单端转差分电路相位噪声消除系统研究

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　　摘  要： 为缩小由不理想噪声带来的电路公共相位误差，设计一种新型的单端转差分电路相位噪声消除系统。在单端转差分相位板中，连接DSP电路与旁系相位噪声滤波器，完成新型噪声消除系统的硬件运行环境搭建。在此基础上，估计电路相位噪声的导频与信道条件，并对系统的消除遍历容量进行定点分析，并以其为前提对噪声数据的传输与消除流程进行完善，实现新型消除系统的软件运行环境搭建，软硬件结合，完成单端转差分电路相位噪声消除系统研究。改变转差分系数设计对比实验结果表明，与理想相位噪声消除系统相比，应用新型电路相位噪声消除系统后，电子噪声干扰量的最大值不超过6.5×107 dB，相位消除比特率明显降低，不理想噪声带来的电路公共相位误差得到有效缓解。
　　关键词： 噪声消除系统; 单端转差分电路; DSP电路; 旁系相位; 遍历容量; 数据传输
　　中图分类号： TN710?34; TP216                    文献标识码： A                     文章编号： 1004?373X（2020）07?0136?05
　　Systematic research on single?ended to differential circuit for phase noise elimination
　　MA Ding
　　（Science and Technology College of NCHU， Nanchang 330034， China）
　　Abstract： A new phase noise elimination system of single?ended to differential circuit is designed to reduce the circuit common phase error caused by undesirable noise. In the single?ended to differential phase board， the DSP circuit and the bypass phase noise filter are connected to construct the hardware operation environment of the new noise elimination system. On this basis， the pilot frequency and channel conditions of circuit phase noise are estimated， and the elimination ergodic capacity of the system is subjected to fixed?point analysis. On the premise of the above， the transmission and elimination process of noise data is improved to build the software operation environment of the new elimination system. The phase noise elimination system of single?ended to differential circuit is studied with the combination of the hardware and software operation environment. Contrast experiments are designed on the basis of changing the single?ended to difference coefficient. The experimental results show that， in comparison with the ideal phase noise elimination system， the maximum of electronic noise interference does not exceed 6.5×107 dB after the application of the new circuit phase noise elimination system， the bit rate of phase elimination is obviously reduced， and the common phase error caused by the undesirable noise is reduced effectively.
　　Keywords： noise elimination system; single?ended to differential circuit; DSP circuit; bypass phase; ergodic capacity; data transmission
　　0  引  言
　　相位噪声是一种明显的系统输出信号相位随机变化行为，多发生于电路系统或由射频器件组成的物理组织结构中。这种相位变化行为是衡量原子频标、高稳晶振频率等标准源频稳质量的关键指标，当频标源的性能发生改变时，系统所需的物理噪声量也随之减小，这也是电路系统相位噪声谱测量要求不断提高的主要原因。幅度、频率是描述系统相位噪声水平的重要指标，且二者之间始终保持关联性的制约影响关系[1?2]。在理想情况下，固定系统噪声频率所带来的信号波动周期始终固定，在一个频率区间内脉冲噪声信号的变化曲线也一定是正弦波，这也是现有技术策略所应遵循的主要电路相位噪声消除原理。 　　现有电路相位噪声消除系统采用PCIe主机电路与外部鉴相电路相连的搭建模式，整个硬件单元可以划分为电量模拟、噪声数据转换、相位控制三个主要部分，既实现了对电路噪声数据的定点消除，也从根本上降低了系统相位转化所需的电子量要求。但随着系统应用时间的不断延长，由不理想噪声带来的电路公共相位误差始终不能得到有效控制。为解决上述问题，本文在保留原有系统应用优势的基础上，增加DSP电路等硬件设备，用于完善并建立一种新型的单端转差分电路相位噪声消除系统。
　　1  系统硬件设计
　　通过单端转差分相位板、DSP电路、旁系相位噪声滤波器三个设计步骤，完成新型电路相位噪声消除系统的硬件运行环境搭建，其具体操作方法可按如下步骤进行。
　　1.1  单端转差分相位板设计
　　单端转差分相位板相当于新型噪声消除系统的模拟框架结构，与DSP电路、旁系相位噪声滤波器等硬件执行单元保持对应连接关系。
　　从功能角度来看，单端转差分相位板以ADC数字转换器作为核心搭建设备，可以在采集系统中电路相位数据消耗量信息的同时，向下级硬件单元传输与噪声应用数据相关的消除指令[3?4]。
　　作为DSP电路与核心计算机间的过渡结构，单端转差分相位板包含一个小型的子模拟电路，可以根据相位噪声对系统电力资源的占用情况，生成多项包含消除连接意象的被测信号。
　　完整的单端转差分相位板结构如图1所示。
　　1.2  DSP电路设计
　　DSP电路隶属于单端转差分相位板，是新型噪声消除系统中的重要电量提供组织。该结构通过PCIe总线与系统处理主机相连，并通过接收或发送相位噪声消除指令的方式，参与系统中的电路电子疏导与传输。主体DSP电路以DDR3 SDRAM内存条作为核心搭建设备，并在其旁侧配合具备缓冲功能的消耗电阻，用于执行高效的电子分配处理[5?6]。电路内部包含一个数字信号处理板和一个SPI主机板，当单端转差分相位板具备强烈的电子消耗需求时，两个接口板结构同时处于连接状态，以保证由供电电源产生的电子能够快速进入DSP电路，并在保留较高活力状态的前提下，进入下级消耗组织。为与旁系相位噪声滤波器保持良性连接关系，DSP电路还具备4个EMIF接口，一方面可以主动接收系统中分散的消耗电阻，另一方面也可为滤波器结构提供足量的电流与电压供应。详细DSP电路结构如图2所示。
　　1.3  旁系相位噪声滤波器设计
　　旁系相位噪声滤波器是系统消除指令的核心生成组织，可对满足锁相环连接需求的单端转差分电子进行输出调整，使此系统始终具备较强的电路相位噪声提取能力[7?8]。
　　为减轻由DSP电路带来的电子无阻抗匹配问题，旁系相位噪声滤波器包含一个模拟FPGA设备，可在高、中、低三种频段条件下实现对单端转差分电路相位的定点分辨，并根据真实的电子消耗情况确定支撑系统运行所需的最佳噪声情况，如图3所示。
　　当DSP电路保持标准相位噪声输出状态时，模拟FPGA设备会发出两个不冲突的消除信号，并分别将其传输给两个不同的系统执行设备。随着系统运行时间的不断累积，单端转差分电路的相位噪声水平也随之累积，此时，消除信号会按照预设路径进行循环流通，直至将系统中的相位噪声完全消除，此时，消除信号所属的物理位置，即为旁系相位噪声滤波器在系统硬件执行结构中所属位置[9?10]。
　　2  系统软件设计
　　在基础硬件执行结构的基础上，按照导频与信道估计、消除遍历容量分析、消除流程完善的操作环节，实现系统的软件运行环境搭建，两项结合完成新型单端转差分电路相位噪声消除系统的搭建。
　　2.1  电路相位噪声的导频与信道估计
　　单端转差分电路相位噪声导频是确定系统消除操作所需配合信道数量的重要物理条件，也是衡量系统客户端是否具备较强执行能力的基础条件。
　　处于正常运行状态的相位噪声消除系统，以主机客户端作为一切执行指令的运行起始环节，当单端转差分相位板处于正常连接状态时，DSP电路中的所有EMIF接口均保持高效连接状态，并以此为条件，促使系统中的所有流通电子全部进入旁系相位噪声滤波器设备中[11?12]。
　　在上述物理运行过程中，设[y]代表EMIF接口的电子连接系数，[u]代表新型消除系统的平均电子流通量，[t]代表系统消耗时间，利用[y]，[u]，[t]可将单端转差分电路的相位噪声导频估计结果表示为：
　　[W=qy+ru2χtΔp] （1）
　　式中：[q]代表旁系相位噪声滤波器对流通电子的基本消耗水平;[r]代表单端转差分电子束的最大宽度条件;[χ]代表标准电路相位水平下的噪声节点数量;[Δp]代表总噪声量在[t]时间内的变化量。
　　单端转差分电路相位噪声信道条件确定以导频估计结果作为先决条件，并通过设置上限相位数值[λ]、下限相位数值[λ]的方式，得出確切的数量级结果，其具体计算过程如式（2）所示：
　　[I=λ→-∞λ→∞1sWeξφde] （2）
　　式中：[s]代表噪声信道的原消除系数;[e]代表被积信道向量;[ξ]，[φ]代表两个不同的幂次项估算物理差。
　　2.2  系统消除遍历容量分析
　　消除遍历容量是描述系统对相位噪声粒子承载能力的物理量，根据该项指标计算结果可确定系统单端转差分电路相位的波动极值，并以此衡量噪声水平是否低于系统的最高承受水平，这也是新型系统电路公共相位误差始终不超过理想数值的主要原因。
　　在单端转差分电路中，系统消除遍历容量与噪声位置条件和信道判别指标两项物理参数保持相关性影响关系[13?14]。其中，噪声位置条件[c]是一项独立的相位属性条件，可以描述系统单端转差分电路的基本连通状态。 　　信道判别指标[μ]具备较强的数值依附性，只能与电路相位噪声信道条件[I]保持乘积式的存在状态，不能脱离计算数值而单独存在。
　　在上述变量条件的基础上，联立式（2）可将系统的消除遍历容量表示为：
　　[k=l?c?fαμI2] （3）
　　式中：[l]代表与系统消除指令相关的最大遍历系数;[fα]代表电路相位位置为[α]时的基础噪声存在量。
　　2.3  噪声数据传输与消除流程完善
　　噪声数据传输与消除在整个新型消除系统搭建中起到关键信息调节的作用。在确保单端转差分相位板不被噪声节点占据的前提下，连接DSP电路，并使其中的所有节点与接口均处于定向连接的状态。此时，存在于系统输出信道内的所有数据都属于电路相位噪声数据[15]。
　　当噪声数据在系统环境内实现完整传输时，旁系相位噪声滤波器达到良性输出标准时，利用电路相位噪声导频与信道估计结果，对系统必须经历的消除遍历容量进行定量分析，并根据最终的数值结果制定完整的相位噪声消除操作指令。
　　根据上述指令条件可确定系统中所有噪声数据的明确位置条件，并据此对其进行定点消除处理。至此，完成新型系统的软件运行环境搭建，结合相关硬件组织结构，实现单端转差分电路相位噪声消除系统的顺利运行，具体数据传输与消除流程图如图4所示。
　　3  实验结果与讨论
　　为突出说明单端转差分电路相位噪声消除系统的实用操作效果，设计如下对比实验。在Virtual Reality Platform环境中搭建理想的计算机操作平台，并通过多次更改转差分系数的方式，得出多组实验数据，通过数值对比的方式验证系统的应用价值，其中，实验组计算机平台搭载新型电路相位噪声消除系统，对照组计算机平台搭载理想相位噪声消除系统。
　　3.1  实验参数设定
　　相关实验设备型号及详细实验参数设置情况如表1所示。
　　为保证实验结果的绝对公平性，实验组、对照组实验参数始终保持一致。
　　3.2  电子噪声干扰量对比
　　在100 min的实验时间内，令转差分系数分别等于0.20，0.21，0.22，0.23，0.24，并记录在每个系数条件下，应用实验组、对照组消除系统后电子噪声干扰量的变化情况，详细实验对比结果如图5，图6所示。
　　按照从左至右的顺序，图5，图6中的柱形图分别代表转差分系数等于0.20，0.21，0.22，0.23，0.24时的电子噪声干扰量。分析图5可知，应用实验组噪声消除系统后，电子噪声干扰量随转差分系数的增大而不断减小，整个实验过程中的最大值也仅能达到6.4×107 dB，远低于理想极值8.2×107 dB;分析图6可知，应用对照组噪声消除系统后，电子噪声干扰量也随转差分系数的增大而不断减小，但整体数值水平始终高于实验组，整个实验过程中的最大值达到12.3×107 dB，远超过理想极值8.2×107 dB。
　　综上可知，新型单端转差分电路相位噪声消除系统具备控制电子噪声干扰水平的能力。
　　3.3  相位消除比特率对比
　　控制转差分系数，使其数值水平始终保持为0.24。以100 min作为实验时间，分别记录在该段时间内，应用实验组、对照组噪声消除系统后，相位消除比特率的变化情况，详细数值对比结果如表2所示。
　　对比表1、表2可知，实验组相位消除比特率呈现阶段性降低的变化趋势，且每次降低停止后，总会出现10 min的稳定状态，整个实验过程中的数值状态始终低于理想最大值区间70%～75%;对照组相位消除比特率以20 min或30 min作为一个时间阶段，在每一阶段内都保持下降变化趋势，整个实验过程中的数值状态虽然一直维持在理想对照组区间内，但与实验组相比仍然存在较大差距。综上可知，随着新型单端转差分电路相位噪声消除系统的应用，相位消除比特率得到了一定程度的降低。
　　4  结  语
　　在保留理想相位噪声消除系统应用优势的基础上，新型单端转差分电路相位噪声消除系统针对旁系相位噪声滤波器、消除遍历容量等多项软硬件运行条件进行改进设计，并在DSP电路的支持下，对总体的噪声消除流程进行完善。从实用性角度来看，这种新型系统的搭建环节相对简单，且对噪声导频、信道等物理系数进行了严格规定，从根本上解决了由不理想噪声带来的电路公共相位误差问题。
　　参考文献
　　[1] 张盛伟，向伟，赵耀宏.基于引导滤波的红外图像条纹噪声去除方法[J].计算机辅助设计与图形学学报，2017，29（8）：1434?1443.
　　[2] 雷俊锋，王赫，刘恩雨，等.基于卷积神经网络的图像混合噪声去除算法[J].微电子学与计算机，2017，34（12）：17?21.
　　[3] 赵建喜，易丹辉，刘晓倩.去除稀疏和结构化噪声的交替方向增强拉格朗日算法[J].数学的實践与认识，2017，47（16）：164?170.
　　[4] 董戈，胡波雄，肖曦.电源调制器电路对脉冲行波管功率放大器相位稳定性影响研究[J].电子与信息学报，2017，39（2）：504?508.
　　[5] 杨鸣凯，麦瑞坤，徐丹露，等.采用同轴相位检测线圈的感应无线电能传输系统谐振调节技术[J].中国电机工程学报，2017，37（6）：1867?1874.
　　[6] 蒋孝勇，李锡广，安永泉，等.基于微小型稳定平台的MEMS陀螺信号调理电路设计与测试[J].电子器件，2018，41（2）：351?355.
　　[7] 方伟明，程汉湘，李勇，等.磁控电抗器的过零电路与驱动电路优化设计[J].电力电容器与无功补偿，2017，38（3）：26?31.
　　[8] 王炜珽，李进杰，张文旭.相位码补偿法实现DDS无相位截断杂散的研究[J].计算机工程与应用，2017，53（4）：244?250.
　　[9] 孙兴法，聂子玲，朱俊杰，等.交直流共用主电路及其控制方法在双输出航空静变电源中的应用[J].电机与控制应用，2017，23（12）：6?11.
　　[10] 崔健，袁天辰，杨俭.高速列车气动噪声特性及其受电弓降噪研究[J].计算机仿真，2018，35（11）：123?129.
　　[11] 李杰，代克杰，余亚东.基于宏观约束与微观放电DBD电路等效模型研究[J].电子设计工程，2018，26（18）：165?169.
　　[12] 邱晓晗，王煜，常振，等.机载紫外DOAS成像光谱仪CCD成像电路的设计及实施[J].红外与激光工程，2017，46（5）：222?229.
　　[13] 唐英杰，董月军，任宏亮，等.基于时频域卡尔曼滤波的CO?OFDM系统相位噪声补偿算法[J].光学学报，2017，16（9）：40?51.
　　[14] 田荣倩，李浩明，刘家瑞，等.一种低相位噪声的UHF频段小数分频频率综合器[J].半导体技术，2018，43（1）：24?30.
　　[15] 王俊郎，栾颖利，王景国，等.L频段低相位噪声光传输技术在卫星通信中的应用[J].光通信技术，2018，42（6）：52?54.
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