臺灣博碩士論文加值系統

無載波訊號干涉訊號解調技術不需要加入載波訊號，而是直接用干涉訊號的數位取樣訊號做感應訊號解調，本研究將提出無載波訊號干涉訊號解調的理論及解調邏輯的關鍵技術，是文獻史上首次以此方式作干涉訊號解調。和計數式訊號(counting signal processing)解調系統相比，此干涉訊號解調新技術的優點在於能顯現原始感應訊號波形（包含感應訊號的頻率及振幅的完整訊息），且同樣擁有極佳的動態範圍，有利於做訊號處理以提升安全偵測系統的鑑別功能。和PGC解調相比，此干涉訊號解調新技術的優點在於能解調更高頻及更大振幅的感應訊號。
本研究使用Simulink模擬無載波訊號解調，在取樣頻率100MHz且原始相位訊號振幅為4.14 rad的情況下，最大可解調頻率高達555KHz；在取樣頻率為100MHz且相位訊號頻率為1KHz時，最大可解調振幅為1400 rad，最小可解調振幅為0.01 。之後將使用FPGA數位電路做訊號處理，由於智慧型數位電路在功能和處理速度快速的進步，使得我們預期無載波訊號解調是可行的，同樣的使用FPGA數位電路的最大優點即為可作並列式及時訊號處理。
本研究利用無偏振感受性邁克遜干涉式光纖感測器(Polarization Insensitive Fiber Optic Michelson Interferometric Sensor，簡稱PIFOMIS)感應外界擾動並產生干涉訊號，將干涉訊號輸入A/D電路板即可得到數位干涉訊號，然後輸入FPGA電路板中進行無載波訊號解調。FPGA的解調程式是由Xilinx模擬程式所撰寫，將數位干涉訊號經過一連串的數學運算及邏輯判斷後，解調出原始的感應訊號。

This is the first time to demodulate the original sensing signal without using carrier signal but the digital interference signal. The theory and logical skill of the interference demodulation without carrier signal will be proposed in this paper. comparing with the counting signal processing demodulation system, the advantages of the new demodulation technique are showing the wave form of original sensing signal (including the frequency and amplitude of the sensing signal), and also have great dynamic range. Comparing with the PGC demodulation technique, demodulating higher frequency and larger amplitude are the advantages of the new demodulation technique.
We use Simulink to simulate the signal demodulation without carrier signal. Setting the sample frequency to be 100MHz and the amplitude of sensing signal to be rad, the maximum demodulation frequency is 555KHz. Setting the sample frequency to be 100MHz and the frequency of sensing signal to be 1KHz, the maximum demodulation amplitude is 1400 rad and minimum is 0.01 rad. Then, using FPGA circuit board to do digital signal processing. Because of the rapidly development of smart digital circuit and signal processing time, we expect that the demodulation without carrier signal is usable. Similarly, the most important advantage of using FPGA digital circuit is simultaneously signal processing in parallel.
We use the Polarization Insensitive Fiber Optic Michelson Interferometric Sensor to sense the environmental disturbance and generate the interference signal and then demodulate the sensing signal in FPGA circuit board by using Xilinx program language. Via a series of mathematical operation and logical judgement, we can get the demodulation signal of sensing signal from interference signal.

目錄
致謝 I
摘要 II
Abstract III
目錄 V
圖目錄 VIII
表目錄 XIV
第一章 簡介 1
1.1 研究動機 1
1.2 論文架構 2
第二章 實驗理論分析及模擬軟體介紹 3
2.1 無載波解調原理 3
2.2 模擬程式 7
2.2.1 Simulink 7
2.2.2 Xilinx 8
2.2.3 Simulink與Xilinx之比較 9
第三章 模擬程式流程及方法 10
3.1 模擬程式流程圖 10
3.2 模擬方法 12
3.2.1 極大及極小值之判斷 12
3.2.2 反折點之判斷 16
3.2.3 波形的重建 20
第四章 實驗項目及實際操作結果 24
4.1 實驗項目及預期結果 24
4.2 Simulink模擬結果 28
4.2.1 一般弦波解調之結果 28
4.2.2 混波解調之結果 31
4.2.3 解調訊號之頻率極限 33
4.2.4 解調訊號之振幅極限 34
4.3 Xilinx模擬結果 53
4.3.1 一般弦波解調之結果 53
4.3.2 混波解調之結果 56
4.3.3 解調訊號之頻率極限 58
4.2.4 解調訊號之振幅極限 59
4.4 兩模擬程式模擬結果之比較與討論 63
4.5 自製A/D電路板與FPGA506板之合併使用 64
4.6 遭遇問題及解決辦法 65
第五章 結論 70
5.1 研究結論 70
5.2 未來展望 71
參考文獻 72

圖目錄
圖1 無偏振感受性邁克遜干涉式光纖感測器(Polarization Insensitive Fiber Optic Michelson Interferometric Sensor) 4
圖2 模擬程式流程圖 11
圖3 光纖佈放在泥土中所得訊號，100ms內約有9個極大值及3個極小值 12
圖4 光纖佈放在圍籬上所得訊號，100ms內約有40個極大值及33個極小值 12
圖5 相位振幅為0.2 rad之干涉訊號(訊號貼近極大值) 15
圖6 相位振幅為 rad之干涉訊號 15
圖7 相位振幅為20 rad之干涉訊號 15
圖8 小訊號的干涉圖形範例，干涉訊號的極小值並非-1(上為相位訊號，下為干涉訊號) 16
圖9 最常見之反折點範例(上為相位訊號，下為干涉訊號) 17
圖10 須以等效頻率來判斷之反折點範例，注意干涉訊號的某段頂端持續保持最大值(上為相位訊號，下為干涉訊號) 19
圖11 最嚴苛條件之反折點範例(上為相位訊號，下為干涉訊號) 20
圖12完美解調與反折點判斷錯誤之比較圖(上為相位訊號；中為干涉訊號；下為解調訊號) 23
圖13 振幅 ，頻率 25
圖14 振幅 干涉訊號波形，頻率 26
圖15 振幅 干涉訊號波形，頻率 27
圖16 相位振幅1.1 rad，訊號頻率1KHz，bias為0的解調結果。(由上而下分別為原始訊號、干涉訊號及解調訊號) 28
圖17 相位振幅1.1 rad，訊號頻率1KHz，bias為 的解調結果。(由上而下分別為原始訊號、干涉訊號及解調訊號) 29
圖18 相位振幅0.1 rad，訊號頻率1KHz，bias為0的解調結果。(由上而下分別為原始訊號、干涉訊號及解調訊號) 29
圖19 相位振幅0.1 rad，訊號頻率1KHz，bias為 的解調結果。(由上而下分別為原始訊號、干涉訊號及解調訊號) 30
圖20 振幅5 rad頻率1KHz的相位訊號與振幅30 rad頻率500Hz的相位訊號相加。(由上而下分別為原始訊號、干涉訊號及解調訊號) 31
圖21 振幅2 rad頻率1KHz的相位訊號與振幅5 rad頻率100Hz的相位訊號相乘。(由上而下分別為原始訊號、干涉訊號及解調訊號) 32
圖22 振幅為 rad時，最大可解調頻率為480.8KHz。(由上而下分別為原始訊號、干涉訊號及解調訊號) 33
圖23 解析度為0.99，訊號頻率為1KHz之振幅極限。(由上而下分別為原始訊號、干涉訊號及解調訊號) 35
圖24 解析度為0.995，訊號頻率為1KHz之振幅極限。(由上而下分別為原始訊號、干涉訊號及解調訊號) 36
圖25 解析度為0.999，訊號頻率為1KHz之振幅極限。(由上而下分別為原始訊號、干涉訊號及解調訊號) 37
圖26 解析度為0.9999，訊號頻率為1KHz之振幅極限。(由上而下分別為原始訊號、干涉訊號及解調訊號) 38
圖27 解析度0.99，訊號頻率為10KHz之振幅極限。(由上而下分別為原始訊號、干涉訊號及解調訊號) 39
圖28 解析度0.995，訊號頻率為10KHz之振幅極限。(由上而下分別為原始訊號、干涉訊號及解調訊號) 40
圖29 解析度0.999，訊號頻率為10KHz之振幅極限。(由上而下分別為原始訊號、干涉訊號及解調訊號) 41
圖30 解析度0.9999，訊號頻率為10KHz之振幅極限。(由上而下分別為原始訊號、干涉訊號及解調訊號) 42
圖31 解析度0.99，訊號頻率為1KHz之振幅極限。(由上而下分別為原始訊號、干涉訊號及解調訊號) 43
圖32 解析度0.995，訊號頻率為1KHz之振幅極限。(由上而下分別為原始訊號、干涉訊號及解調訊號) 44
圖33 解析度0.999，訊號頻率為1KHz之振幅極限。(由上而下分別為原始訊號、干涉訊號及解調訊號) 45
圖34 解析度0.9999，訊號頻率為1KHz之振幅極限。(由上而下分別為原始訊號、干涉訊號及解調訊號) 46
圖35 解析度0.99，訊號頻率為10KHz之振幅極限。(由上而下分別為原始訊號、干涉訊號及解調訊號) 47
圖36 解析度0.995，訊號頻率為10KHz之振幅極限。(由上而下分別為原始訊號、干涉訊號及解調訊號) 48
圖37 解析度0.999，訊號頻率為10KHz之振幅極限。(由上而下分別為原始訊號、干涉訊號及解調訊號) 49
圖38 解析度0.9999，訊號頻率為10KHz之振幅極限。(由上而下分別為原始訊號、干涉訊號及解調訊號) 50
圖39 原始相位訊號振幅超過可解調最大振幅，導致解調失真 52
圖40 相位振幅0.1 rad，訊號頻率1KHz，bias為0的解調結果。(由上而下分別為原始訊號、干涉訊號及解調訊號) 53
圖41 相位振幅0.1 rad，訊號頻率1KHz，bias為 的解調結果。(由上而下分別為原始訊號、干涉訊號及解調訊號) 54
圖42 相位振幅2 rad，訊號頻率1KHz，bias為0的解調結果。(由上而下分別為原始訊號、干涉訊號及解調訊號) 54
圖43 相位振幅2 rad，訊號頻率1KHz，bias為 的解調結果。(由上而下分別為原始訊號、干涉訊號及解調訊號) 55
圖44 振幅3 rad頻率1KHz的相位訊號與振幅7 rad頻率100Hz的相位訊號相加。(由上而下分別為原始訊號、干涉訊號及解調訊號) 56
圖45 振幅2 rad頻率1KHz的相位訊號與振幅5 rad頻率100Hz的相位訊號相乘。(由上而下分別為原始訊號、干涉訊號及解調訊號) 57
圖46 振幅為 rad時，最大可解調頻率為250KHz。(由上而下分別為原始訊號、干涉訊號及解調訊號) 58
圖47 解析度0.99，訊號頻率為1KHz之振幅極限。(由上而下分別為原始訊號、干涉訊號及解調訊號) 60
圖48 解析度0.995，訊號頻率為1KHz之振幅極限。(由上而下分別為原始訊號、干涉訊號及解調訊號) 61
圖49 解析度0.999，訊號頻率為1KHz之振幅極限。(由上而下分別為原始訊號、干涉訊號及解調訊號) 62
圖50 開根號元件之加速測試 66
圖51 微分器修改前與修改後之差別。 68
圖52 折點判斷式與極大極小值判斷式之delay調整 69

表目錄
表1 Simulink與Xilinx模擬程式之差異。 9
表2 不同相位振幅下，等效頻率反折點累積點數與非反折點累積點數之比值。 19
表3 取樣頻率100MHz，相位訊號頻率1KHz之振幅極限模擬結果。 34
表4 取樣頻率100MHz，相位訊號頻率10KHz之振幅極限模擬結果。 39
表5 取樣頻率25MHz，相位訊號頻率1KHz之振幅極限模擬結果。 43
表6 取樣頻率25MHz，相位訊號頻率10KHz之振幅極限模擬結果。 47
表7 取樣頻率25MHz，相位訊號頻率1KHz之振幅極限模擬結果。 59
表8 Xilinx與Simulink的解析度與解調極限之比較。 63

參考文獻

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