CN116297866A - 一种时域反射测量土壤含水率中实现皮秒级等效采样方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种时域反射测量土壤含水率中实现皮秒级等效采样方法。首先选用两个独立的频率误差为0.5 ppm的温补晶振，通过低噪声驱动电路为晶振供电及在晶振输出时钟信号前端增加低通滤波器，减少晶振时钟抖动；其次，产生高频脉冲信号，30MHz温补晶振作为DDS系统时钟，利用FPGA控制DDS的频率控制字调节输出信号频率为10.001MHz，接着，50MHz温补晶振作为FPGA系统时钟，利用FPGA内部锁相环输出10MHz作为低速ADC采样时钟信号；最后，采样信号与待采样信号时间差10ps，每个待采样信号周期进行一次采样，数次循环后，能采集原信号的一个完整周期。这种方法通过两个独立的温补晶振使采样信号与待采样信号时钟频率保持较小频率差，实现了100GSPS等效采样速率。
Description
技术领域
本发明属于土壤参数检测领域，具体涉及一种时域反射测量土壤含水率中实现皮秒级等效采样方法。
背景技术
土壤水是土壤的重要组成部分，对农作物的健康生长有着重要影响。土壤水分含量过高容易使作物根系衰败、腐烂，导致作物畸形生长甚至死亡。土壤水分含量过低，土壤干旱缺水，导致作物不能正常进行光合作用，影响作物的产量和质量。因此，对土壤水分含量进行快速、准确测量，能够从宏观角度实现对于土壤变化趋势以及分布规律的良好认知。时域反射法由于具备较好的快速性、准确性和鲁班性被应用于土壤含水率检测，皮秒级反射信号的采样对于时域反射法测量土壤含水率的准确性尤为关键。
由于时域反射法测量土壤含水率需要采集的反射信号上升沿一般为ps级，ADC芯片在满足模拟带宽要求的同时无法满足高实时采样率要求。等效采样是对周期信号在不同的信号周期进行多次采样，并将采样数据拼接起来重构信号波形的一种采样方法。现有的等效采样方法有采用FPGA控制采样信号的生成，但要求采样信号与待采样信号在上升和下降时间、相位和振幅方面同步；也有采用FPGA锁相环和计数器实现步进延时，但要求脉冲信号发生器和采样信号之间保持严格的时序要求；也有采用特定的延时芯片实现步进延时的。这些方法都需要步进延时系统或者要求采样信号与时钟信号同步，增加了等效采样系统复杂性。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种时域反射测量土壤含水率中实现皮秒级等效采样方法，解决了实时采样无法满足采样速率要求问题，无需同步采样时钟信号与待采样时钟信号，也无需特定的延时芯片实现步进延时，降低了等效采样系统复杂度。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种时域反射测量土壤含水率中实现皮秒级等效采样方法，包括如下步骤：
步骤S1：设计两个稳定的晶振电路，50MHz作为采样信号的时钟源，30MHz为输入信号的时钟源，时钟源频率误差不超过±0.5ppm；
步骤S2：30MHz晶振输出时钟信号作为DDS的系统时钟，利用FPGA向DDS寄存器写入频率控制字调节信号频率为10.001MHz，通过高速比较器对信号进行边沿整形，得到时域反射法测量土壤含水率需要的皮秒级上升沿；
步骤S3：50MHz晶振输出时钟信号作为FPGA的系统时钟，经FPGA内部锁相环分频后输出10MHz至低速ADC时钟端，控制低速ADC采样；
步骤S4：输入信号和采样信号的频率差保持1kHz，反映到时域上，采样时钟信号与输入信号保持10ps时间差；
步骤S5：在每个采样周期，通过低速ADC对输入信号进行采样，经过N个采样周期采集到输入信号的一个完整周期，完成了100GSPS的高速等效采样。
进一步的，所述步骤S1中，所述50MHz晶振与30MHz晶振采用频率稳定度±0.5ppm的温补晶振，通过使用低噪声驱动电路为晶振供电降低晶振噪声，通过在晶振输出时钟信号前端增加7阶低通滤波器滤除高频噪声降低时钟信号抖动。
进一步的，所述步骤S2中，通过向DDS写入频率控制字调节信号频率，具体地，DDS输出频率fout与频率控制字Δphase的关系如下：
fout＝Δphase×180/232。
进一步的，所述步骤S3中，通过FPGA锁相环经分频设定ADC采样时钟为10MHz，所述低速ADC的实时采样率应大于10MSPS，带宽大于待测皮秒级上升沿反射信号的带宽，输入阻抗与待测反射信号输出端阻抗匹配。
进一步的，所述步骤S4中，通过调节所述DDS输出信号频率与FPGA内部锁相环分频输出频率控制输入信号和采样信号的频率差，反映在时域上是ps级步进延时Δt，通过调节频率差调节步进延时Δt实现不同的等效采样率。
进一步的，所述步骤S5中，针对周期的待采样反射信号进行等效采样，过触发点后，采样时钟在信号的不同周期、不同相位采样，由于待采样信号的不同相位之间的采样数据时间关系是确定的、已知的，根据相位关系重新排列采样数据，重构原始待采样信号波形。具体步骤如下：
第一步，假设待采样信号时钟周期T，在进行顺序等效采样过程中，每次采样触发时间较上次触发而言时间延迟Δt，Δt称为固定的步进延时。
第二步，假设控制后的采样信号时钟频率为ftrigger，周期为Ttrigger，待采样信号时钟频率为fdata，周期为Tdata，二者之间频率差Δf，且采样信号时钟频率小于待采样信号时钟频率，具体计算公式如下：
Δf＝fdata-ftrigger
Δt＝Δf/[fdata×(fdata+Δf)]
第三步，控制采样信号与待采样信号之间保持极小的频率差，反映在时域上是步进延时Δt，设置步进延时10ps，通过低速ADC对输入信号进行采样，经过N个采样周期采集到输入信号的一个完整周期，完成了100GSPS的高速等效采样。
本发明的有益效果：
本发明提供的一种时域反射测量土壤含水率中实现皮秒级等效采样方法，设计两组独立的稳定晶振电路作为采样信号与待采样信号的时钟源，通过调节DDS频率控制字控制输出信号频率以及FPGA内部锁相环控制采样信号频率，控制采样信号与待采样信号频率差调节步进延时，实现100GSPS的等效采样率，解决实时采样无法满足速率要求问题，无需同步采样时钟信号与待采样时钟信号，也无需特定的延时芯片实现步进延时，降低了等效采样系统复杂度。
附图说明
图1是本发明等效采样系统框图。
图2是晶振电路框图。
图3是等效采样原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
如图1所示，本发明提供了一种时域反射测量土壤含水率中实现皮秒级等效采样方法，具体包括以下实施步骤：
步骤S1：设计两个稳定的晶振电路，50MHz作为采样信号的时钟源，30MHz为输入信号的时钟源，时钟源频率误差不超过±0.5ppm。
具体的，为了提供高稳时钟信号，如图2所示，所述两组独立的稳定晶振电路中所述50MHz与30MHz晶振均采用频率稳定度±0.5ppm的温补晶振构成，通过使用低噪声驱动电路为晶振供电降低晶振噪声，通过在晶振输出时钟信号前端增加7阶低通滤波器滤除高频噪声降低时钟信号抖动，输出稳定无抖动时钟信号。
步骤S2：30MHz晶振输出时钟信号作为DDS的时钟源，利用FPGA向DDS寄存器写入频率控制字调节信号频率为10.001MHz，通过高速比较器对信号进行边沿整形，得到时域反射法测量土壤含水率需要的皮秒级上升沿。
具体的，DDS输出频率fout与频率控制字Δphase的关系如下：
fout＝Δphase×180/232
本发明所采用的DDS芯片有32位频率控制字，能够输出的最小时钟频率为0.042Hz。DDS输出信号通过高速比较器进行边沿整形，得到时域反射法测量土壤含水率需要的皮秒级上升沿。
步骤S3：50MHz晶振输出时钟信号作为FPGA的时钟源，经FPGA内部锁相环分频后输出10MHz至低速ADC时钟端，控制低速ADC采样；
具体的，锁相环内部IP核电路是FPGA内部预先设计好的电路模块，附加分频器、倍频器和混频器等反馈模块，通过Verilog编写锁相环模块代码可以快速精准调节输出所述10MHz时钟信号作为采样时钟；所述低速ADC的实时采样率应大于10MSPS，带宽大于待测皮秒级上升沿反射信号的带宽，输入阻抗与待测反射信号输出端阻抗匹配。
步骤S4：输入信号和采样信号的频率差保持1kHz，反映到时域上，采样时钟信号与输入信号保持10ps时间差。
具体的，通过调节DDS频率控制字控制输出信号频率以及FPGA内部锁相环控制采样信号频率，实现控制采样信号与输入信号的频率差为Δf，反映到时域上是步进延时Δt，本发明实现100GSPS等效采样速率要求步进延时10ps。
步骤S5：在每个采样周期，通过低速ADC对输入信号进行采样，经过N个采样周期采集到输入信号的一个完整周期，完成了100GSPS的高速等效采样。
具体的，如图3所示，等效采样在采样过程中，每次触发采样的时刻较上一次触发而言时间延迟了Δt，在输入信号的每个周期进行固定步进延时Δt的采样，经过N个周期的采样便能重构待采样信号。
进一步的，为了实现本实施示例最高100GSPS等效采样率，具体计算公式如下：
Δf＝fdata-ftrigger
Δt＝Δf/[fdata×(fdata+Δf)]
本实施示例中，所采用的ADC实时采样率10MS/s，ftrigger＝10MHz，周期Ttrigger＝100000ps。要达到100GSPS等效采样率，Δt＝10ps，那么对应待采样信号的周期为Tdata＝Ttrigger-Δt＝99990ps，fdata＝10001000Hz＝10.001MHz。
进一步的，在确定了等效采样率后计算确定待采样信号时钟频率与采样信号时钟频率，通过调节DDS频率控制字控制输出信号频率为10.001MHz以及FPGA内部锁相环控制采样信号频率为10MHz，通过低速ADC在待采样信号的每个周期进行一次采样，数次循环，采集原始信号的一个完整周期进行原始信号重构。
需要说明的是，以上内容仅仅说明了本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种时域反射测量土壤含水率中实现皮秒级等效采样方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、设计两个稳定的晶振电路，50MHz作为采样信号的时钟源，30MHz为输入信号的时钟源，时钟源频率误差不超过±0.5 ppm；
步骤S2、30MHz晶振输出时钟信号作为DDS的系统时钟，利用FPGA向DDS寄存器写入频率控制字调节信号频率为10.001MHz，通过高速比较器对信号进行边沿整形，得到时域反射法测量土壤含水率需要的皮秒级上升沿；
步骤S3、50MHz晶振输出时钟信号作为FPGA的系统时钟，经FPGA内部锁相环分频后输出10MHz至低速ADC时钟端，控制低速ADC采样；
步骤S4、输入信号和采样信号的频率差保持1kHz，反映到时域上，采样时钟信号与输入信号保持10ps时间差；
步骤S5、在每个采样周期，通过低速ADC对输入信号进行采样，经过N个采样周期采集到输入信号的一个完整周期，完成了100GSPS的高速等效采样。
2.根据权利要求1所述的一种时域反射测量土壤含水率中实现皮秒级等效采样方法，其特征在于：所述步骤S1中稳定的晶振电路，要求选用频率稳定度±0.5 ppm的温补晶振，使用低噪声驱动电路为晶振供电降低晶振噪声，晶振输出时钟信号前端增加7阶低通滤波器滤除高频噪声降低抖动。
3.根据权利要求1所述的一种时域反射测量土壤含水率中实现皮秒级等效采样方法，其特征在于：所述步骤S4中输入信号和采样信号时域皮秒级时间差通过保持频域频率差实现，通过FPGA控制DDS频率控制字调节输入信号频率，通过改变FPGA内部锁相环分频比调节输出时钟信号频率，实现FPGA控制采样信号与输入信号保持较小频率差。
4.根据权利要求3所述的一种时域反射测量土壤含水率中实现皮秒级等效采样方法，其特征在于：通过调节采样信号与输入信号之间频率差，实现不同的等效采样率。
5.根据权利要求1所述的一种时域反射测量土壤含水率中实现皮秒级等效采样方法，其特征在于：所述步骤S5中的ADC的最高实时采样率高于10MSPS，模拟输入带宽大于脉冲信号带宽。
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