易 星 冷用斌 赖龙伟 张 宁 阎映炳

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）

电子束流位置参数对同步辐射光源的稳定、高质量运行非常重要。束流位置测量系统由束流位置监测器(Beam Position Monitor, BPM)、BPM信号处理器、数据服务器构成，其中 BPM 信号处理器是系统性能的关键设备。传统的 BPM 信号处理器用模拟处理法得到束流位置信号，测量精度不高，处理器功能较单一，无法满足高精度、高带宽的需求。基于软件无线电(Software Radio)架构的数字束流位置探测器(Digital BPM)的测量精度高，能在一台处理器上完成不同带宽数据的测量，可满足加速器研究和高质量运行时的束流位置测量。

2008年，我们以上海光源加速器为应用对象，开展了新型BPM信号处理器的关键技术研究[1]，同步启动了三台样机的研制工作：基于商业开发板的算法评估样机[2]；与中国科技大学快电子学实验室合作研制的硬件样机 A[3]；独立研制的基于在板自校准技术的硬件样机B。本文将详细介绍样机B的硬件结构及相关测试结果。

1 束流位置处理器

1.1 概述

束流位置测量的基本方法是用探测电极耦合出束流的电磁场。束流感应信号的幅值被调制，其载波是束流的脉冲频率(对单束团)或高频的 RF频率(对多束团)，解调对应的幅值信号并处理后可得到束流位置信息[4]。软件无线电是针对无线通信领域提出的架构，其核心思想是把硬件作为一个开发平台，将尽可能多的数据处理和算法功能用软件来实现[5]。与传统模拟处理架构相比，基于软件无线电架构的测量系统有动态范围宽、信噪比高、模块化接口、易于操作和管理等优点。基于软件无线电架构的束流位置处理器逐渐成为电子束流位置测量的主流方案[6,7]。

1.2 束流位置处理器硬件构成

图1为基于软件无线电架构的束流位置测量系统的原理框图。位置探头信号在射频(RF)模块完成预处理，预处理后的信号在模数转换模块中(ADC)数字化，数字化后的信号在基于 FPGA(Field Programmable Gate Arrays)的数字处理器中完成信号处理算法，处理器使用基于ARM内核的嵌入式处理器为数据采集系统。

图1 DBPM系统框图Fig.1 Schematic of the DBPM.

RF模块由射频预处理和校准电路组成(图2)。RF预处理模块设计中心频率为499.654 MHz，带宽为10–20 MHz。RF预处理模块包括由LC低通滤波器和声表面波(SAW)带通滤波器构成的滤波电路，以及射频功率放大器、固定衰减器和数控可调衰减器组成的增益控制电路。RF模块设计最大放大倍数为60 dB，可调衰减值为63 dB，最小调节步长0.5 dB，输出功率(1 dB压缩点)为16 dBm。

图2 RF电路模块原理框图Fig.2 Schematic of RF module.

校准电路用于校准由于四通道器件的性能不一致导致的四通不对称。校准电路由标准校准信号源、四路功分器、多路射频开关和逻辑控制电路组成。标准校准信号源是频率为500 MHz的正弦信号，输出信号强度为–50～0 dBm。

ADC模块完成对RF预处理后的信号数字化，数据采集方法为射频带通采样，按逐圈位置分辨率好于10 μm，束流位置参数K=10 mm，以及过采样速率为169倍估算，ADC在奈奎斯特带宽的有效位数需优于8 bit。上海光源设计RF频率为499.654 MHz，电子储存环最多有720束团，则储存环回旋频率=499.654/720=693.964 kHz[8]。ADC的采样时钟频率须同时满足三个条件：(1) 采样时钟为回旋频率的整数倍；(2) 符合带通采样定理无频谱混叠；(3)采样后中心频率尽可能位于奈奎斯(Nyquist)区间中心。因此，选择117.2799 MHz作为储存环BPM处理器ADC的采样时钟。

ADC电路由四路独立的采集通道组成，时钟采用数字锁相环(PLL)方式与加速器机器时钟同步。采样芯片采用Analog Device公司的AD9461，芯片的转换速率设置为117.2799 MHz，转换精度为16 bit，模拟带宽为650 MHz，输入电压峰峰值为3.4 V。芯片主要缺点是功耗过大(2.2 W)，需要采取专用散热措施[9]。

数字处理母板模块实现信号处理和数据获取功能(图3)。

图3 数字母板模块Fig.3 Schematic of digital processor module.

数字处理母板以Xilinx公司的Virtex5为信号处理核心器件，扩展了信号存储、传输电路和时钟、触发输入信号接口。模块使用 DDRII SRAM 作为ADC原始数据的缓存器件，DDR2 SDRAM作为逐圈(Turn-By-Turn)数据缓存器件，千兆以太网作为快轨道反馈数据接口，直接与FPGA进行高速数据交换。数字板使用一片CPLD完成对FPGA的配置，同时协助FPGA完成对RF、ADC模块中逻辑控制。数字母板用Samsung公司生产的基于ARM11内核的S3C6410作为嵌入式控制器，控制器通过SMC接口与FPGA交换数据，同时扩展100 M以太网用于组成分布式工业以太网[10]。处理器移植基于Linux内核的嵌入式操作系统，移植EPICS分布式操作软件组成分布式控制系统。

1.3 数字处理器中信号处理算法

处理器以FPGA为信号处理的硬件平台，完成束流位置和系统通道不一致性校准算法。束流的位置信息被调制在探头的幅度信号中，信号处理的第一步是解调出幅度信号。处理器使用数字下变频(DDC)和坐标旋转数字计算方法(Cordic)解调探头的幅度信息。基于数字 DDC幅度解调程序框图如图4所示[11]。数字化后的探头信号分成两路：一路与正弦信号相乘(I通道)，一路与同频率的余弦信号相乘(Q通道)。其中正弦和余弦信号为本振信号源，使用数字控制振荡器(Numerical Controlled Oscillator)实现。I、Q两路信号通过后续的滤波、抽取，将射频信号搬移到直流(低频)，用Cordic算法完成平方和开放运算，最终得到幅度信息[12]。解调后的四路幅度信息由差比和归一化得位置信息。

校准电路用于修正四通道电路中RF和ADC电路器件不一致性造成的通道不对称，校准流程如图5所示。在校准模式下使用RF板自带信号源作为处理器的输入，探头信号与射频板输入断开。输入的标准信号经RF和ADC电路处理和转换后进入数字母板，在数字母板上用FPGA完成校准算法，获得四个通道的校准因子并存储。正常运行模式下，探头信号为处理器的输入，关闭校准信号源并使其与RF输入断开。在数字处理母板计算束流位置时，调用校准因子修正各个通道的幅度信息[13]。

图4 基于DDC幅度解调框图Fig.4 Schematic of DDC.

图5 校准流程框图Fig.5 Flow chart of calibration.

2 实验测试

RF模块和ADC模块在实验室中用标准信号源进行性能测试。采用Rohde & Schwarz 公司生产的型号为SMA 100A的RF信号发生器模拟探头输出信号，使用Tektronix 公司的RSA6114A频谱仪进行RF参数测量、Agilent 公司的N5230A网络分析仪测试RF模块的频率响应。

2.1 射频与ADC模块测试

RF模块的测试参数为模块的频谱响应和动态范围。实验室测试中使用网络分析仪测试射频电路模块的频谱响应，测试结果如图6所示。RF模块中心频率为499.654 MHz时，3 dB带宽约为12 MHz，均满足设计要求。

动态范围用于评估处理器的输入信号功率范围(对应于电子加速器的不同模式)。测试时使用功率为–67、–35、–3 dBm的正弦信号作为输入，改变数控衰减器以控制电路增益，测试RF模块的输入输出相应曲线(图7)，其中横坐标为射频前端电路衰减值，纵坐标为前端电路输出功率。RF模块的最大输出功率(1 dB压缩点)为16 dBm。最大增益约为61 dB，最大衰减为63 dB，满足–60 ～ –3 dBm动态范围的输入。

图6 RF模块频率响应Fig.6 Frequency response of the RF module.

图7 RF模块动态范围测试Fig.7 Dynamic range of the RF module.

ADC模块在系统中完成了信号从模拟到数字的转换，其性能直接影响处理器的精度。其中ADC的噪声水平和非线性直接影响处理器的分辨率。测试的主要参数为 ADC的噪声相关参数和非线性相关参数，信噪比(SNR)，二次谐波(H2)、总谐波失真(THD)、无杂散动态范围(SFDR)以及噪声和信纳比(SINAD)。在满幅度输入时，在测试环境相同情况时，系统设计的ADC模块以Analog Device公司的评估板(AD9461- LVDS/PCBZ)作为测试结果参考值，测试结果见表1[9]。ADC模块的信噪比和非线性参数性能上接近或超过评估板的性能，满足BPM信号处理器的需求。

表1 ADC模块与评估板模块测试性能参数Table 1 Parameters of ADC module and evaluation board.

2.2 整机位置分辨率测试

处理器整体测试使用信号源和功分器模拟探头信号，信号源输出频率为499.654 MHz(SSRF加速器RF频率)的正弦信号，输出功率为–60 ～ 0 dBm。采集处理器的逐圈数据，计算标准差(STD)评估处理器的电子学分辨率。图8给出了X、Y方向处理器电子学分辨率，当输入大于–30 dBm时，电子学分辨率优于1.5 μm，超过预期目标；当输入大于–25 dBm时，分辨率达亚微米量级。

2.3 处理器热负载分布情况评估

处理器中射频模块的功率放大器和模数转换模块的 ADC有较高的功率，测量电路的热分布可为后续电路优化和散热方案提供参考，为处理器长期稳定运行提供基础。在 24°C左右环境下，用热像仪扫描电路板表面。由图9(a)可知，输入功率从–50 dBm增至0 dBm时，电路温度分布变化很小，即射频输入功率对电路模块热分布影响较小。在使用风扇作为散热设备时，射频电路模块的最高温度从42ºC降到38ºC左右，电路板整体温度分布向低温方向移动。由图9(b)可知，无散热风扇时 ADC模块最高温度达60ºC，若长期在此温度下运行，模块稳定性将降低甚至损害ADC芯片。有散热风扇时，模块最高温度能有效控制在43ºC以下，温度分布向低温方向有较大偏移，整体温度分布更加合理。

图8 处理器逐圈位置电子学分辨率Fig.8 Resolution ratio of DBPM in lab.

图9 射频电路模块(a)和ADC电路模块(b)热分布图Fig.9 Thermal distribution of RF module and ADC module.

3 束流实验

束流实验在上海光源储存环上完成，测试束流信号从电子储存环C16单元8号纽扣BPM探头引出。在多束团填充(500束团)模式、水平和垂直方向工作点为22.22及11.29的条件下，固定信号处理的衰减值为51dB，多次测量得到逐圈位置数据空间分辨率(图10)。在平均流强大于150 mA(对应信号功率约–10 dBm)时，空间位置分辨率优于2 μm。

为验证该处理器是否能够检测到真实的束流横向运动，在储存环注入期间采集了500 K样本的逐圈位置数据，经计算获得的频谱如图11所示。储存环的能量振荡和分别在水平、垂直方向的横向震荡峰，寻峰可知水平和垂直方向横向振荡频率分别为0.1583、0.2018 kHz，与加速器实际运行参数一致。

图10 处理器束流逐圈位置分辨率Fig.10 Resolution ratio of DBPM in SSRF.

图11 上海光源存储环注入期间束流位置频谱Fig.11 Frequency spectrum of SSRF storage ring injecting.

4 结语

基于软件无线电架构的新型 BPM 位置处理器已完成联调及性能测试，实验测试电子学分辨率优于1.5 μm (输入大于–30 dBm)。在现场测试逐圈分辨率优于2 μm，在储存环注入过程中能够准确的观察到束流应有的物理现象。处理器主要性能均达到预期设计指标，后续主要工作集中于算法的优化和处理器散热方案设计等相关功能的进一步完善。

1 冷用斌, 易星, 赖龙伟, 等. 新型数字BPM信号处理器研制进展. 核技术, 2011, 34(5): 326–330 LENG Yongbin, Yi Xing LAI Longwei,et al. The development of a new digital BPM processor[J]. Nucl Tech, 2011, 34(5): 326–330

2 LAI longwei, LENG Yongbin, YI Xing,et al. DBPM signal processing with field programmable gate arrays[J].Nuclear Science and Techniques, 2011, 22(3): 129–133

3 Hao Zhou, Shubin Liu, Lei Zhao,et al. Design of the fully digital beam position monitor for beam position measurement in SSRF.ICEMI’2009, China, Beijing, 2009:1045–1051

4 Vismara G, Jacobs K D, Melville R C. Signal processing for beam position monitors[J]. Amer Inst Physics, 2000,546: 36–60

5 Joe Mitola. The software radio architecture. IEEE communications Megazinc, 1995, 26–38

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7 Denard J C, Cassinari L, Dykes M,et al. Overview of the Diagnostics Systems of SOLEIL and DIAMOND. DIPAC 03, Mainz, Germany, 2003: 6–9

8 Leng Y B, Zhou W M, Chen Y Z,et al. Beam instrumentation system development and commissioning in SSRF. EPAC08, Genoa, Ttaly, 2008: 1080–1082

9 Analog Device. Datasheet of AD9461.http://www.analog.com

10 Samsung Device. Datasheet of S3C6410.

11 http://www.samsung.com/global/business/semiconductor/products/Products.html.

12 Lohning M. Hentsche T, Fettweis G. Digital down conversion in software radio terminals. Signal Processing X theories and applications, 2000, 3: 1517–1520

13 Volder J E. The CORDIC trigonometric computing technique. IRE Transactions on electronic computers.1959, (EC-8): 330–334

14 YI Xing, LENG Yongbin, LAI Longwei,et al. RF front-end for digital beam position monitor signal processor[J]. Nuclear Science and Techniques, 2011, 22:65–69