數字BPM 信號處理器的研制進展

賴龍偉，冷用斌，閻映炳，周偉民

（中國科學院 上海應用物理研究所，上海 201800）

粒子加速器向著高亮度、低發射度不斷發展，對束流診斷設備的要求也不斷提高。其中，BPM 信號處理器是束流診斷中核心的儀器設備，它不僅能直接提供束流在加速器真空軌道中的運行位置等重要參數，還能導出加速器運行的束流頻譜、工作點、響應矩陣、色散函數、自由振蕩頻率、同步振蕩頻率、橫向阻尼振蕩時間、Beta振蕩相差、束團不穩定性、耦合度、束流阻抗等參數。因此，BPM 處理器的性能對先進加速器裝置至關重要。

BPM 信號處理器的發展經歷了3 個主要階段，實現了從模擬到數字化、智能化和一體化的發展，分辨率逐步提高，逐圈分辨率達到亞微米水平。目前，此類信號處理器僅有國外唯一的一家公司（IT）出售成熟產品［1］，幾乎所有的新同步輻射光源（包括英國DLS、法國Soleil、西班牙ALBA）均采用了該公司產品。另外，美國布魯克海文國家實驗室的NSLS-Ⅱ［2］、巴西的Sirius［3］等正在開發相應的處理器。上海光源束測組于2007年開始與中國科技大學快電子實驗室合作研發BPM 處理器，于2011年研制成功第1版樣機［4］。之后，對處理器提出了新的功能需求，在第1版技術的基礎上對軟硬件進行了重新設計，于2012年獨立完成了第2版樣機的研制［5-6］。另外，中國科學院高能物理研究所于2013年下半年啟動了針對北方光源的BPM 處理器研制工作。

上海光源的數字BPM 處理器逐圈位置分辨率達到亞微米，與國際同類先進產品相當。當前，正在進行進一步的優化調試，準備下一步的量產，可應用于國內已建成裝置設備的維護和更新，同時建設中或正在規劃的其他裝置對此亦有巨大需求。本文將對上海光源束測組自行研制的基于FPGA 和ARM 的一體化數字BPM 信號處理器的進展進行介紹。

1 處理器結構

BPM 信號處理器采用子母板的一體化結構，子板實現射頻信號調理和數字化采樣，母板基于FPGA和ARM 實現數字信號處理、邏輯接口、系統控制和通信。處理器結構如圖1所示。

圖1 處理器結構Fig.1 Processor structure

模擬子板上的射頻前端采用級聯結構，1dB動態壓縮16.5dBm，動態范圍大于65dBm，最大增益61dB。ADC 采用Analog Device公司的AD9461，16位，采樣率117.279 9 MHz，信噪比60.67dB，有效位達到9.8。

數字母板基于Xilinx 公司Virtex5 系列FPGA 芯片，實現處理器的主要功能：數字信號處理，能提供各類應用需求和不同速率的束流位置信號，包括逐圈、快反饋（10kHz、50kHz）、閉軌數據，同時實現各類外圍器件接口邏輯。數字母板利用基于ARM 的單板機（SBC）實現系統控制與外部通信功能。另外，基于EPICS架構開發了相關的IOC 控制軟件，方便嵌入控制網絡進行數據交互。

2 技術創新［7-11］

在處理器研制過程中，通過總結實際使用經驗和研究新技術，取得了多項技術創新成果，部分相關成果取得授權發明專利。

2.1 基于169點實時FFT的信號處理算法

該算法的數字化采樣速率等于169倍回旋頻率，通過對一圈內的169點ADC采樣原始數據進行FFT 計算并提取中心頻率信號頻譜幅度，可提取束流RF 信號回旋頻率帶寬范圍內的束流信息，經后續處理可獲得完整的束流信息。相較于傳統的下變頻算法，本算法不需正交本振信號，可從頻域提取信號中降低噪聲的影響，仿真結果表明，該算法能提高系統分辨率。該算法的難點在于FPGA 需實現169 點實時FFT 算法，通過研究并行算法，采用Cooley-Tukey算法可成功將169 點算法分解實現，測試結果表明，該算法能實現束流位置信號處理，且分辨率高于下變頻算法。

2.2 四通道自校準功能模塊

四通道由于器件和電路之間的差異性存在增益的不一致，表現為系統的非線性和零漂，影響處理器性能。解決方法是采用交聯開關，但交聯開關會引入切換噪聲，影響逐圈數據的使用。通過在模擬子板上放置可調信號源，記錄不同輸出信號強度下四通道ADC的采樣數據，并利用FPGA進行標定，在實際測量時，根據標定對輸入信號進行修正，消除不一致性影響，本校準方案基于信號處理算法實現，對結果無干擾。

2.3 束流異常檢測功能模塊

光源在運行過程中可能發生不明原因部分丟束、軌道異常、工作點異常等，而現有的BPM處理器僅在發生徹底掉束時才會保存數據，因此沒有有效手段進行運行異常原因的分析。而自行研制的BPM 處理器可根據需要開發相關功能模塊，提供一種有效工具。目前已開發相關功能模塊，能實時檢測top-up期間的工作點變化和異常丟束。

2.4 巨量50kHz數據

自行研制的BPM 處理器能提供52 萬點50kHz速率的數據，如此大量的數據可對束流頻譜進行精細的分析，這是商業化BPM 系統所不具備的功能。

3 性能測試及應用

本工作對第2 套樣機進行性能測試，圖2為ADC的原始數據，其對比了IT 公司的兩款同類產品。圖3為逐圈數據頻譜，可看出，自行研制的BPM 處理器能正確檢測束流位置。利用巨量的50kHz數據進行精確的頻譜分析，分析結果如圖4 所示，從圖4 中可觀察到1.163kHz的噪聲，分析其可能來源于高頻低電平，同時還能看到工頻信號噪聲及其2倍頻100Hz信號Δf。圖5為處理器實驗室分辨率測試結果，可看出，逐圈分辨率能達到亞微米。

圖2 ADC采樣數據頻譜Fig.2 Sampled ADC data spectrum

圖3 逐圈數據頻譜Fig.3 Turn-by-turn data spectrum

圖4 50kHz數據頻譜Fig.4 50kHz data spectrum

圖5 實驗室分辨率測試結果Fig.5 Resolution of laboratory test

束流位置檢測器的SA 輸出信號除了包含束流運行位置信息外，還包含了束團的電荷量信息，經過一定處理后能實現束流流強的測量和束流壽命的測量。上海光源束測組利用在線束流位置檢測器進行了儲存環流強和束流壽命方面的研究。研究表明，BPM 與DCCT 系統相比，對流強測量具有更高的帶寬，弱流強下具有更好的流強分辨率；對于束流壽命測量則具有更高的帶寬，有利于進行不同時間尺度的束流壽命評估。本文利用數字BPM 輸出的SA和信號進行了束流流強和束流壽命的測量。

對SA 的和信號和DCCT 測量的流強信號進行線性擬合，獲得擬合后的流強信號，相對誤差在±0.2%之內。

束流壽命τ在較短的時間（如幾min）內可認為是固定不變的，假定在間隔較小的t1和t2時刻，束流的壽命分別為I1和I2，根據束流壽命計算公式：

可得到：

利用上述公式，根據擬合后的SA 和信號，計算注入完成后衰減期間的束流壽命，并與DCCT計算的束流壽命進行比較（圖6）。可看出，數字BPM 能有效測量束流壽命，但精度略差。

圖6 DBPM 束流壽命測量Fig.6 DBPM beam life measurement

以上測試結果表明，數字BPM 處理器能正確獲取束流的位置信號，達到了設計要求。在未進行各通道增益歸一化和固定增益的情況下，其在線測量TBT 位置信號（347kHz帶寬）的分辨率可達亞微米量級，50kHz（25kHz帶寬）FA 位置信號分辨率達0.44μm，10 Hz（5Hz帶寬）SA 信號位置分辨率達0.23μm。因此，可利用SA 數據進行束流流強測量和壽命測量。

4 結論

數字BPM 信號處理器樣機已達到設計目標，性能達到國際同類產品先進水平，但在量產前還有許多工作，如算法優化、上層應用軟件的開發和優化、用戶界面開發、系統優化、長期穩定性測試等，以上工作正在逐步開展。

［1］ Libera brilliance specification［M］.Slovenia：Instrumentation Technologies Company，2008.

［2］ SINGH O M，BACHA B，BLEDNYKH A，et al.NSLS-ⅡBPM and fast orbit feedback system［C］∥International Beam Instrumentation Con-ference.Oxford：IBIC，2013：316-322.

［3］ TAVARES D O，BARON R A，CARDOSO F H，et al.Development of the Sirius RF BPM electronics［C］∥International Beam Instrumentation Conference.Oxford：IBIC，2013：63-66.

［4］ 冷用斌，易星，賴龍偉，等.新型數字BPM 信號處理器研制進展［J］.核技術，2011，34（5）：326-330.LENG Yongbin，YI Xing，LAI Longwei，et al.The development of a new digital BPM processor［J］.Nuclear Techniques，2011，34（5）：326-330（in Chinese）.

［5］ 賴龍偉.FPGA 在數字BPM 信號處理器中的應用［D］.北京：中國科學院研究生院，2012.

［6］ 易星.加速器束流信號調理及高速采集技術研究［D］.北京：中國科學院研究生院，2012.

［7］ 賴龍偉，冷用斌，閻映炳，等.數字BPM 信號處理算法研究［J］.核技術，2010，33（10）：734-739.LAI Longwei，LENG Yongbin，YAN Yinbing，et al.The algorithm for digital BPM signal processing［J］.Nuclear Techniques，2010，33（10）：734-739（in Chinese）.

［8］ 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.

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［11］賴龍偉，冷用斌，易星，等.數字束流位置信號處理算法優化［J］.強激光與粒子束，2013，25（1）：109-113.LAI Longwei，LENG Yongbin，YI Xing，et al.Optimization of signal processing algorithm for digital beam position monitor［J］.High Power Laser and Particle Beams，2013，25（1）：109-113（in Chinese）.