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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:吳乃文
研究生(外文):Nai-Wen Wu
論文名稱:干涉式光纖感應器分時多工系統在FPGA數位訊號處理架構中使用同一個數位PGC解調器的技術
論文名稱(外文):The Multi-Sensors Demodulation Technique of the Fiber Optic Time-Division Multiplexing Interferometric System by Using Single PGC Demodulator in FPGA Digital Signal Processing
指導教授:黃世巨
指導教授(外文):Shih-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:2015
畢業學年度:103
語文別:中文
論文頁數:77
中文關鍵詞:多工系統在FPGA數位PGC解調器的技術
外文關鍵詞:Multi-SensorsUsing Single PGC DemodulatorTime-Division Multiplexing
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本文提出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,使用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。透過類比數位轉換電路板,將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。數位訊號處理由FPGA-Xilinx程式處理,此程式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。
  本文的核心架構,是以Simulink做為平台,使用同一個數位PGC解調器做所有感應器的信號解調處理,能更有效率的應用在模擬以及實際應用上。

In this paper, we propose the digital signal processing of the time division multiplexing of polarization insensitive fiber optic Michelson interferometric sensors by using FPGA circuit. We make the work of the original PGC demodulation by digital processing circuit instead of analog processing circuit with this technology. The demodulation signal of interferometric sensor by using analog circuit will distort due to component aging, 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 A/D circuit, we capture the analog signal of the input interference signal into a digitized signal for digitizing signal processing.. digital signal of the PGC demodulation output signal is converted to analog signal output through D/A circuit. The Digital signal processing is executed by using the FPGA-Xilinx 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.
This paper is based on Simulink as a platform, using a single PGC demodulator circuit to do multi-sensors demodulation, and can more applied in digital system and practical application.

目錄
摘要 VI
Abstract VII
目錄 IX
圖目錄 IV
第一章簡介 1
1.1研究動機 1
1.2論文結構 2
第二章多工感測系統原理與元件分析 3
2.1多工系統(TDM-PIFOMI)系統干涉理論分析 3
2.2多工系統(TDM-PIFOMI)系統感應器的干涉訊號原理 11
2.2.1產生感應器間串音的干涉訊號條件 11
2.2.2產生感應器間相位雜訊的干涉訊號條件及特性 12
2.2.3 三個感應器TDM-PIFOMI系統感應器間相位雜訊 14
2.2.4延遲光纖的串音和相位雜訊 20
2.3光電及電路元件介紹 21
2.3.1 DFB雷射光源 21
2.3.2 EP1550雷射光源 22
2.3.3光強度調變器 22
2.3.4循環器(Circulator)&光隔離器(Isolator) 24
2.3.5摻鉺光纖放大器 25
2.3.6第旋轉鏡(FRM) 26
2.3.7陶瓷(PZT- Poled zirconate titanatec)相位調制器 27
2.3.8系統元件 27
第三章實驗系統的特性與分析 29
3.1 SI1、SI2、SI3、SI4及CI光程差之差值 29
3.2 模擬感應訊號與串音訊號之選擇 29
3.2.1 SI1的模擬感應訊號(200Hz,1 rad) 29
3.2.2 SI2的模擬串音訊號(310Hz,2 rad) 29
3.2.3 SI3的模擬串音訊號(350Hz,2 rad) 30
3.2.4 SI4的模擬串音訊號 (370Hz,2 rad) 30
3.3 光纖干涉儀PGC解調精準度測試系統 30
3.4 自製電路板特性與分析 31
3.4.1 類比數位轉換晶片AD9266A 31
3.4.2 ADuc841微處理器系統 31
3.4.3 數位類比轉換晶片AD5790 32
第四章 數位化系統解調的技術 34
4.1 數位化PGC解調系統的理論與設定 34
4.1.1 使用FPGA數位訊號處理執行感應器PGC解調的理論 34
4.1.2系統時脈設定 36
4.2 Simulink數位元件設計原理與設定 39
4.2.1 Simulink模擬TDM系統訊號 39
4.2.2模擬訊號分析 41
4.3 Xilinx數位元件設計原理與設定 45
4.3.1 訊號分離與訊號格式轉換整合(Merge) 46
4.3.2 脈波設定(Pulse) 47
4.3.3 取樣與維持 (Sample & Hold) 48
4.3.4 延長補齊訊號 (Extend Signal) 48
4.3.5 等效乘法器 49
4.3.6 微分器設計原理 50
4.3.7 半積分器設計原理與調整 51
4.3.8 低通濾波器設計 53
4.3.9解調分頻 56
第五章 結論 57
5.1  數位化PGC解調實驗(Simulink模擬結果) 57
5.2 未來發展 61
參考文獻………………………………………………………………………………………………………………..62

圖目錄
圖1兩個感應器TDM-PIFOMIS系統…………………..……..................................3
圖2 N個感應器TDM-PIFOMIS系統……………………………………..………11
圖3 3個感測器系統架構圖…………………..……………………………………14
圖4 DFB雷射特性…………………………………………..…………………….20
圖 5 EP1550雷射特性………………………………………………………..……………………………….22
圖6光強度調變器(OGW)實體圖…………………………………………………………….…….……23
圖7光強度調變器(OGW) 內部構造圖……………………………………………………………..23
圖8個感應器TDM-PIFOMIS系統實驗架構……………………………………25
圖9 數位化系統……………………………………………………………………27
圖10 修正型的PGC解調器之相位解調處理技術方塊圖………………………33
圖11 四個Simulink模擬訊號系統架構圖………………………………………..37
圖12模擬TDM系統脈波訊號源……………………………………………….....40
圖13 模擬干涉訊號源架構圖………………………………………………...…40
圖14 感測訊號與干涉訊號模擬圖………………………………………..……41
圖15 FPGA-Xilinx程式系統架構圖……………………………………………42
圖16 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)………………………………………………………………………….…….…43
圖17 脈波架構圖…………………………………………………………………44.
圖18 取樣與維持 (Sample & Hold)程式架構圖………………………….……..45
圖19 Extend Signal 程式架構圖………………………………………………..46
圖20 等效乘法器架構…………………………………………………………47
圖21 微分器架構………………………………………………………………..47
圖22 半積分器架構……………………………………………………………48
圖23 低通濾波器之模擬(20db)……………………………………….…………51
圖24 低通濾波器………………………………………………………………….52
圖25 分出頻率……………………………………………………………………52
圖 26 模擬訊號源………………………………………………………………54
圖27  (上)干涉訊號, 圖(下)經過反轉器後干涉圖通過一倍頻二倍頻……54
圖28 上(一)上(二)是一倍頻進入低通 下(一)下(二)是二倍頻進入低通………...55 
圖29  通過LPF後的干涉圖…………………………………………………….55
圖30 最後解調的訊號圖………………………………………….………….…...58
圖31分別是4組SI1、SI2、SI3、SI4………………………………………….………….59
圖32. 只取出SI1的訊號…………………………………………………………….59



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