CN116455367A - 基于高频组合逻辑的边沿检测与通道合成器及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于高频组合逻辑的边沿检测与通道合成器及其设计方法，包括十六合一边沿检测与通道合成器，十六合一边沿检测与通道合成器包括四块四合一的边沿检测与通道合成器和用于将分别由四块四合一的边沿检测与通道合成器输出的四路信号合成为一路的三块通道合成器；四合一的边沿检测与通道合成器包括并联的四路边沿检测电路和用于将四路边沿检测电路的输出信号合成为一路的三路信号合成电路。本发明采用上述基于高频组合逻辑的边沿检测与通道合成器及其设计方法，具有研制成本低、信号同步准确和同步信号规模大等优点，从而在高频信号的检测与合成领域有着非常大的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及高频信号的检测与合成器技术领域，尤其涉及基于高频组合逻辑的边沿检测与通道合成器及其设计方法。
背景技术
针对月球轨道及其以外空间的深空探测对人类的发展有着重要意义，随着深空探测距离的不断增加，深空激光通信技术成为人类进行深空探测的一个重要研究方向。
由于探测距离远、深空环境恶劣，故实现高速稳定的通信要求也越来越高。目前采用PPM调制方式的高灵敏单光子探测器作为一种深空探测极微弱信号的通信***被广泛研究。由于需要高速的PPM通信，且单光子脉冲有较长拖尾。采用单光子探测器阵列，并且按精准时隙去合成接收到的各路极窄的单光子脉冲信号并进行同步处理是目前面临的比较大的挑战。
对于边沿检测与通道合成器的设计领域，目前国内外所采用的方案普遍是由美国林肯实验室提出的时序逻辑电路。然而，基于时序逻辑设计的边沿检测与通道合成器，一方面需要高频时钟电路完成时钟同步，硬件成本较高。另一方面，由于存在时钟抖动和相位噪声，实现各通道高频时钟信号(200ps的单光子脉冲信号)精确同步困难。同时，在器件的加工过程中，由于存在误差会导致传输路径延迟差异。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种基于高频组合逻辑的边沿检测与通道合成器及其设计方法，具有研制成本低、信号同步准确和同步信号规模大等优点，从而在高频信号的检测与合成领域有着非常大的应用前景，解决了高频时钟信号难以精准同步以及各传输路径延时差异补偿问题
为实现上述目的，本发明提供了基于高频组合逻辑的边沿检测与通道合成器，包括十六合一边沿检测与通道合成器，十六合一边沿检测与通道合成器包括四块四合一的边沿检测与通道合成器和用于将分别由四块四合一的边沿检测与通道合成器输出的四路信号合成为一路的三块通道合成器；
四合一的边沿检测与通道合成器包括并联的四路边沿检测电路和用于将四路边沿检测电路的输出信号合成为一路的三路信号合成电路。
优选的，边沿检测电路包括高速比较器、延时器和与门，高速比较器的同相输出端和反向输出端分别经长度不等的微带线连接两个延时器，两个延时器与与门连接。
优选的，信号合成电路包括或门和两个可调延时器，两个可调延时器经长度相等的两个微带线分别连接于或门的两个输入端。
基于高频组合逻辑的边沿检测与通道合成器的设计方法，包括以下步骤：
S1、通过微带线将高速比较器、延时器和与门依次串联组成边沿检测电路；
S2、将边沿检测电路的与门和多级或门级连，并且在或门的输入端加入可调延时器形成信号合成电路，以补偿各路信号的延时误差；
S3、将边沿检测电路与信号合成电路分别集成在不同的高频PCB板上，制成高频PCB板；
S4、在每块高频PCB板上均集成电源整流电路；
S5、将四块集成有边沿检测电路的高频PCB板和三块集成有信号合成电路的高频PCB板封装在一个矩形屏蔽腔体中，组成一个四合一的边沿检测与通道合成器，同时将集成有信号合成电路的高频PCB板组成一个通道合成器；
S6、将四块四合一边沿检测与通道合成器和三块通道合成器通过高频线依次级联组成十六合一的边沿检测与通道合成器。
优选的，步骤S1具体包括以下步骤：
S11、采用高频电路设计方法，并基于射频阻抗匹配的原则，通过两路长度不等的微带线分别将高速比较器的同相输出端、反向输出端与两个延时器相连，以保证两路相位相反的信号相对延迟为200ps；
S12、通过长度相等的两个微带线分别将延时器的两个输出端和与门的两个输入端相连。
优选的，步骤S3所述的高频PCB板为rogers高频板。
优选的，在步骤S3中还包括在高频PCB板的层间打满通孔，以补偿层间的电容效应。
优选的，步骤S4所述的电源整流电路由外部电源模块统一提供12V的输入电压。
优选的，步骤S5所述的矩形屏蔽腔体的腔壁上连接有穿心电容，外部电源模块经穿心电容与电源整流电路连接，减少电磁干扰。
本发明具有以下有益效果：
1、无需同步时钟，一方面省去了高频5GHz时钟产生电路，节约了硬件研制成本；另一方面避免了因时钟抖动及相位噪声特性所带来的不利影响，同时克服了需实现各通道高频时钟信号精准同步的困难。
2、采用数ps步进级别的高精度延时器调节各路延时，可精准补偿各路通道间因加工误差而导致的传输路径延迟差异，实现16路ppm信号时隙的精准对齐。
3、16路ppm信号合成设计采用二合一级联拓展网络架构，有利于进一步扩展通道数，实现更大规模的高速单光子信号合成。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的基于高频组合逻辑的边沿检测与通道合成器的结构框图；
图2为本发明的实施例所述的16路模拟单光子信号合成图；
图3为本发明的实施例所述的16路模拟单光子信号合成结果图；
图4为本发明的实施例所述的超导纳米线单光子探测器输出并经整形后的PPM信号波形图；
图5为本发明的实施例所述的存在误响应的前提下多通道信号合成器与单光子探测器联调的测试结果图；
图6为本发明的实施例所述的存在漏响应的前提下多通道信号合成器与单光子探测器联调的测试结果图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。
基于高频组合逻辑的边沿检测与通道合成器，包括十六合一边沿检测与通道合成器，十六合一边沿检测与通道合成器包括四块四合一的边沿检测与通道合成器和用于将分别由四块四合一的边沿检测与通道合成器输出的四路信号合成为一路的三块通道合成器；四合一的边沿检测与通道合成器包括并联的四路边沿检测电路和用于将四路边沿检测电路的输出信号合成为一路的三路信号合成电路。
其中，边沿检测电路包括高速比较器、延时器和与门，高速比较器的同相输出端和反向输出端分别经长度不等的微带线连接两个延时器，两个延时器与与门连接。
优选的，信号合成电路包括或门和两个可调延时器，两个可调延时器经长度相等的两个微带线分别连接于或门的两个输入端。
基于高频组合逻辑的边沿检测与通道合成器的设计方法，包括以下步骤：
S1、通过微带线将高速比较器、延时器和与门依次串联组成边沿检测电路；
优选的，步骤S1具体包括以下步骤：
S11、采用高频电路设计方法，并基于射频阻抗匹配的原则(走线时严格按照射频阻抗匹配的设计方法，各路差分信号线严格等长。另外，每块高频电路板各层均铺设大面积地；高频走线不交叉，保持较远间距，满足电磁兼容信号完整性设计要求)，通过两路长度不等的微带线分别将高速比较器的同相输出端、反向输出端与两个延时器相连，以保证两路相位相反的信号相对延迟为200ps；
S12、通过长度相等的两个微带线分别将延时器的两个输出端和与门的两个输入端相连。
S2、将边沿检测电路的与门和多级或门级连，并且在或门的输入端加入可调延时器形成信号合成电路，以补偿各路信号的延时误差，同时利用可调延时器弥补各路信号间由于传输路径非理想引入的延迟误差；
S3、将边沿检测电路与信号合成电路分别集成在不同的高频PCB板上，制成高频PCB板；
优选的，步骤S3所述的高频PCB板为rogers高频板。
优选的，在步骤S3中还包括在高频PCB板的层间打满通孔，以补偿层间的电容效应。
S4、在每块高频PCB板上均集成电源整流电路；
优选的，步骤S4所述的电源整流电路由外部电源模块统一提供12V的输入电压。
S5、将四块集成有边沿检测电路的高频PCB板和三块集成有信号合成电路的高频PCB板封装在一个矩形屏蔽腔体中，组成一个四合一的边沿检测与通道合成器，同时将集成有信号合成电路的高频PCB板组成一个通道合成器；
优选的，步骤S5所述的矩形屏蔽腔体的腔壁上连接有穿心电容，外部电源模块经穿心电容与电源整流电路连接，减少电磁干扰。
S6、将四块四合一边沿检测与通道合成器和三块通道合成器通过高频线依次级联组成十六合一的边沿检测与通道合成器。
实施例
图2为本发明的实施例所述的16路模拟单光子信号合成图；图3为本发明的实施例所述的16路模拟单光子信号合成结果图；图4为本发明的实施例所述的超导纳米线单光子探测器输出并经整形后的PPM信号波形图；图5为本发明的实施例所述的存在误响应的前提下多通道信号合成器与单光子探测器联调的测试结果图；图6为本发明的实施例所述的存在漏响应的前提下多通道信号合成器与单光子探测器联调的测试结果图，需要说明的是图2-图6中横坐标均为时间，纵坐标均为幅值，如图2-图6所示，16路ppm信号合成设计采用二合一级联拓展网络架构，需要说明的是可进一步扩展通道数，实现更大规模的高速单光子信号合成；在四合一边沿检测与通道合成器中，每路信号分别经过高速比较器，高速输出两路相位相反的信号，利用各路信号之间线路长度差异并且结合延迟器精确调整两路相位相反的信号的相对延迟为200ps(根据pcb板介电常数及厚度，计算出微带线tem模的传播速度，根据所需200ps时间差，计算出微带线长度差异，再通过延迟器精确调整时间差，大幅降低设计误差。)，可精准补偿各路通道间因加工误差而导致的传输路径延迟差异，实现每路ppm信号时隙的精准对齐，而后经过与门完成边沿提取，再或门组成的两级信号合成器，最终形成一路信号；而四个四合一边沿检测与通道合成器输出的四路信号，再经两级信号合成器即可合成一路信号，从而实现了将16路脉冲序列合成为一路PPM信号输出。
可知，相比于基于时序逻辑电路的边沿检测与通道合成器，本实施例所设计电路不需要同步时钟，一方面省去了5GHz的高频时钟产生电路，节约了硬件研制成本；另一方面避免了因时钟抖动及相噪特性所带来的不利影响，以及克服了需实现各通道高频时钟信号精准同步的困难。
实验例1：边沿检测与通道合成器的16通道信号合成性能测试实验
为了验证十六合一边沿检测与通道合成器的16路信号合成性能，在北理工实验室用FPGA板卡模拟出16路单光子信号，其脉宽(20ns)、峰值(约500mV)、周期(无周期)、上升沿时间差(没测量过)等参数均与单光子检测器输出信号相似。实验中，采用3个直流电源给四个四合一边沿检测与通道合成器以及信号合成器供电，所有模块的总功耗约100W左右。
由测试结果可知，根据脉冲波形周期可清楚鉴别出，所有16路信号均成功合成为1路。合路信号中不存在多余脉冲或缺失脉冲，且与设置严格对比发现，所有脉冲的相对时间位置与设置精准对应。任意选取合成信号中的1个脉冲进行分析，可测算出脉冲宽度为大致200ps。由于脉冲信号的基频太高，受到示波器采用率限制和线缆高频损耗的影响，脉冲形状不是十分标准的矩形脉冲形状，这一现象是很合理的。从而证明，边沿检测与通道合成器的16通道信号合成性能已得到成功验证。
实施例2：多通道信号合成器与单光子探测器联调实验
在***演示验证试验中，采用PPM激光信号发射器作为信号发生源、南京大学单光子探测器阵列作为上、下行信号接收装置以及本发明所述16通道边沿检测与合成器。可知，对于上行信号，光纤耦合超导纳米线单光子探测器与53cm望远镜耦合，接收上行信号，实现通信测距功能。对于下行信号，空间耦合超导纳米线阵列单光子探测器与1.2m望远镜耦合，接收下行信号，实现通信测距和跟踪测角一体化功能。
超导纳米线阵列单光子探测器吸收光子的过程在电路上表现为快速上升，随后指数衰减的电脉冲。实验中发现该脉冲呈现较强的抖动现象，而该抖动与激光器激光脉冲宽度成正比。通过实验调节发现，减小激光脉冲宽度能够在一定程度上减小脉冲抖动。
同时由多通道信号合成器与单光子探测器联调的测试结果可知。受暗计数、噪声等因素影响，单光子探测器的响应信号出现时隙多响应脉冲(误响应)或少脉冲(漏响应)的情况。误响应脉冲和漏响应脉冲对后续的信号合成、解调和测距产生较大影响，因此需要通过增加响应强度、纠错信道编译码算法等措施提高***可靠性。证明了，本发明所述多通道信号合成器能够精准提取单光子输出PPM脉冲位置。
上述结果均满足设计要求，且非常理想，也说明了本发明的可行性。
因此，本发明采用上述基于高频组合逻辑的边沿检测与通道合成器及其设计方法，具有研制成本低、信号同步准确和同步信号规模大等优点，从而在高频信号的检测与合成领域有着非常大的应用前景。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.基于高频组合逻辑的边沿检测与通道合成器，其特征在于：包括十六合一边沿检测与通道合成器，十六合一边沿检测与通道合成器包括四块四合一的边沿检测与通道合成器和用于将分别由四块四合一的边沿检测与通道合成器输出的四路信号合成为一路的三块通道合成器；
四合一的边沿检测与通道合成器包括并联的四路边沿检测电路和用于将四路边沿检测电路的输出信号合成为一路的三路信号合成电路。
2.根据权利要求1所述的基于高频组合逻辑的边沿检测与通道合成器，其特征在于：边沿检测电路包括高速比较器、延时器和与门，高速比较器的同相输出端和反向输出端分别经长度不等的微带线连接两个延时器，两个延时器与与门连接。
3.根据权利要求1所述的基于高频组合逻辑的边沿检测与通道合成器，其特征在于：信号合成电路包括或门和两个可调延时器，两个可调延时器经长度相等的两个微带线分别连接于或门的两个输入端。
4.如上述权利要求1-3任一项所述的基于高频组合逻辑的边沿检测与通道合成器的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、通过微带线将高速比较器、延时器和与门依次串联组成边沿检测电路；
S2、将边沿检测电路的与门和多级或门级连，并且在或门的输入端加入可调延时器形成信号合成电路，以补偿各路信号的延时误差；
S3、将边沿检测电路与信号合成电路分别集成在不同的高频PCB板上，制成高频PCB板；
S4、在每块高频PCB板上均集成电源整流电路；
S5、将四块集成有边沿检测电路的高频PCB板和三块集成有信号合成电路的高频PCB板封装在一个矩形屏蔽腔体中，组成一个四合一的边沿检测与通道合成器，同时将集成有信号合成电路的高频PCB板组成一个通道合成器；
S6、将四块四合一边沿检测与通道合成器和三块通道合成器通过高频线依次级联组成十六合一的边沿检测与通道合成器。
5.根据权利要求4所述的设计方法，其特征在于：步骤S1具体包括以下步骤：
S11、采用高频电路设计方法，并基于射频阻抗匹配的原则，通过两路长度不等的微带线分别将高速比较器的同相输出端、反向输出端与两个延时器相连，以保证两路相位相反的信号相对延迟为200ps；
S12、通过长度相等的两个微带线分别将延时器的两个输出端和与门的两个输入端相连。
6.根据权利要求4所述的设计方法，其特征在于：步骤S3所述的高频PCB板为rogers高频板。
7.根据权利要求4所述的设计方法，其特征在于：在步骤S3中还包括在高频PCB板的层间打满通孔，以补偿层间的电容效应。
8.根据权利要求4所述的设计方法，其特征在于：步骤S4所述的电源整流电路由外部电源模块统一提供12V的输入电压。
9.根据权利要求4所述的设计方法，其特征在于：步骤S5所述的矩形屏蔽腔体的腔壁上连接有穿心电容，外部电源模块经穿心电容与电源整流电路连接，减少电磁干扰。
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