一种核信号变频数字化采样的方法技术

本发明专利技术提出了一种基于数字抽取技术的核信号变频数字化采样的新方法，属于核信号技术领域。该方法通过下面步骤实现：1.最佳采样频率确定：（1）数字核信号甄别及寻峰，（2）数字核信号上升沿最佳采样频率的确定，（3）数字核信号下降沿最佳采样频率的确定；2.对同一数字核信号波形进行变频采样：（1）数字核信号甄别及寻峰，（2）数字低通滤波，（3）对上升沿进行数字分频抽取，（4）对下降沿进行数字分频抽取，（5）信号合成。通过本发明专利技术方法能够在保证波形数字化核仪器输出的数字化核信号采样精度不受损失的同时，使最终生成的数字核信号波形数据量最小。

【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种核信号采样技术，具体地说涉及一种核信号变频数字化采样的方法，属于核信号

技术介绍
核信息数字化获取技术已经发展了半个世纪。近20多年随着计算机软硬件技术、数字通信技术和半导体技术的快速进步，数字化核仪器技术也得到了全面发展。至今，数字化核仪器已占据了核仪器市场50%以上份额。要实现任何一种数字化核仪器，波形数字化系统都是必不可少的关键部分，因此对波形数字化实现原理和方法的研究也是目前数字化核仪器乃至所有数字化仪器研究的热点问题。现有理论，如香农采样定律、Nyquist采样定律等都表明将模拟信号通过模拟/数字变换技术转化为数字信号的过程中会引入量化误差，而提高模拟/数字转换器(ADC)的转换速度和转换位数是减小量化误差的有效方法。但是，在波形数字化问题上存在着几个矛盾第一，数字化仪器仪表性能和价格之间的矛盾。比如2012年美国Tektronic公司推出了采样率80Gbps,模拟频带33GHz的高性能数字示波器，该产品售价在300万人民币。第二，ADC性能与仪器通道密度之间的矛盾。比如，美国XIA公司生产系列数字化核能谱仪Pixie-500，采用的是采样率500MSPS的ADC，实现了 4通道数字谱仪；而数字化核能谱仪Pixie-16实现了 16通道数字谱仪，采用的采样率则是100MSPS的ADC。第三，ADC的变换速度和变换位数之间的矛盾。2002年美国阿贡国家实验室牵头带领12家研究机构组成“核结构物理中的数字电子学”工作组，计划建立一套能满足低能核物理大部分测量任务的40通道的全数字化测量系统。在计划中设计了两种波形数字化指标，一种是采用100MSPS的采样率，12bitADC，另一种则采用IGSPS的采样率，8bitADC。纵观这些矛盾，都可以归结为ADC变换的高精度与大数据量的处理、存储、传输之间的矛盾，解决好这些矛盾意义重大。
技术实现思路
本专利技术的目的就是针对现有数字化核仪器中波形数字化环节上模拟/数字变换技术的高频率采样和其生成大数据量之间的矛盾，提出了一种基于数字抽取技术的核信号变频数字化采样的新方法。该新方法可以在保证波形数字化仪输出的数字化核信号采样精度不受损失的同时，使最终生成的数字核信号波形的数据量最小。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术措施构成的技术方案来实现。本专利技术一种核信号变频数字化采样的方法，其特征在于包括以下具体步骤( I)最佳采样频率确定( i )数字核信号甄别及寻峰从波形数字化仪输出的数字化波形数据中用传统甄别及寻峰算法找出一个波形的起始时刻、终止时刻和峰值时刻；( )数字核信号上升沿最佳采样频率的确定将第(i )步获得的数字核信号的起始时刻和峰值时刻之间的信号数据作为其上升沿部分，设计“最佳频率确定算法”，找到小于设定的上升沿畸变率的上升沿最大分频系数凡，从而确定上升沿最佳采样频率；(iii)数字核信号下降沿最佳采样频率的确定将第(i )步获得的数字核信号的峰值时刻和终止时刻之间的信号数据作为其下降沿部分，设计“最佳频率确定算法”，找到小于设定的下降沿畸变率的下降沿最大分频系数Mf，从而确定下降沿最佳采样频率；(2)对波形数字化仪输出数字核信号数据流进行变频采样( i )数字核信号甄别及寻峰根据步骤(I)第(i )步获取的数字核信号波形并将该波形分为上升沿和下降沿两部分； (ii)数字低通滤波根据步骤(I)第(ii)步中获得的上升沿最佳采样频率和Nyquist采样定律中对最小采样频率之规定设计反混叠数字滤波器，并对数字核信号上升沿进行反混叠数字低通滤波，根据步骤(I)第(iii)中获得的下降沿最佳采样频率和Nyquist采样定律中对最小采样频率之规定设计反混叠数字滤波器，对数字核信号的下降沿进行反混叠数字低通滤波；(iii)对上升沿进行数字分频抽取用步骤(I)第(ii )获得的上升沿最大分频系数Mp对步骤(2)第(ii )步得到的经反混叠低通滤波后的上升沿信号进行变频抽取；(iv)对下降沿进行数字分频抽取用步骤(I)第(iii)步获得的下降沿最大分频系数Mf，对步骤(2)第(ii )步得到的经反混叠低通滤波后的下降沿信号进行变频抽取；(V)信号合成将步骤(2)第(iii)步得到的分频后的上升沿信号和步骤(2)第(iv)步得到的分频后的下降沿信号合成为一个完整的数字核信号波形。上述方案中，所述数字核信号上升沿最佳采样频率的确定，将输出的数字化核信号数据的采样频率记为&，通过最佳频率迭代算法找到上升沿最大分频系数凡的正整数值，并确保以此凡值对上升沿部分XiJn)进行凡倍分频抽取后的信号小于测量所设定的上升沿畸变率，此f值即为上升沿的最佳采样频率。上述方案中，所述数字核信号上升沿最佳采样频率确定的具体步骤如下I)数字低通滤波对输出的数字化波形数据的上升沿部分& (η)进行数字低通滤波，滤波结果为Xirlp (η);2)数字分频抽取分频系数凡从2开始增加，对波形上升沿Xirtp (η)进行倍分频抽取，得到分频抽取后的波形上升沿xirlp(Mrn)；3)数字分频抽取后信号精度的评估定义上升沿的畸变率为分频抽取后数字信号的上升时间tM与分频抽取前信号上升时间trb之差ε r与trb的比率,如式(I)所示，5 (-sJ= = '% ^ ^(I)(I)式中Sn为分频后数字核信号采样率，δ (sn)为相应采样率下信号上升沿形状畸变率，(I)式中涉及的信号被分频前后上升时间七 和tA的计算方法概括为仁的计算方法设第i个数字核信号起始时刻和 对应的幅度值为(tis，vi0),达峰时刻和对应的幅度值为(tim，vim)，则信号的上升时间由(2)式确定，tir = t(0. 9vim) -t (O. Ivim)(2)(2)式中，t(0. IvJ和t(0.9vim)分别表示该信号上升沿中，即ti(l到tim时间段里，核信号波形峰值的10%和峰值的90%处所对应的时间值；由测量精度要求设置上升沿畸变率Sci，将(I)式中得到的δ (sn)与Sci比较当δ (sn) < Sci则继续增大上升沿分频系数队的值，重复上述步骤I) 3)，直至找到满足δ (sn) < Sci条件下最大的上升沿分频系数凡正整数值，此时 r上述方案中，所述采样频率&通过最佳频率迭代算法找到下降沿最大分频系数Mf的正整数值，并确保以此Mf值对下降沿部分Xif (η)进行Mf倍分频抽取后的信号满足小于测量所设定的下降沿畸变率，此*值即为下降沿的最佳采样频率。上述方案中，所述数字核信号下降沿最佳采样频率确定的具体步骤如下I)数字化低通滤波对输出的第i个数字化波形数据的一个完整的信号Xi (η)进行低通滤波，滤波结果为Xilp (η)，即Xilp (η)分为上升沿滤波结果Xirip (η)和下降沿滤波结果Xiflp (η)两部分；2)数字分频抽取分频系数Mf从2开始增加，对波形下降沿\_(η)进行Mf倍分频抽取，得到分频抽取后的波形下降沿Xiflp (Mfn)；3)数字分频抽取后信号精度的评估定义数字核信号下降沿的畸变率为分频抽取后数字信号的下降时间tfa与分频抽取前信号下降时间tfb之差ε f与tfb的比率，如式(3)所示δ'\ (3)(3)式中δ (sn)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种核信号变频数字化采样的方法，其特征在于包括以下具体步骤：（1）最佳采样频率确定（ⅰ）数字核信号甄别及寻峰从波形数字化仪输出的数字化波形数据中用传统甄别及寻峰操作找出其起始时刻、终止时刻和峰值时刻；（ⅱ）数字核信号上升沿最佳采样频率的确定将第(ⅰ)步获得的数字核信号的起始时刻和峰值时刻之间的信号数据作为其上升沿部分，设计“最佳频率确定算法”，找到小于设定的上升沿畸变率的上升沿最大分频系数Mr，从而确定上升沿最佳采样频率；（ⅲ）数字核信号下降沿最佳采样频率的确定将第（ⅰ)步获得的数字核信号的峰值时刻和终止时刻之间的信号数据作为其下降沿部分，设计“最佳频率迭代算法”，找到小于设定的下降沿畸变率的下降沿最大分频系数Mf，从而确定下降沿最佳采样频率；（2）对波形数字化仪输出数字核信号数据流进行变频采样（ⅰ）数字核信号甄别及寻峰对步骤（1）第（ⅰ)步获取的数字核信号波形分为上升沿和下降沿两部分；（ⅱ）数字低通滤波将步骤（1）第（ⅱ）步中获得的上升沿最佳采样频率和Nyquist采样定律中对最小采样频率之规定设计反混叠数字滤波器，并对数字核信号上升沿进行反混叠数字低通滤波，将步骤（1)第（ⅲ）中获得下降沿最佳采样频率和Nyquist采样定律中对最小采样频率之规定设计反混叠数字滤波器，并对数字核信号的下降沿进行反混叠数字低通滤波；（ⅲ）对上升沿进行数字变频抽取采用步骤（1）第（ⅱ）获得的上升沿最大分频系数Mr，对步骤（2）第（ⅱ）步得到的经反混叠低通滤波后的上升沿信号进行变频抽取；（ⅳ）对下降沿进行数字变频抽取采用步骤（1)第（ⅲ）步获得的下降沿最大分频系数Mf，对步骤（2）第（ⅱ）步得到的经反混叠低通滤波后的下降沿信号进行变频抽取；（v）信号合成将步骤（2）第（ⅲ）步得到的分频后的上升沿信号和步骤（2）第（ⅳ）步得到的分频后的下降沿信号合成为一个完整的数字核信号波形。...

【技术特征摘要】
1.一种核信号变频数字化采样的方法，其特征在于包括以下具体步骤 (1)最佳采样频率确定 (i )数字核信号甄别及寻峰 从波形数字化仪输出的数字化波形数据中用传统甄别及寻峰操作找出其起始时刻、终止时刻和峰值时刻； ( )数字核信号上升沿最佳采样频率的确定 将第(i )步获得的数字核信号的起始时刻和峰值时刻之间的信号数据作为其上升沿部分，设计“最佳频率确定算法”，找到小于设定的上升沿畸变率的上升沿最大分频系数Mp从而确定上升沿最佳采样频率； (iii)数字核信号下降沿最佳采样频率的确定 将第(i )步获得的数字核信号的峰值时刻和终止时刻之间的信号数据作为其下降沿部分，设计“最佳频率迭代算法”，找到小于设定的下降沿畸变率的下降沿最大分频系数Mf，从而确定下降沿最佳采样频率； (2)对波形数字化仪输出数字核信号数据流进行变频采样 (i )数字核信号甄别及寻峰 对步骤(I)第(i )步获取的数字核信号波形分为上升沿和下降沿两部分； (ii)数字低通滤波 将步骤(I)第(ii)步中获得的上升沿最佳采样频率和Nyquist采样定律中对最小采样频率之规定设计反混叠数字滤波器，并对数字核信号上升沿进行反混叠数字低通滤波，将步骤(I)第(iii)中获得下降沿最佳采样频率和Nyquist采样定律中对最小采样频率之规定设计反混叠数字滤波器，并对数字核信号的下降沿进行反混叠数字低通滤波； (iii)对上升沿进行数字变频抽取 采用步骤(I)第(ii )获得的上升沿最大分频系数Mr，对步骤(2 )第(ii)步得到的经反混叠低通滤波后的上升沿信号进行变频抽取； (iv)对下降沿进行数字变频抽取 采用步骤(D第(iii)步获得的下降沿最大分频系数Mf，对步骤(2)第(ii)步得到的经反混叠低通滤波后的下降沿信号进行变频抽取； (v)信号合成 将步骤(2)第(iii)步得到的分频后的上升沿信号和步骤(2)第(iv)步得到的分频后的下降沿信号合成为一个完整的数字核信号波形。2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于所述上升沿最佳采样频率确定，波形数字化仪以&采样频率获取数字化核信号波形，并输出到本最佳采样频率确定系统中，运用“最佳频率确定算法”找到上升沿最大分频系数凡的正整数值，则#值即为上升沿的最佳采样频率。3.根据权利要求I或2所述的方法，其特征在于所述数...

【专利技术属性】
技术研发人员：王鹏，张软玉，许祖润，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：