直接采样技术在高频低电平控制系统中的应用研究

The Low Level RF control system (LLRF), which stabilizes the RF field and ensures the beam quality, is the vital subsystem of the accelerator RF system. At present, most of the digital LLRFs perform down conversion of the RF signals into IF signals for sampling with low speed ADCs. The front end circuit used for down conversion is analog, the shortcomings of which are difficult to design and dependent on the performance of the analog devices. With the development of ADC technique, high-precision ADCs have higher and higher sampling rate, which means in the future the LLRFs can directly sample RF signals instead of using down converter. This project aims at precisely measuring the amplitude and phase of RF signal with a frequency of higher than 1.0 GHz by direct under-sampling, and evaluating the possibility of using direct sampling in modern LLRF. A future LLRF system with simpler circuit structure, lower algorithm complexity, and shorter latency will probably be benefit from this project.

高频低电平控制系统（LLRF）是加速器高频系统中的关键子系统，起到稳定射频电场，保证束流的品质的重要作用。当前主流的数字LLRF对幅度和相位的检测方法都是将射频信号下变频到中频后再进行模拟数字变换处理的，相应的下变频电路是模拟电路，设计复杂且依赖模拟器件的性能。随着模拟数字转换技术的发展，高精度ADC的速度越来越快，射频信号直接采样是未来LLRF系统发展趋势之一。本项目将研究高精度测量1.0 GHz以上RF信号幅度和相位的直接欠采样方法和电路，评估其在LLRF系统中的应用价值。通过本项目实施，有利于实现前端电路结构更简单、算法复杂度更低和延时更小的新型LLRF系统。

高频低电平控制系统（LLRF）是加速器高频系统中的关键子系统，起到稳定射频电场，保证束流的品质的重要作用。当前主流的数字LLRF对幅度和相位的检测方法都是将射频信号下变频到中频后再进行模拟数字变换处理的，相应的下变频电路是模拟电路，设计复杂且依赖模拟器件的性能。随着模拟数字转换技术的发展，模拟信号的数字化提至更加前端，将信号处理更多地从模拟领域转换到数字领域是电子系统数字化的发展趋势，并且ADC精度和速度越来越高，成本不断下降。在未来LLRF应用中，对模拟器件需求更少的直接采样技术非常有可能获得广泛应用。. 本项目着眼于前沿技术，开展了加速器高频系统中RF信号直接欠采样的方法的研究。本项目通过研制实现一套可应用在LLRF系统中、进行高精度低延时幅度和相位检测的ADC高速采集系统，完成了研究计划中以下研究内容：. （1） 本项目研制完成一套宽模拟带宽高信噪比高采样率的ADC采集系统。对从30.5MHz到998MHz的任何窄带信号，SNR不低于58dB（项目申请书提出50dB指标），有效位在9.5bit以上；. （2）实现了超低抖动噪声时钟电路的设计。我们设计的时钟电路，1GHz采样时钟的总RMS抖动值为125.7fs，优于项目申请书提出300fs指标；. （3） 对直接正交欠采样、non-IQ解调、数字下变频等三种幅度和相位检测方法的精度、延时、优缺点和应用场合进行了验证. 本项目实现的高模拟带宽高信噪比高采样率的ADC采集电路，在核电子领域的快脉冲信号的波形数字化具有应用前景，如在东莞散列中子源的环境背景中子监测获得应用中就取得良好效果。. 本项目的研究成果，在LLRF系统、束流测量、核电子学快脉冲信号处理、弱信号探测等领域有广泛应用前景。. 在本项目的研究资助下，在国内外核心期刊发表了3篇学术论文，2篇英文期刊均为SCI收录，一篇中文期刊EI收录，高质量完成项目申请书提出的“国内外核心期刊发表研究论文2～3篇”。.