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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:陳培祥
研究生(外文):Pei-Hsiang Chem
論文名稱:干涉式光纖感應器分時多工系統中使用高頻調變降低多個感應器間串音及使用FPGA數位訊號處理作感應器PGC解調的技術
論文名稱(外文):Applying High Frequency Modulation to Reduce Crosstalk Between Multi-Sensors and Using FPGA to Perform Digital PGC Demodulation in Time-Division Multiplexing Interferometric Sensors
指導教授:黃世巨
指導教授(外文):Shin-Chu Huang
學位類別:碩士
校院名稱:國立高雄師範大學
系所名稱:光電與通訊工程學系
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2014
畢業學年度:102
語文別:中文
論文頁數:79
中文關鍵詞:PGC解調
外文關鍵詞:PGC Modulation
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在無偏振感受性邁克遜干涉式光纖感測器分時多工系統(Time division multiplexing of polarization insensitive fiber optic Michelson interferometric sensors,簡稱TDM-PIFOMIS)中,若脈波的消光比(Extinction ratio,簡稱ER)不夠高,會導致感應器間串音(Sensor crosstalk)以及相位雜訊(Phase noise)太大,進而對系統造成影響。本文使用雷射調變一個高頻訊號,有時間差的脈波干涉形成的串音和相位雜訊都會被移至高頻,可降低由其他感應器光纖臂引起的相位雜訊和Rayleigh backscattering引起的相位雜訊,使整體的相位雜訊下降,而且主要感應訊號幾乎不受影響。本文為了驗證此方法亦能應用至多感測器系統中,因此在系統中加入第三個感測器與原先的兩個感測器系統做對照,發現加入第三個感測器後能有效降低數個感應器間串音,且都能有效降低相位雜訊(Phase noise)且總諧波失真( Total harmonic distortion,簡稱THD)也會變小,並且有效改善PGC解調的最小可測相位靈敏度(Minimum phase detection sensitivity,簡稱MPDS)。
  本文中另一部分運用FPGA數位訊號處理作感應器PGC解調的技術,藉由此技術使PGC解調的工作由原先類比電路處理轉為數位化電路去處理。數位電路不像類比電路那樣易受雜訊的干擾。若將干涉式光纖感應器使用類比電路作訊號解調,將會因元件老化等因素而導致失真,要做進一步感應器靈敏度歸一化處理及其他訊號處理也都較為困難及複雜。透過自製電路板(主要元件包含類比數位轉換晶片AD9266、數位類比轉換晶片AD5790、微處理器ADuc841)將其擷取到的類比訊號轉為數位化訊號以便進行數位化訊號處理,數位化運算處理後的解調訊號再透過晶片轉換為類比訊號輸出。PGC解調的技術在轉換數位電路中主要問題是輸出訊號的狀態(「0」或「1」)和輸入訊號(「0」或「1」)之間的訊號格式定義與邏輯判斷關聯。數位訊號處理由FPGA-Xilinx程式處理,而此程式設計部分由邏輯控制部件和數學運算部件兩大部分組成並且配合Malab-Simulink程式做為Xilinx的模擬工具。最後整合數位系統必須依照工作需求分別給予各晶片理想頻率的時脈,且須處理同步問題和晶片間通訊協定才能完成系統數位化。

If the extinction ratio of the optical pulse is low in the time division multiplexing of polarization insensitive fiber optic Michelson interferometric sensors, the sensor system will suffer the crosstalk and noise to degrade the performance. In addition to adjust the extinction ratio of the optical pulse, in this paper, we use a high-frequency current signal direct modulating the laser to generate high-frequency phase signals in the sensor system. As used herein, a laser, a high frequency modulation signal, time difference of the pulse wave and the interference of crosstalk will be moved to the high-frequency phase noise that can be reduced the phase noise caused by the sensor optical fiber arm and Rayleigh backscattering lead to reduce the phase noise of all the sensor system, but the main sensor signal is almost unaffected. In this paper, in order to verify this method can apply to the sensor systems, we add the third sensor to the system and compare to the previous two sensor systems as control, found that adding the third sensor can effectively reduce crosstalk between the number of sensors, the phase noise, total harmonic distortion, and effectively improve the PGC demodulation of the minimum phase detection sensitivity.
  In the part of this article, we use the FPGA digital signal processing for the technique of sensor PGC demodulation. We make the work of the original PGC demodulation by digital processing circuit instead of analog processing circuit with this technology. If interferometric fiber optic sensors use analog circuits for signal demodulation will be due to component aging and other factors lead to distortion , to do further sensor sensitivity normalization process and other signal processing are also more difficult and complicated.In the paper, PGC demodulation of digital system is mainly divided into digital signal conversion and signal processing. Through homemade circuit board (which includes analog to digital converter chip, digital to analog converter chip), we capture the analog signal into a digitized signal for digitizing signal processing. The demodulation signal processed by the digitization operation converts to an analog signal output through the chip. The mainly problem of PGC demodulation techniques in digital conversion circuitry is the signal definition between the state of the output signal ( "0" or "1" ) and the input signal ( "0" or "1" ) which associated with the judgment of logic. Digital signal consists of the FPGA-Xilinx processing program. The programming is composed of mathematical control components and logic control components and makes the MATLAB-Simulink program as Xilinx simulation tools. Finally, the integrated digital system must be given the clock of the ideal frequency separately for each chip according to job requirements, and deal with synchronization issues and inter- chip communication protocol to complete the digitization system.
目錄

誌謝 I
摘要 II
Abstract IV
目錄 VI
圖目錄 IX
表目錄 XIII

第一章 簡介 1
1.1 研究動機 1
1.2 論文結構 2
第二章 元件分析與感測系統理論 3
2.1 元件分析 3
2.1.1 DFB雷射光源 3
2.1.2 EP1550雷射光源 3
2.1.3 光強度調變器 4
2.1.4 光循環器(Circulator)&;光隔離器(Isolator) 6
2.1.5 摻鉺光纖放大器 6
2.1.6 法拉第旋轉鏡(FRM) 7
2.1.7 壓電陶瓷(PZT- Poled zirconate titanatec)相位調制器----------------------7
2.1.8 數位化系統元件 8
2.2 使用高頻調變降低TDM-PIFOMI系統串音和相位雜訊 9
2.3 TDM-PIFOMI系統感應器間的干涉訊號條件及特性 13
2.3.1 產生感應器間串音的干涉訊號條件 13
2.3.2 產生感應器間相位雜訊的干涉訊號條件及特性 13
2.4 TDM-PIFOMI系統三個感應器間的理論分析 16
2.4.1 三個感應器間串音理論分析 16
2.4.1.1 由SI2的PZT2產生模擬訊號在SI1的解調輸出中形成的串音
17
2.4.1.2 由SI3的PZT3產生模擬訊號在SI1的解調輸出中形成的串音
19
2.4.2 三個感應器間相位雜訊理論分析 22
第三章 數位化系統解調的技術 28
3.1 數位化PGC解調系統的理論與設定 28
3.1.1 使用FPGA數位訊化處理執行感應器PGC解調的理論 28   
3.1.2 系統時脈設定 29
3.2 Simulink數位元件設計原理與設定 32
3.2.1 Simulink模擬TDM系統訊號 32
3.2.2 模擬訊號分析 33
3.3 Xilinx數位元件設計原理與設定 36
3.3.1 訊號分離與訊號格式轉換整合(Merge) 37
3.3.2 脈波(Pulse) 37
3.3.3 取樣與維持(Sample &; Hold) 38
3.3.4 延長補齊訊號(Extend Signal) 39
3.3.5 等效乘法器 40
3.3.6 微分器設計原理 41
3.3.7 半積分器設計原理與調整 42
3.3.8 低通濾波器設定 44
第四章 實驗系統的特性與分析 45
4.1 SI1、SI2、SI3及CI光程差之差值 45
4.2 模擬感應訊號與串音訊號之選擇 45
4.2.1 SI1的模擬感應訊號(200Hz,1 rad) 45
4.2.2 SI2的模擬感應訊號(310Hz,2 rad) 45
4.2.3 SI3的模擬感應訊號(350Hz,2 rad) 46
4.3 光纖干涉儀PGC解調精準度測試系統 46
4.4 高頻電流調變訊號之選擇 46
4.5 自製電路板特性與分析 47
4.5.1 類比數位轉換晶片AD9266A 48
4.5.2 ADuc841微處理器系統 48
4.5.3 數位類比轉換晶片AD5790 49
第五章 實驗步驟與結果 50
5.1 第三個感測器的校正與量測實驗 50
5.1.1 第3個感測器的光程差(OPD)校正實驗 53
5.1.2 第3個感測器的相位振幅(rad)對應的電壓量測實驗 53
5.2 加入第3個感測器的系統架構實驗 54
5.3 加入第3個感測器的實驗結果(時域Time domain) 54
5.4 加入第3個感測器的實驗結果(頻域Frequency domain) 58
5.4.1 雷射高頻調變降低串音(Crosstalk)實驗 59
5.4.2 雷射高頻調變降低相位雜訊(noise)實驗 66
5.5 數位化PGC解調實驗(Simulink模擬結果) 72
第六章 結論 75
6.1 研究結論 75
6.2 未來發展 76
參考文獻 77

圖目錄

圖1 DFB雷射特性 3
圖2 EP1550雷射特性 4
圖3 光強度調變器(OGW)實體圖 5
圖4 3個感應器TDM-PIFOMIS系統實驗架構 6
圖5 數位化系統 8
圖6 N個感應器TDM-PIFOMIS系統 13
圖7 3個感測器系統架構圖 16
圖8 修正型的PGC解調器之相位解調處理技術方塊圖 28
圖9 Simulink系統架構圖 32
圖10 模擬TDM系統脈波訊號源 34
圖11 模擬干涉訊號源架構圖 35
圖12 感測訊號與干涉訊號模擬圖 35
圖13 FPGA-Xilinx程式系統架構圖 36
圖14 範例:訊號分離與訊號格式轉換整合(Merge) 2 bits(系統實際上為 16 bits) 37
圖15 脈波架構圖 38
圖16 取樣與維持 (Sample &; Hold)程式架構圖 39
圖17 Extend Signal 程式架構圖 39
圖18 等效乘法器架構 40
圖19 微分器架構 41
圖20 半積分器架構 42
圖21 濾波器參數 以3K Hz為3dB點 44
圖22 OPD測量-標記二倍頻示意圖 52
圖23 OPD測量-標記四倍頻示意圖 52
圖24 EP1550只有CI加上carrier訊號之干涉波形 54
圖25 EP1550 干涉的脈波波形及time delay generator輸出脈波 55
圖26 EP1550 PGC解調輸出波形圖(只有SI1加200Hz) 55
圖27 EP1550 PGC解調輸出波形圖(SI1加200Hz 、SI2加310Hz及SI3加350Hz ) 56
圖28 DFB 干涉的脈波波形及time delay generator輸出脈波 56
圖29 DFB只有CI加上carrier訊號之干涉波形圖 57
圖30 DFB PGC解調輸出波形圖(只有SI1加200Hz) 57
圖31 DFB PGC解調輸出波形圖(SI1加200Hz 、SI2加310Hz及SI3加350Hz ) 58
圖32 EP1550,310 Hz串音訊號 60
圖33 EP1550,310 Hz串音訊號(ER=28.3dB ) 60
圖34 EP1550,350 Hz串音訊號(ER=20dB ) 61
圖35 EP1550,350 Hz串音訊號(ER=28.3dB ) 61
圖36 DFB ,310 Hz串音訊號(ER=20dB ) 62
圖37 DFB ,310 Hz串音訊號(ER=28.3dB ) 62
圖38 DFB ,350 Hz串音訊號(ER=20dB ) 63
圖39 DFB ,350 Hz串音訊號(ER=28.3dB ) 63
圖40 取樣於第二個脈波,未加高頻調變訊號感應訊號和相位雜訊(EP1550,ER=20 dB) 67
圖41 加高頻調變訊號感應訊號和相位雜訊(EP1550,ER=20 dB) 67
圖42 取樣於第二個脈波,未加高頻調變訊號感應訊號和相位雜訊(EP1550,ER=28.3 dB) 68
圖43 加高頻調變訊號感應訊號和相位雜訊(EP1550,ER=28.3 dB) 68
圖44 取樣於第二個脈波,未加高頻調變訊號感應訊號和相位雜訊(EP1550,ER=20 dB) 69
圖45 加高頻調變訊號感應訊號和相位雜訊(EP1550,ER=20 dB) 69
圖46 取樣於第二個脈波,未加高頻調變訊號感應訊號和相位雜訊(EP1550,ER=28.3 dB) 70
圖47 加高頻調變訊號感應訊號和相位雜訊(EP1550,ER=28.3 dB) 70
圖48 模擬訊號源 72
圖49 圖(上) 以40 ns取樣後的干涉訊號, 圖(下)訊號延長並補齊的干涉訊號
73
圖50 圖50(上)干涉訊號, 圖50(下)經過反轉器後干涉圖 73
圖51 通過LPF後的干涉圖 61
圖52 最後解調的訊號圖 61

表目錄

表1 2頻-4頻rad實驗對照表 51
表2 55 KHz 對應的電壓表 53
表3 100 KHz 對應的電壓表 53
表4 150 KHz 對應的電壓表 53
表5 各感應器的相位振幅(rad)動應電壓值 58
表6 實驗結果(EP1550,310 Hz,ER=20dB) 64
表7 實驗結果(EP1550,310 Hz,ER=28.3dB) 64
表8 實驗結果(EP1550,350 Hz,ER=20dB) 64
表9 實驗結果(EP1550,350 Hz,ER=28.3dB) 64
表10 實驗結果(DFB,310 Hz,ER=20dB) 65
表11 實驗結果(DFB,310 Hz,ER=28.3dB) 65
表12 實驗結果(DFB,350 Hz,ER=20dB) 65
表13 實驗結果(DFB,350 Hz,ER=28.3dB) 65
表14 EP1550 降低雜訊的效果(ER=20dB) 71
表15 EP1550 降低雜訊的效果(ER=28.3dB) 71
表16 DFB 降低雜訊的效果(ER=20dB) 71
表17 DFB 降低雜訊的效果(ER=28.3dB) 71

參考文獻

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