本发明涉及加速器束流诊断领域，尤其涉及一种电子储存环中束流位置的数字化测量方法及设备。
背景技术
电子储存环是储存高速电子束流的设备，是粒子物理研究和同步辐射研究的重要设备。储存环中束流的特性是否满足要求，对实验研究至关重要。因而，我们需要束流测量系统对储存环内的束流进行监测和控制。
束流横截面的位置是电子储存环中的一个重要参数，目前有多种束流探测器可以用来探测其位置。探测器监测的信号需要经过电子学信号处理才可以被采集分析，常用的处理方法是正交变换。四路bpm探测器的信号通过正交变换后得到的正交序列,分别计算得到四个信号幅值，四路信号幅值通过差和比的方法计算出束流位置。但是，早期的全模拟以及模数混合正交变换存在着精度低，易受外界干扰，连接复杂等缺点。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种电子储存环中束流位置的数字化测量方法及设备，可通过简单的设备实现全数字的束流位置测量。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种电子储存环中束流位置的数字化测量设备，包括：模拟前端部分和数字处理部分；其中：
模拟前端部分，利用欠采样技术对来自束流位置探测器的输入信号进行欠采样，并控制采样率为欠采样输出信号频率的4倍，从而得到束流位置探测器输入信号的数字正交i,q序列；
数字信号处理部分，对数字正交i,q序列分别通过延时与不延时处理后降2倍采样率，再乘以正负±1得到i,q两个序列，i,q两个序列分别独自通过cic抽取滤波器与fir滤波器降低数据速率后，经过cordic迭代算法单元计算束流位置探测器信号的幅度，进而计算束流位置。
一种电子储存环中束流位置的数字化测量方法，基于前述的设备实现，该方法步骤如下：
由模拟前端部分利用欠采样技术对来自束流位置探测器的输入信号进行欠采样，并控制采样率为欠采样输出信号频率的4倍，从而得到束流位置探测器输入信号的数字正交i,q序列；
由数字信号处理部分对数字正交i,q序列通过分别延时与不延时处理后降2倍采样率，再乘以正负±1得到i,q两个序列，i,q两个序列分别独自通过cic抽取滤波器与fir滤波器降低数据速率后，经过cordic迭代算法单元计算束流位置探测器信号的幅度，进而计算束流位置。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，其主要具有如下优点：1)本发明通过欠采样，并控制采样率为欠采样后信号的4倍，直接将高频信号数字化，并得到束流位置探测器输入信号的数字正交序列。设备中所有的信号处理都集中在数字域，避免了复杂的模拟处理过程，简化了系统结构；直接得到数字化正交序列，大大简化了数字处理算法的结构。2)本发明通过cic抽取滤波器和fir滤波器降低i,q序列的频率，减轻了系统的处理压力与存储压力。3)本发明使用cordic算法单元迭代，计算束流位置探测器输入信号的幅度，cordic算法简化了计算过程，提高了精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供的一种电子储存环中束流位置的数字化测量设备示意图；
图2为本发明实施例提供的i,q抽取单元的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的五阶cordic算法单元迭代结构框图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明实施例提供一种电子储存环中束流位置的数字化测量设备，如图1所示，其主要包括：模拟前端部分和数字处理部分；其中：
模拟前端部分，利用欠采样技术对来自束流位置探测器的输入信号进行欠采样，并控制采样率为欠采样输出信号频率的4倍，从而得到束流位置探测器输入信号的数字正交i,q序列；
数字信号处理部分，对数字正交i,q序列分别通过延时与不延时处理后降2倍采样率，再乘以正负±1得到i,q两个序列，i,q两个序列分别独自通过cic抽取滤波器与fir滤波器降低数据速率后，经过cordic迭代算法单元计算束流位置探测器信号幅度，进而计算束流位置。
为了便于理解，下面针对模拟前端部分及数字信号处理部分的具体组成结构及功能做详细的介绍。
一、模拟前端部分
请参见图1，所述模拟前端部分主要包括：位置探测信号模拟滤波器及增益调节单元、参考信号模拟滤波器及增益调节单元、时钟产生单元，以及模拟数字变换单元。
1、所述位置探测信号模拟滤波器及增益调节单元，用于通过带通滤波器滤出束流位置探测器输入信号的二次谐波成分，并调节其幅度以适应模拟数字变换单元的量程。
2、所述参考信号模拟滤波器及增益调节单元，用于对输入的参考信号进行带通滤波，滤出信号基频成分并调节幅度，输出到时钟产生单元。
本发明实施例中，所述位置探测信号模拟滤波器及增益调节单元与参考信号模拟滤波器及增益调节单元均由级联的带通滤波器和增益调节单元连接构成，增益调节单元由相互连接的射频放大器和衰减器构成。
3、时钟产生单元，用于将参考信号模拟滤波器及增益调节单元输出的信号作为输入时钟，使用数字控制的锁相环输出满足模拟数字变换单元采样率的时钟频率，并扇出给模拟数字变换单元作为采样时钟。
本发明实施例中，所述时钟产生单元提供时钟信号，满足采样率为束流位置探测器输入信号欠采样后信号的4倍。
本领域技术人员可以理解，采样率fs和信号频率f之间的关系是fs＝4f/(4n±1)，通常将f/(4n±1)的采样称为欠采样，因而采样率为欠采样后信号的4倍。
4、模拟数字变换单元，用于接收位置探测信号模拟滤波器及增益调节单元的输出信号，通过模拟数字变换，得到束流位置探测器输入信号的数字正交i,q序列。
二、数字信号处理部分
请参见图1，所述数字信号处理部分主要包括：i,q抽取单元、降数据率单元、幅度计算单元以及位置计算单元。
1、i,q抽取单元，用于接收模拟前端部分输出的数字正交i,q序列(i,q,-i,-q)，通过两路不同的延时，降2倍采样率，再乘以±1得到i,q两个序列。
如图2所示，为i,q抽取单元的结构示意图，i,q抽取单元，用于接收模拟前端部分输出的数字正交i,q序列(i,q,-i,-q)，通过分别不加延时、加一个单位加延时后降2倍采样率得到i,-i序列、q,-q序列，再分别乘以±1得到i,q两个序列。
本发明实施例中，所述交替乘以±1通过计数器和存储器实现，计数器的计数时钟与降2倍采样率后的序列的频率一致。
2、降数据率单元，用于对i,q两个序列分别独自通过cic抽取滤波器抽取设定的倍数,得到所需的数据速率，并通过fir滤波器抑制噪声。
本领域技术人员可以理解，cic抽取滤波器抽取的倍数可以根据实际情况或者操作人员的经验来设定，以确保抽取后得到合适的数据速率。
3、幅度计算单元，接收降数据率单元输出的i,q两个序列，经过若干个cordic迭代算法单元计算信号幅度。
本领域技术人员可以理解，考虑计算结果的准确性与计算的效率，可以根据实际情况或者操作人员的经验来设定合适数量的cordic迭代算法单元。
示例性的，可以使用五个cordic迭代算法单元计算信号幅度，如图3所述，为五阶cordic算法单元迭代结构框图。
4、位置计算单元，利用幅度计算单元计算得到的四个束流位置探测器信号的幅度，使用差和比计算束流的x,y坐标位置。
本领域技术人员可以理解，一路i,q序列只能计算一路信号幅度，也就是一个束流位置探测器信号的幅度；通常需要四路束流位置探测器信号幅度来计算束流的位置，即在差和比单元之前的模拟前端(除时钟单元和参考信号单元)和数字处理部分全部需要四路。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将设备的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。
本发明实施例上述方案中，主要利用带通滤波器，抽取探测器感应信号的特征信号频率成分进行测量；通过欠采样技术，选择特殊的采样率，直接获得数字中频信号的iq数据序列；利用抽取滤波器将数据频率降低到合适大小，方便信号处理；再利用cordic算法结构计算信号幅度；之后利用幅度信息，通过差和比的计算方法计算束流位置。具体原理如下：
1、特征频率分量抽取
若射频信号的重复频率为f0，则其谐波频率为f1(1*f0)，f2(2*f0)，f3(3*f0)等等。本发明抽取束流位置探测器输出信号的二次谐波作为处理信号。通过带通滤波器抽取2次谐波成分，滤去其他谐波及噪音。由于输入信号的谐波成分幅度较小，需要将其放大，以适应adc的量程。
2、采样频率的选择
对于正弦信号，采用正交分析的方法，可以很简单的计算信号的幅度。关键在于选取合适的采样率，得到正交序列。
由于输入的信号频率较高，一般的采样方法要求的adc采样率高，难以达到，当选择的采样率满足如下关系时，可以直接得到输入信号频率的i,q正交序列。
不妨进行下面的公式推导：一个幅度为a，频率为ω，相位为
采样后的数字信号序列：
上式中，k＝0,1,2,3,....，ts为采样周期。
3、抽取滤波器
对于由采样得到的i,q,-i,-q…序列(数字正交i,q序列)，分别通过不加延时和一个单位延时的处理，再降2倍采样率，得到i，-i…和q,-q…两路信号；再预先在rom中存储1，-1,1，-1…通过与i，-i…(或者q,-q…)序列频率相同的计时器计数，实现i与-i(或q与-q)交替乘以±1，得到i序列和q序列。
4、信号幅度计算
信号幅度计算依据cordic算法，经过五次迭代，可以得到精度较高的信号幅度，并且大大简化计算结构。
5、位置计算方法
根据四路束流位置探测器信号的幅度值，利用“差和比”方法可以计算束流位置的x,y坐标。
本发明另一实施例还提供一种电子储存环中束流位置的数字化测量方法，其基于前述实施例所述的设备实现，该方法主要步骤如下：
由模拟前端部分利用欠采样技术对来自束流位置探测器的输入信号进行欠采样，并控制采样率为欠采样输出信号频率的4倍，从而得到束流位置探测器输入信号的数字正交i,q序列；
由数字信号处理部分对数字正交i,q序列分别通过延时与不延时处理后降2倍采样率，再乘以正负±1得到i,q两个序列，i,q两个序列分别独自通过cic抽取滤波器与fir滤波器降低数据速率后，经过cordic迭代算法单元计算束流位置探测器信号的幅度，进而计算束流位置。
需要说明的是，上述方法所涉及的模拟前端部分及数字信号处理部分的组成结构及功能在前面的实施例中已经有详细描述，故在这里不再赘述。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。