存中讀取的數(shù)據(jù)，從該數(shù)據(jù)中抽取正交IQ數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)平均處理后送入相位修正單元處理，具體包括:該IQ抽取單元接收從ADC數(shù)據(jù)接收單元的緩存中讀取的數(shù)據(jù)，依據(jù)模擬數(shù)字變換單元的特點(diǎn)抽取正交IQ數(shù)據(jù)；對(duì)于BPM信號(hào)通道，每4個(gè)相鄰的采樣點(diǎn)依次為1、Q、-1、-Q ;對(duì)于參考信號(hào)通道，相鄰8個(gè)采樣點(diǎn)中，間隔一個(gè)點(diǎn)抽取一個(gè)，抽出的4個(gè)點(diǎn)依次為1、Q、-1、_Q ;依此原則，分別得到BPM通道和參考信號(hào)通道的正交數(shù)據(jù)點(diǎn)；通過(guò)平均處理，調(diào)整IQ數(shù)據(jù)率，保持?jǐn)?shù)據(jù)率一致，送入相位修正單元。
[0032]優(yōu)選地，該IQ相位修正單元對(duì)正交IQ數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，是利用坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)的方法實(shí)現(xiàn)的。
[0033]優(yōu)選地，該“和信號(hào)” IQ計(jì)算單元在計(jì)算“和信號(hào)”的相位時(shí)，先通過(guò)對(duì)單通道采樣得到的正交序列進(jìn)行旋轉(zhuǎn)變換，修正因?yàn)橥ǖ乐g相位延遲的不一致性而導(dǎo)致的相位偏差，再對(duì)旋轉(zhuǎn)后的正交序列求和，得到修正后的“和信號(hào)”的正交序列，進(jìn)而計(jì)算出修正后“和信號(hào)”的相位。
[0034]優(yōu)選地，該數(shù)字處理部分包括的ADC數(shù)據(jù)接收單元，IQ抽取單元，IQ相位修正單元，“和信號(hào)” IQ計(jì)算單元，幅度及相位計(jì)算單元，位置及相位差計(jì)算單元，F(xiàn)IR濾波及平均處理單元，數(shù)據(jù)傳輸接口單元和前端控制邏輯單元集成在單片現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(Fiel d-programmab I e-gat e-array, FPGA)上。
[0035]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明還提供了一種基于全數(shù)字化技術(shù)的束流位置和相位測(cè)量方法，該方法包括:模擬前端部分利用欠采樣技術(shù)對(duì)來(lái)自束流位置探測(cè)器的輸入信號(hào)進(jìn)行欠采樣，利用數(shù)字化控制的鎖相環(huán)精確調(diào)節(jié)采樣率，使之為束流位置探測(cè)器輸入信號(hào)欠采樣后數(shù)字中頻信號(hào)頻率的4倍，直接獲取束流位置探測(cè)器輸入信號(hào)的數(shù)字正交序列，以計(jì)算輸入信號(hào)的幅度和相位信息；數(shù)字處理部分對(duì)模擬前端部分采樣獲取的信號(hào)數(shù)字正交序列進(jìn)行數(shù)字處理，同時(shí)測(cè)量加速器束流位置和相位，并利用坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)的算法實(shí)現(xiàn)相位的實(shí)時(shí)在線(xiàn)修正。
[0036](三)有益效果
[0037]本發(fā)明提供的基于全數(shù)字化技術(shù)的加速器束流位置和相位測(cè)量系統(tǒng)及方法，具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0038]1、本發(fā)明通過(guò)欠采樣，直接將高頻信號(hào)數(shù)字化；同時(shí)，通過(guò)微調(diào)采樣率，使得采樣率恰好為輸入信號(hào)欠采樣后的數(shù)字中頻信號(hào)頻率的4倍，從而直接獲取數(shù)字化正交IQ序列。系統(tǒng)所有的信號(hào)處理過(guò)程都集中在數(shù)字域之中，避免了復(fù)雜的模擬處理過(guò)程，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)；同時(shí)，直接獲取數(shù)字化IQ序列，大大簡(jiǎn)化了數(shù)字處理算法的設(shè)計(jì)。
[0039]2、本發(fā)明采用經(jīng)過(guò)布局優(yōu)化的濾波器級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，完成信號(hào)特定諧波成分的抽取，同時(shí)濾除其他諧波成分和帶外噪聲，提高信號(hào)的信號(hào)噪聲諧波比，進(jìn)而提高系統(tǒng)測(cè)量的精度性能。
[0040]3、本發(fā)明基于“和信號(hào)”相位測(cè)量來(lái)消除位置-相位依賴(lài)性，針對(duì)4個(gè)信號(hào)通道延時(shí)的不一致性，在數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域中采用坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)的方法進(jìn)行實(shí)時(shí)相位調(diào)整，確保獲得準(zhǔn)確的“和信號(hào)”。同時(shí)，通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理方法來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)的相位補(bǔ)償，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。
[0041]4、本發(fā)明所有的數(shù)字信號(hào)處理都集中在一片F(xiàn)PGA中，大大提高了系統(tǒng)的集成度。同時(shí)FPGA的可編程特性，也使得系統(tǒng)數(shù)字處理算法和數(shù)據(jù)接口靈活多變，可以根據(jù)需要進(jìn)行定制。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0042]圖1為依照本發(fā)明實(shí)施例的基于全數(shù)字化技術(shù)的加速器束流位置和相位測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0043]圖2為圖1中數(shù)字處理部分的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0044]圖3為圖1中模擬濾波及增益調(diào)節(jié)單元的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0045]圖4為依照本發(fā)明實(shí)施例的325MHz射頻信號(hào)欠采樣頻域的示意圖；
[0046]圖5為依照本發(fā)明實(shí)施例的162.5MHz相位參考信號(hào)欠采樣頻域的示意圖；
[0047]圖6為依照本發(fā)明實(shí)施例的BPM信號(hào)與相位參考信號(hào)IQ采樣抽取的示意圖；
[0048]圖7為依照本發(fā)明實(shí)施例的相位修正原理的示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0049]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0050]本發(fā)明提出的基于全數(shù)字化技術(shù)的加速器束流位置和相位測(cè)量系統(tǒng)及方法，主要利用帶通濾波器，抽取探測(cè)器感應(yīng)信號(hào)的特征信號(hào)頻率成分進(jìn)行測(cè)量分析；通過(guò)欠采樣技術(shù)，選擇特殊的采樣率，直接獲得數(shù)字中頻信號(hào)的IQ數(shù)據(jù)；同時(shí)利用正弦波的IQ分析技術(shù)，計(jì)算射頻信號(hào)的幅度和相位；之后利用幅度信息，通過(guò)“差和比”的計(jì)算方法計(jì)算束流位置。具體原理如下:
[0051]1、特征頻率分量抽取
[0052]若射頻信號(hào)的重復(fù)頻率為&，則其諧波頻率為(I X f0)，f2 (2 X f0)，f3 (3 X f0)等等。選取n次諧波成分為系統(tǒng)的測(cè)量信號(hào)，則選取諧波頻率在濾波器通帶范圍之內(nèi)的帶通濾波器，通過(guò)帶通濾波器，抑制帶外其它諧波和噪聲，抽取信號(hào)的第η次諧波，同時(shí)提高信號(hào)的信號(hào)噪聲諧波比。由于輸入信號(hào)的高次諧波成分幅度較小，需要將其放大，適應(yīng)ADC的量程，以充分利用ADC的高精度性能。采用濾波器位置特別優(yōu)化的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，先經(jīng)過(guò)一級(jí)濾波器，抽取特征信號(hào)頻率，再經(jīng)過(guò)射頻放大器和衰減器構(gòu)成的幅度調(diào)節(jié)單元，將信號(hào)放大到適當(dāng)?shù)姆取Ｔ俳?jīng)過(guò)一級(jí)濾波器，濾除放大器非線(xiàn)性帶來(lái)的諧波。再經(jīng)過(guò)一級(jí)射頻放大器和衰減器構(gòu)成的幅度調(diào)節(jié)單元，實(shí)現(xiàn)大動(dòng)態(tài)范圍的輸入信號(hào)測(cè)量。最后在A(yíng)DC前端，通過(guò)一級(jí)濾波器，濾除幅度調(diào)節(jié)單元的非線(xiàn)性帶來(lái)的諧波和帶外噪聲，進(jìn)一步提高ADC采樣信號(hào)的質(zhì)量。本發(fā)明的測(cè)量系統(tǒng)抽取BPM輸出信號(hào)的2次諧波作為測(cè)量信號(hào)。
[0053]2、采樣頻率的選擇
[0054]對(duì)于正弦波信號(hào)，采用正交分析方法，可以很簡(jiǎn)單的計(jì)算得到正弦波的幅度和相位。其關(guān)鍵在于得到正弦波正交的數(shù)據(jù)點(diǎn)，即相位相差90度的點(diǎn)。
[0055]對(duì)于輸入信號(hào)頻率很高時(shí)，采用一般的采樣方式，采樣率要求較高，相應(yīng)的ADC芯片的相關(guān)參數(shù)也有較高的要求，甚至難以達(dá)到。而經(jīng)過(guò)頻域的分析，對(duì)于一些滿(mǎn)足一定要求的輸入信號(hào)，可以選擇米樣率小于輸入信號(hào)的頻率，同樣可以完整的獲取輸入信號(hào)的幅度和相位信息。在此條件下，通過(guò)選擇特殊的采樣率，可以使得采樣率為輸入信號(hào)采樣后數(shù)字中頻信號(hào)頻率的4倍，恰好可以得到相位相差90度的IQ數(shù)據(jù)點(diǎn)。
[0056]而對(duì)于本發(fā)明的測(cè)量系統(tǒng)而言，測(cè)量信號(hào)為單頻信號(hào)，可以通過(guò)欠采樣，使用相對(duì)較低的采樣率進(jìn)行數(shù)字化。在此條件下，若要獲取輸入信號(hào)的正交數(shù)據(jù)序列，采樣頻率必須滿(mǎn)足一定的條件。
[0057]對(duì)于頻率為fin測(cè)量信號(hào)，則欠采樣率fs依據(jù)如下公式選取:

4
[0058]fs =TVJ-:-A

AM 土 I
[0059]其中M為自然數(shù)，也是欠采樣過(guò)程中，由輸入信號(hào)頻率到數(shù)字中頻信號(hào)頻率間頻譜搬移次數(shù)。fins測(cè)量系統(tǒng)的待測(cè)信號(hào)頻率。選取適當(dāng)?shù)膮?shù)M，即可以確定采樣率fs。選取如上公式所確定的采樣率，ADC所采樣到的數(shù)據(jù)序列，恰好每個(gè)中頻信號(hào)周期內(nèi)等間距的分布4個(gè)米樣點(diǎn)，即每個(gè)米樣點(diǎn)相位相差90度。
[0060]3、相位修正計(jì)算
[0061]BPM探測(cè)器輸出的4路感應(yīng)信號(hào)的相位與束流在BPM探測(cè)器截面的位置存在依賴(lài)關(guān)系，因此不能使用單路信號(hào)相位測(cè)量結(jié)果表征束流的相位。而4路感應(yīng)信號(hào)的“和信號(hào)”的相位值則與束流位置之間則沒(méi)有此依賴(lài)關(guān)系，所以可以通過(guò)測(cè)量“和信號(hào)”的相位值來(lái)表征束流相位。但是，在全數(shù)字化的處理方法中，在進(jìn)行數(shù)字信號(hào)求和之前，4路信號(hào)要分別輸入增益調(diào)整和濾波器級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)進(jìn)行信號(hào)放大和濾波，而電子學(xué)通道的不一致性會(huì)對(duì)求和之前的各路信號(hào)帶來(lái)相位延遲的不一致性，因此必須進(jìn)行系統(tǒng)的標(biāo)定和修正。在本發(fā)明專(zhuān)利中提出一種標(biāo)定和修正方法，可以通過(guò)FPGA實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的相位修正。
[0062]如前文所述，為了正確計(jì)算“和信號(hào)”，必須使得4個(gè)通道采樣得到的IQ序列的相位和各通道信號(hào)進(jìn)入測(cè)量系統(tǒng)時(shí)的相位之間的相位差保持一致，這樣才可以通過(guò)各通道間I和Q分別求和，得到“和信號(hào)”的I和Q，即正確求得“和信號(hào)”。我們提出基于坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)原理，根據(jù)4個(gè)通道相移標(biāo)定結(jié)果分別實(shí)現(xiàn)對(duì)各通道信號(hào)的相位調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)相位修正。欠采樣得到的正交序列在每個(gè)數(shù)字中頻信號(hào)周期內(nèi)的采樣點(diǎn)為1、Q、-1、_Q。將I和Q視為正交坐標(biāo)系中的一個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，可以通過(guò)坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)，計(jì)算得到旋轉(zhuǎn)一定角度后的坐標(biāo)，因此IQ序列相位修正可以依據(jù)如下算法:
[0063]I' = cos θ X 1-sin Θ XQ
[0064]Q' = cos θ XQ+sin θ XI
[0065]其中Θ為相位修正值，I'和Q'為修正后的IQ序列。
[0066]分別對(duì)4個(gè)BPM信號(hào)通道的IQ序列進(jìn)行相位修正后，得到的修正后的I'Q'，再計(jì)算“和信號(hào)”的正交序列，之后就可以計(jì)算出“和信號(hào)”的相位。
[0067]4、幅度和相位計(jì)算
[0068]依據(jù)三角函數(shù)關(guān)系:cos2 Θ+sin2 Θ = 1，可以計(jì)算出正弦波的幅度d = ^//2+0。
依據(jù)反正切計(jì)算公式P = arctan —，可以計(jì)算出正弦波的相位。而Xilinx公司提供的Cordic
IPcore在Vector Translat1n模式下則可以實(shí)現(xiàn)如公式所示的幅度和相位的計(jì)算。對(duì)于相位的確定，需要選取一個(gè)參考才有意義。本發(fā)明中通過(guò)加速器系統(tǒng)提供的162.5MHz的同源高頻信號(hào)作為相位參考，通過(guò)比較BPM信號(hào)的相位和此信號(hào)的相位，來(lái)確定束流的相位。
[0069]5、位置計(jì)算方法
[0070]束流位置計(jì)算方法采用“差和比”的計(jì)算方式，如下所示:

【權(quán)利要求】
1.一種基于全數(shù)字化技術(shù)的束流位置和相位測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括模擬前端部分和數(shù)字處理部分，其中: 模擬前端部分，利用欠采樣技術(shù)對(duì)來(lái)自束流位置探測(cè)器的輸入信號(hào)進(jìn)行欠采樣，通過(guò)數(shù)字化控制的鎖相環(huán)精確調(diào)節(jié)采樣率，使之為束流位置探測(cè)器輸入信號(hào)欠采樣后數(shù)字中頻信號(hào)頻率的4倍，直接獲取束流位置探測(cè)器輸入信號(hào)的數(shù)字正交序列，以計(jì)算輸入信號(hào)的幅度和相位信息； 數(shù)字處理部分，對(duì)模擬前端部分采樣獲取的數(shù)字正交序列進(jìn)行數(shù)字處理，同時(shí)測(cè)量加速器束流位置和相位，并通過(guò)坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)的算法實(shí)現(xiàn)相位的實(shí)時(shí)在線(xiàn)修正。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于全數(shù)字化技術(shù)的束流位置和相位測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，該模擬前端部分包括位置探測(cè)器信號(hào)模擬濾波及增益調(diào)節(jié)單元，參考信號(hào)模擬濾波及增益調(diào)節(jié)單元，時(shí)鐘產(chǎn)生單元和模擬數(shù)字變換單元，其中: 位置探測(cè)器信號(hào)模擬濾波及增益調(diào)節(jié)單元，濾除位置探測(cè)器(BPM)信號(hào)的帶外諧波，獲取二次諧波成分，并調(diào)節(jié)其幅度以適應(yīng)模擬數(shù)字變換單元的量程； 參考信號(hào)模擬濾波及增益調(diào)節(jié)單元，對(duì)參考信號(hào)進(jìn)行幅度調(diào)整及帶通濾波，濾出基頻成分，輸出給模擬數(shù)字變換單元及時(shí)鐘產(chǎn)生單元； 時(shí)鐘產(chǎn)生單元，將參考信號(hào)作為輸入時(shí)鐘，使用數(shù)字化控制的鎖相環(huán)精確調(diào)整輸出時(shí)鐘的頻率，以滿(mǎn)足模擬數(shù)字變換采樣率的要求，并扇出給模擬數(shù)字變換單元作為采樣時(shí)鐘； 模擬數(shù)字變換單元，接收位置探測(cè)器信號(hào)模擬濾波及增益調(diào)節(jié)單元和參考信號(hào)模擬濾波及增益調(diào)節(jié)單元輸入的單頻模擬信號(hào)，通過(guò)高速高精度模擬數(shù)字變換器(ADC)，將模擬信號(hào)數(shù)字化，輸出至數(shù)字處理部分。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于全數(shù)字化技術(shù)的束流位置和相位測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，該模擬濾波及增益調(diào)節(jié)單元均由級(jí)聯(lián)的帶通濾波器和增益調(diào)節(jié)元件構(gòu)成；在該級(jí)聯(lián)的帶通濾波器和增益調(diào)節(jié)元件中，第一級(jí)聲表面濾波器抽取輸入信號(hào)中的特征信號(hào)頻率成分，降低帶外諧波及噪聲；中間級(jí)帶通濾波器用以降低幅度調(diào)節(jié)單元的非線(xiàn)性帶來(lái)的諧波，同時(shí)進(jìn)一步抑制帶外噪聲；最后一級(jí)濾波器用以最終濾除前端所有模擬電路非線(xiàn)性帶來(lái)的諧波及帶外噪聲，進(jìn)一步提高信號(hào)的信號(hào)噪聲諧波比。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于全數(shù)字化技術(shù)的束流位置和相位測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，該時(shí)鐘產(chǎn)生單元提供的高精度時(shí)鐘，滿(mǎn)足采樣率為束流位置探測(cè)器輸入信號(hào)欠采樣后數(shù)字中頻信號(hào)頻率的4倍，直接獲取束流位置探測(cè)器輸入信號(hào)的正交IQ序列(I，Q，-1，-Q)，每個(gè)數(shù)字中頻信號(hào)周期內(nèi)包含4個(gè)采樣點(diǎn)，相鄰采樣點(diǎn)相位相差90度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于全數(shù)字化技術(shù)的束流位置和相位測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，該數(shù)字處理部分包括ADC數(shù)據(jù)接收單元，IQ抽取單元，IQ相位修正單元，“和信號(hào)”IQ計(jì)算單元，幅度及相位計(jì)算單元，位置及相位差計(jì)算單元，F(xiàn)IR濾波及平均處理單元，數(shù)據(jù)傳輸接口單元和前端控制邏輯單元，其中: ADC數(shù)據(jù)接收單元，接收模擬前端部分采集的數(shù)據(jù)，將Sbit雙倍數(shù)據(jù)速率的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為16bit的單倍速率數(shù)據(jù)，并在存儲(chǔ)空間中緩存，從緩存中讀取數(shù)據(jù)輸入IQ抽取單元； IQ抽取單元,接收從ADC數(shù)據(jù)接收單元的緩存中讀取的數(shù)據(jù)，從該數(shù)據(jù)中抽取正交IQ數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)平均處理后送入IQ相位修正單元處理； IQ相位修正單元，對(duì)正交IQ數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，消除4個(gè)BPM感應(yīng)信號(hào)通道和參考信號(hào)通道的輸入信號(hào)到ADC輸入端的延時(shí)不一致性以及ADC采樣時(shí)鐘相位不一致性，之后將IQ數(shù)據(jù)送入“和信號(hào)” IQ計(jì)算單元以及幅度及相位計(jì)算單元； “和信號(hào)”IQ計(jì)算單元，將4個(gè)BPM感應(yīng)信號(hào)通道修正后的IQ數(shù)據(jù)通過(guò)求和運(yùn)算，得到“和信號(hào)”的IQ數(shù)據(jù)輸出至幅度及相位計(jì)算單元，以計(jì)算“和信號(hào)”的相位； 幅度及相位計(jì)算單元，使用各通道修正后的IQ數(shù)據(jù)計(jì)算出4個(gè)BPM感應(yīng)信號(hào)通道及參考信號(hào)通道共5個(gè)通道的幅度和相位值，使用“和信號(hào)”的IQ數(shù)據(jù)計(jì)算出“和信號(hào)”的相位值，送入位置及相位差計(jì)算單元； 位置及相位差計(jì)算單元，利用計(jì)算得到的4個(gè)BPM感應(yīng)信號(hào)的幅度，計(jì)算出束流截面上的X和Y方向的位置；同時(shí)，利用“和信號(hào)”的相位與參考信號(hào)的相位計(jì)算束流相位，計(jì)算得到的位置數(shù)據(jù)和相位數(shù)據(jù)被送入FIR濾波及平均單元； FIR濾波及平均處理單元，接收位置數(shù)據(jù)和相位數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)FIR數(shù)字濾波器和平均處理，降低數(shù)據(jù)更新率，同時(shí)濾除高頻噪聲，處理后的數(shù)據(jù)被傳輸至數(shù)據(jù)傳輸接口單元； 數(shù)據(jù)傳輸接口單元，對(duì)輸入的位置和相位數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，并發(fā)送到系統(tǒng)控制器存儲(chǔ)，同時(shí)，接收控制命令并將其發(fā)送到前端控制邏輯單元； 前端控制邏輯單元，接收數(shù)據(jù)傳輸接口接收的控制命令，產(chǎn)生控制信號(hào)，對(duì)模擬前端進(jìn)行控制和配置。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于全數(shù)字化技術(shù)的束流位置和相位測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，該IQ抽取單元接收從ADC數(shù)據(jù)接收單元的緩存中讀取的數(shù)據(jù)，從該數(shù)據(jù)中抽取正交IQ數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)平均處理后送入相位修正單元處理，具體包括: 該IQ抽取單元接收從ADC數(shù)據(jù)接收單元的緩存中讀取的數(shù)據(jù)，依據(jù)模擬數(shù)字變換單元的特點(diǎn)抽取正交IQ數(shù)據(jù)；對(duì)于BPM信號(hào)通道，每4個(gè)相鄰的采樣點(diǎn)依次為1、Q、-1、-Q ;對(duì)于參考信號(hào)通道，相鄰8個(gè)采樣點(diǎn)中，間隔一個(gè)點(diǎn)抽取一個(gè)，抽出的4個(gè)點(diǎn)依次為1、Q、-1、_Q ；依此原則，分別得到BPM通道和參考信號(hào)通道的正交數(shù)據(jù)點(diǎn)；通過(guò)平均處理，送入相位修正單元。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于全數(shù)字化技術(shù)的束流位置和相位測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，該“和信號(hào)” IQ計(jì)算單元在計(jì)算“和信號(hào)”的相位時(shí)，先通過(guò)IQ相位修正單元，采用坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)的算法，對(duì)單通道采樣得到的正交序列進(jìn)行旋轉(zhuǎn)變換，修正因?yàn)橥ǖ乐g相位延遲的不一致性而導(dǎo)致的相位偏差，再對(duì)旋轉(zhuǎn)后的正交序列求和，得到修正后的“和信號(hào)”的正交序列，進(jìn)而計(jì)算出修正后“和信號(hào)”的相位。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于全數(shù)字化技術(shù)的束流位置和相位測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，該數(shù)字處理部分包括的ADC數(shù)據(jù)接收單元，IQ抽取單元，IQ相位修正單元，“和信號(hào)” IQ計(jì)算單元，幅度及相位計(jì)算單元，位置及相位差計(jì)算單元，F(xiàn)IR濾波及平均處理單元，數(shù)據(jù)傳輸接口單元和前端控制邏輯單元集成在單片F(xiàn)PGA上。
9.一種基于全數(shù)字化技術(shù)的束流位置和相位測(cè)量方法，應(yīng)用于權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)，該方法包括: 模擬前端部分利用欠采樣技術(shù)對(duì)來(lái)自束流位置探測(cè)器的輸入信號(hào)進(jìn)行欠采樣，利用數(shù)字化控制的鎖相環(huán)精確調(diào)節(jié)采樣率，使之為束流位置探測(cè)器輸入信號(hào)欠采樣后數(shù)字中頻信號(hào)頻率的4倍，直接獲取束流位置探測(cè)器輸入信號(hào)的數(shù)字正交序列，以計(jì)算輸入信號(hào)的幅度和相位信息； 數(shù)字處理部分對(duì)模擬前端部分采樣獲取的信號(hào)數(shù)字正交序列進(jìn)行數(shù)字處理，同時(shí)測(cè)量加速器束流位置和相位，并利用坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)的算法實(shí)現(xiàn)相位的實(shí)時(shí)在線(xiàn)修正。
【文檔編號(hào)】G01T1/29GK104181577SQ201410440504
【公開(kāi)日】2014年12月3日 申請(qǐng)日期:2014年9月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月1日
【發(fā)明者】趙雷, 高興順, 胡曉芳, 劉樹(shù)彬, 安琪 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)