数字BPM信号处理算法研究.pdf

第33 卷 第10 期 核 技 术 Vol. 33, No.10 2010 年10 月 NUCLEAR TECHNIQUES October 2010 数字BPM 信号处理算法研究 1,2 1 1 1,2 1,2 1,2 赖龙伟 冷用斌 阎映炳 杨桂森 易 星 张 宁 1 （中国科学院上海应用物理研究所 上海 201800 ） 2 （中国科学院研究生院 北京 100049 ） 摘要 束流位置检测器(BPM)系统是加速器监测系统的重要组成部分,其中涉及的信号处理算法是该系统的关 键，因而该算法的研究对研制数字BPM 系统有极其重要的意义。本文采用GE 公司开发的商业数字信号处理 板ICS-1554A-002 ，采集实验室信号发生器和储存环原始的A 、C 两路数据, 基于软件无线电原理，利用Matlab 对数据进行离线分析。重点设计并讨论了获取逐圈(TBT)束流位置信号的三种数字信号处理算法：多级滤波抽 取算法、单级抽取算法，以及应用快速傅里叶变换(FFT)算法。对各算法的原理、结果及优劣进行了分析，找 到性能及FPGA 实现都较好的信号处理方法。 关键词 数字BPM ，软件无线电，Matlab ，逐圈束流位置，数字信号处理 中图分类号 TN911.72 BPM (Beam Position Monitor)对加速器稳定运 硬件平台分别对信号发生器射频信号和储存环上的 行至关重要。早期的 BPM 采用模拟处理模块，如 信号进行窄带采样，用EPICS (Experimental Physics 法国Bergoz 公司的MX-BPM 模块，其性能指标很 and Industrial Control System, 实验物理及工业控制 好，能将输出的归一化束流位置信号进行A/D 采样 系统)读取各通道数据并保存在本地计算机，再将数 量化，并进行相应的处理计算，从而实现束流位置 据在Matlab 下进行离线分析。储存环上的TBT 信 数据的采集。但它主要用在闭轨测量中，一般不能 号对加速器束流位置和储存环工作点等参数的测量 实现TBT(Turn-by-Turn)数据测量[1,2] 。数字BPM 一 至关重要。本研究的信号处理算法有：基于软件无 般在中频对模拟信号或射频模拟信号进行直接采 线电原理的多级滤波抽取、单级抽取和 FFT (Fast 样，把大部分的信号处理放在数字域中进行。瑞士 Fourier Transform) ，高速采样数据经处理后得到 SLS 的数字 BPM 系统，是世界上首台数字 BPM TBT 速率的数据，进行差比和运算得到位置信号。 (Digital BPM, DBPM)，可满足不同的测量需求[3] 。 分析比较不同算法下束流的TBT 位置及其分辨率， 近年来，斯洛文尼亚IT 公司和法国SOLEIL 及英国 从而得到最优算法，为新一代 DBPM 的研制做准 ．．．．． Diamond 光源联合设计开发的新一代 DBPM 系统 备。 Libera Electron 和Libera Brilliance ，已被上海同步 辐射光源(SSRF)等多个工程项目选用。其有别于前 1 硬件平台 述DBPM 之处，在于其直接对射频信号进行带通采 GE 公司的 ICS-1554A-002 开发板有四片 样，将后续的混频、解调及滤波等处理全部在FPGA 中实现[4] 。这是现在BPM 发展的方向，其中所涉及