基于FPGA的中红外量子级联激光器调制信号产生技术制造技术

本发明专利技术公开了一种基于FPGA的中红外量子级联激光器调制信号产生技术。该发明专利技术经用户通过上位机发送信号数据并利用波形对称性进行数据存储至RAM中以达到存储资源的的最小化以及资源利用的最大化，同时FPGA将其内部RAM中存储的数据进行读取以及进行等值插点运算来改变波形频率。FPGA将频率变化后的正弦波与三角波信号进行叠加并输出从而实现QCL的驱动。角波信号进行叠加并输出从而实现QCL的驱动。角波信号进行叠加并输出从而实现QCL的驱动。

【技术实现步骤摘要】
基于FPGA的中红外量子级联激光器调制信号产生技术


[0001]本专利技术属于电流调制领域，更具体的讲是应用于中红外量子级联激光器信号的调制。

技术介绍

[0002]随着全球工业的迅速发展，因此带来了一系列的环境污染问题，例如汽车尾气污染、温室效应、光化学污染等等。空气中常见的有害气体例如NO、CO等在空气中所占比例很低，属于痕量气体(大气浓度低于10
‑
6的气体)，尽管这些气体含量很低，但却会对人体造成持续的危害，因此需要进行监测并治理。现在流行的技术是采用可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)来进行气体浓度检测。TDLAS波长调制技术主要是波长调制(WMS)，为了提高气体检测的精度，波长调制技术在激光器的驱动电流中进行信号的叠加，通常为基波信号和调制信号两者的叠加。我们将频率较低的三角波作为基波信号而将高频率的正余弦信号作为调制信号。用户需要的频率范围为几KHz到几十KHz，因此在此段频率变化范围内就要求我们必须满足用户所需。由于该频率段相对频率较低，因此我们将正弦波信号以点的形式写入在RAM中存储时会需要非常多的存储空间，这会占用非常多的片内存储资源。因此我们需要尽可能完整的显示低频波形的同时也需要对资源进行节省。
[0003]用户通过上位机产生其所需点数的正弦波。FPGA将我们需要频率的正弦波以数字信号的格式存储在RAM中，然后通过读取片内RAM存储的波形数据来进行直观的显示。由于RAM的深度一般为2
n
，因此我们要尽可能的完全利用。由于所采用的FPGA自身的时钟频率为50MHz，因此通过FPGA芯片内部的时钟管理器PLL倍频从而产生100MHz的工作时钟，在该工作频率下RAM中每点可保持的时间长度为10ns。若全部利用深度为2
n
的RAM，则可以产生频率的正弦波。通过上述公式我们可知在工作频率一定的情况下，波形的频率越低，则需要的存储空间越大。因此带来的第一个问题就是RAM资源的大量占用，如在100MHz的工作时钟下，显示10KHz的波形需要深度为16383的RAM来进行存储。这会耗费大量的珍贵的FPGA内部资源。
[0004]针对上述资源紧缺的问题，传统方法可以这样处理：若要产生频率为f1的正弦波，原本需要至少存储点数个，但我们将存储点数缩小M倍，随后我们把每一点显示的时间长度变由原本的10ns变化为10
×
Mns，这样就可以在节约M倍存储资源的状态下实现波形的展现。这种方法虽然节约了资源，但实际上由于正弦波是由上位机经过计算产生的，因此原始的波形更加合理且平滑，而在等间隔将正弦波每一点之间进行拉伸的话波形会出现扭曲，变得不再平滑，同样这种做法只是已经存在点数值的重复，因此并没有新的数值点产生，导致了曲线值精度的降低。因此不适合高精度仪器的使用。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服存储资源占用过多的不足，提出了一种基于FPGA的中红外
量子级联激光器调制信号产生方法。首先我们知道在二维坐标系X
‑
Y上一段连续的的正弦波信号y＝Asin(kx+b)实际上关于点((K1π
‑
b)/k，0)中心对称，其中K1＝0，
±
1，
±
2，
±
3，
±4…
，即令y＝0的所有x的值。因此一个周期内完整的正弦波可以用半个周期正弦波中心对称得到。而半个周期内正弦波y＝Asin(K1π)到y＝Asin((K1+1)π)之间，曲线关于轴X＝(K1+1/2)π对称，因此一个完整的正弦波实际上仅仅通过其前1/4的波段就可以表示出来。应用到波形生成器上，其在FPGA中RAM里存储资源会节省3/4，这是十分理想的解决资源问题的办法。
[0006]在特定的FPGA读取RAM的工作频率下，我们可以在片内深度为的2
n
的RAM中进行波形数据存储。通过上述修改理论上其最大存储1/4的波段的点数M＝2
n
，这种情况下产生完整波形的频率为若用户需要正弦波频率f
M
＜f
Max
，也就是说需要写入波形点数多于M，由于存储资源有限，因此我们需要进行插点。通过计算将低频率段转化为高于f
Max
的频率段f
W
，f
W
满足f
W
＝n
×
f
M
(n＝2，3，4
…
)，根据f
W
计算得到存储正弦波点数。然后计算出存储点数每两点之间平均插入m＝n
‑
1个点后的值随后将所有的点值进行读取显示即可，这样就可以在不改变正弦波形轮廓以及精度的情况下实现低频波形的实现且在有限资源内实现。这样既不会出现存储资源的占用也不会出现波形的失真，同样还可以保证正弦波的精度，解决了上述出现的问题。
[0007]为实现上述功能，本专利技术是基于FPGA的中红外量子级联激光器调制信号产生技术，其包括上位机模块，RAM模块，插值模块，正弦波存储模块，波形产生控制模块，三角波生成模块，加法器模块以及DAC模块，其中：
[0008]上位机用于人机交互，包括控制命令的发出以及调制正弦波形数据的产生，调制信号正弦波频率f
W
通常在5KHz～20KHz之间；
[0009]RAM模块是用来接收并存储上位机发送的的原始频率为f
W
的正弦波的数值D1。当上位机根据用户的需求产生相应的波形数据后，将波形数据发送到该模块进行存储并等待下一步处理。RAM模块读取数据的顺序为：当数据从地址1读到地址dep1时，则从地址dep1读到地址1，接着将地址1到地址dep1的数据读出并取反，最后将地址dep1到地址1的数据读出并取反，以此循环。其中dep1为写在RAM中的数据深度；
[0010]插值模块会根据用户需求的频率f
M
来对RAM中存储的数值点进行读取并对读取的相邻点进行平均插值运算；当波形产生控制模块发送指令START_COE＝1到RAM模块时，RAM模块会将其中前两个点的数据输入到插值模块3里进行平均插点计算，插值后的数记为D2；
[0011]正弦波存储模块作用是将经插值模块后的点值进行缓存并发送使能信号WAVE_READY至波形产生控制模块5来使其状态跳变。当该模块接收到第一组来自插值模块后的数据后便发送WAVE_READY＝1至波形产生控制模块，使波形产生控制模块进行下一步操作；
[0012]波形产生控制模块用于产生各种控制信号。该模块共有3个不同的状态，分别为空闲状态IDLE、准备状态READY及叠加状态ADD，在不同状态下该模块产生不同的控制信号。
[0013]在上电初始阶段该模块一直处于IDLE状态；
[0014]当接收到上位机发送来的控制信号START＝1后，该模块接收上位机发来的插值点数m并处于READY状态下，且立即发送指令START_COE＝1到RAM模块中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于FPGA的中红外量子级联激光器调制信号产生技术，其征在于包括上位机模块，RAM模块，插值模块，正弦波存储模块，波形产生控制模块，三角波生成模块，加法器模块以及DAC模块，其中：上位机模块用于人机交互，包括控制命令的发出以及调制正弦波形数据的产生，调制信号正弦波频率f
W
通常在5KHz～20KHz之间；RAM模块是用来接收并存储上位机发送的的原始频率为f
W
的正弦波的数值D1；RAM模块读取数据的顺序为：当数据从地址1读到地址dep1时，则从地址dep1读到地址1，接着将地址1到地址dep1的数据读出并取反，最后将地址dep1到地址1的数据读出并取反，以此循环；其中dep1为写在RAM中的数据深度；插值模块会根据用户需求的频率f
M
来对RAM中存储的数值点进行读取并且对读取后相邻的点进行平均插值运算，插值后的数记为D2；正弦波存储模块作用是将经插值模块后的点值进行缓存并发送使能信号WAVE_READY至波形产生控制模块5来使其状态跳变，当其接收到第一组来自插值模块的数据后便拉高WAVE_READY，维持一个周期后变为低电平；波形产生控制模块用于产生各种控制信号。该模块共有3个不同的状态，分别为空...

【专利技术属性】
技术研发人员：李奇峰，刘新楠，杨云鹏，马翔云，吴佳宁，衣泽松，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：