[发明专利]一种核信号变频数字化采样的方法

说明书

技术领域

本发明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，属于核信号技术领域。

背景技术

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1GSPS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。

发明内容

本发明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，本发明采用以下技术措施构成的技术方案来实现。

本发明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算法找出一个波形的起始时刻、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M_r，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M_f，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（1）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（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，根据步骤（1)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（1）第（ⅱ）获得的上升沿最大分频系数M_r，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（1）第（ⅲ）步获得的下降沿最大分频系数M_f，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