Boxcar平均器是一种广泛使用的仪器，在提高测量低占空比信号的信噪比(SNR)应用起着至关重要的作用。通过在由特定事件触发的窄门内对信号积分，它可以有效地隔离脉冲之间的噪声。对多个门控事件进行平均可进一步提高测量的SNR。本应用说明详细介绍了使用Moku Cloud Compile (MCC)在Moku:Pro上实现 Boxcar 平均器。
使用Moku Boxcar平均器改善SNR测量
Boxcar平均器的工作原理
Boxcar平均器和锁相放大器在检测重复信号时有助于提高SNR性能。Boxcar平均器对输入信号应用时域Boxcar门控窗口，有效减小Boxcar窗口之外的时间噪声分量；而锁相放大器部署窄带滤波器以提取中心频率周围小范围内的信号，并抑制通带之外的噪声。因此，Boxcar平均器特别适合处理低占空比信号，因为这种情况下的大部分时域信号通常都是噪声。
图1展示了Boxcar平均器的工作原理。用户定义的触发信号在触发后经过一定延迟后激活Boxcar门控窗口。门控窗口允许数个输入信号在窗口宽度上相加。然后，该仪器对从Boxcar积分器获得的n个结果的积分进行平均，并调整输出增益以实现的衰减或放大。
图1 Boxcar平均器的工作原理。输入信号在Boxcar窗口内积分，该窗口由触发信号激活。在Boxcar窗口和触发边缘之间引入触发延迟以补偿系统延迟。积分结果将进行平均，然后通过增益产生输出。
Boxcar平均器的基本结构包括两个关键部件：积分器（门控窗口）和平均器。积分器过滤输入信号，消除无目标信号产生的不良噪声。随后，平均器处理积分器的输出，进行额外的信号平均，然后产生zui终输出。
现在，让我们深入研究使用Boxcar平均器处理的实际信号。图2显示了触发信号与脉冲信号的图。值得注意的是，触发信号的上升沿和相应的脉冲信号之间存在可观察到的延迟。由于信号通路内的电气元件引入的固有延迟，可以预料到会出现这种延迟。
为了使Boxcar积分窗口与脉冲信号对齐，可以手动在积分过程中引入相对于触发发生的延迟。此时间调整由Boxcar平均器中的触发延迟参数表示。在图2中，触发延迟约为176纳秒，而门宽跨越320纳秒，有效地涵盖了整个脉冲信号。
图2 触发信号（橙色轨迹）幅度为 150 mV。延迟176纳秒后，宽度为320纳秒的Boxcar窗口被激活并进行测量。
配置触发延迟和门宽后，我们将通过平均Boxcar积分结果来进一步降低噪声水平。在此过程中，对S1到S5的结果进行平均以计算zui终输出。
图3 计算五个Boxcar积分周期（标记为S1至S5）的平均值以增强SNR。
实现Boxcar平均器
本节的目的是提供实施Boxcar 平均器的全面指南，如图4中的流程图所示。一般程序可描述如下：
（1）调整触发电平以实现适当的触发
将触发电平设置在噪声基底到触发信号峰值的范围内。
（2）将Boxcar门控窗口与脉冲信号同步，并配置门控宽度
选择合适的Boxcar门宽，找到合适的触发延迟。在光学实验中，由于光路延迟和光电探测器延迟，触发信号经常先于脉冲信号。在这种情况下，触发延迟的补偿将至关重要。
（3）选择平均器的长度
选择合适的平均周期数，以在足够的SNR和速度之间取得平衡。
（4）调整增益
对步骤3的结果应用衰减或放大，以防止输出饱和或Max限度地减少潜在的量化误差，Max限度地利用Moku的输出范围。
图4 实现Boxcar平均器的操作流程图。
在以下章节中，我们将分别通过与Python控制面板和云编译(Moku Cloud Compile,MCC)控制寄存器交互来介绍在Moku:Pro上配置Boxcar平均器的步骤。
使用 Python 控制Boxcar平均器
下面是通过 Python 控制面板实现箱车平均步骤的说明。
（1）调整触发电平
在本实验中，触发信号幅度为150 mV，选择75 mV 的信号电平可确保稳定触发Boxcar积分。请注意，只有在设置适当的触发时才会出现Boxcar窗口。
图5 不同触发电平设置下的系统响应。(a) 触发电平0.2 V 高于触发信号幅度0.15 V。因此，Boxcar窗口无法触发，导致窗口和脉冲信号均缺失。(b) 将触发电平设置为0.075 V，相当于触发信号幅度的一半，可成功激活窗口和脉冲信号。
（2）将触发的Boxcar门控窗口与脉冲信号对齐，并配置门控宽度
这可以通过调整和观察过程或使用自动按钮来实现。自动延迟功能会自动识别脉冲信号的峰值位置，并计算从脉冲峰值到箱车窗口中点的时间差，从而相应地调整触发延迟。
图6 脉冲触发延迟调整为236.8纳秒，以使窗口与脉冲信号对齐。
门宽也是优化SNR的一个重要参数。门宽的z佳设置不一定需要捕获整个脉冲信号；相反，捕获大部分信号通常就足够了。该策略通过排除脉冲信号中信号功率低于噪声功率的部分来优化SNR。本质上，它允许删除信号功率与噪声功率相比可忽略不计的部分。
图7 为了优化SNR，调整窗口宽度以仅捕获大部分信号。然后相应地将触发延迟调整为249.6 ns，以重新调整脉冲和Boxcar 窗口。
（3）选择平均周期数并调整增益级
将模式从“Align”更改为“Average Output”，会在数据读出框中显示平均输出信号。
请注意，Boxcar平均器的输出是n个Boxcar积分结果的总和，而不是平均值。这是因为在FPGA 上实现除法器非常耗时，并且需要大量资源。输出积分结果比输出实际平均值更有效率。平均Boxcar积分可以使用以下公式计算：
图8 将将模式从“Align”更改为“Average Output”以读取输出值。然后配置输出增益以避免量化误差或输出饱和。
MCC 控制寄存器
Moku:Pro提供了一个方便的功能，可以直接控制用于实现Boxcar平均器的寄存器。表1详细总结了分配给输入、控制和输出端口的数据类型。Moku:Pro中控制寄存器的实际配置与本表中列出的规格一致。用户可以通过调整控制寄存器0-5来实现Boxcar平均器功能的完整配置，从而提供与Python控制面板相同级别的控制。
表1 Boxcar平均器输入、控制和输出端口的配置。
Moku:Pro 的设置如图9所示。在此配置中，Moku:Pro以多仪器模式运行，可在插槽1中实现Boxcar平均器，并在插槽2中实现输出监控。插槽1中的MCC模块利用In 1作为信号输入，利用In 2作为触发输入。MCC模块产生的输出Out A和Out B随后连接到插槽2中的示波器，以可视化箱形平均器输出信号。
图9 Moku:Pro 的多仪器模式配置。In 1为信号输入，连接到In A，In 2为触发信号。Boxcar平均器的两个输出Out A和Out B连接到示波器以显示结果。
MCC中的控制寄存器配置了图10 所示的值。触发级别设置为2,244，对应触发阈值幅度为75 mV（2244 LSB，其中LSB 代表zui低有效位，除以29925 LSBs/V，即Moku:Pro 的数字分辨率）。
在对齐过程之前，可以将触发延迟设置为0。对于320纳秒的门宽，其控制寄存器配置为100（通过将320纳秒除以Moku:Pro的时钟周期3.2纳秒获得）。此外，平均长度设置为100，表示输出是从100个单独的boxcar积分得出的平均值。可以根据zui终输出的质量对该值进行微调。
增益控制设置为65536，实际上将zui低有效16位（小数位）配置为全零，将整数增益（zui高有效16位）配置为1。此设置为Boxcar平均器输出建立单位增益。如果出现明显的量化误差，可以增加此值以放大输出。例如，将此控制寄存器设置为655,360将为信号提供10倍增益。相反，如果观察到饱和，则可以将值调整为32,768以对信号应用0.5倍衰减。
图10 触发电平设置为2,244(75 mV)，门控宽度设置为100，初始宽度为320 ns。开关控制设置为2，可同时显示Boxcar窗口和输入信号。触发延迟设置为0，可清晰观察系统中的原生延迟。蓝色轨迹表示Boxcar窗口，红色轨迹表示脉冲信号。峰值与Boxcar窗口中点之间的时间差测量值为237 ns。
图10表明，在应用触发延迟补偿之前，蓝色轨迹与红色轨迹相比有237 ns的超前。因此，通过将触发延迟设置为74个时钟周期来进行调整（一个时钟周期是3.2 ns)。如图11 所示，此调整成功对齐了蓝色和红色轨迹，确认所有积分输入信号都是有效的脉冲信号。
图11 触发延迟调整为74，为触发信号引入236.8纳秒的延迟，成功对齐蓝色（boxcar窗口）和红色（脉冲信号）。
为了提高信噪比，将门控宽度调整为272 ns，以丢弃脉冲信号中信号功率相对于噪声功率较低的不必要片段。然后相应地重新校准触发延迟，以使修改后的Boxcar 窗口与脉冲信号重新对齐。
图12 门宽和触发延迟经过微调，消除脉冲信号的无关部分，从而提高zui终结果的 SNR。
配置完参数后，将开关控制值设置为0，即可激活通过MCC的Out A端口传输Boxcar平均器结果。
图13 配置开关控制以激活Boxcar平均器输出，并将增益控制调整为327，以将值缩小0.00499倍，从而防止(a)中所示的输出饱和。可以使用公式(1)恢复实际输出值。
zui大门宽
门宽为16位，相当于zui多65536个样本；因此，Moku:Pro上可实现的Max门长为209.715 µs，Moku:Lab上为524.288 µs，Moku:Go上为2.097 ms。此计算可以扩展到触发延迟，也是16 位，并且可实现的Max触发延迟与门长相同。可以通过应用锁相环或有限脉冲响应(FIR)滤波器来引入额外的触发延迟。
双boxcar平均器
在某些实验场景中，激发或刺激脉冲配置为以测量信号脉冲频率的一半运行，如在泵浦探测光谱等应用中所见，其激光调制频率设置为激光重复率的一半。在这种情况下，携带有关物体激发状态信息的实际信号仅出现在每个第二个脉冲中，而第1个脉冲包含背景电平。为了隔离和提取所需信号，双boxcar平均方法是必不可少的，该方法涉及取第1和第2个脉冲之间的差值。重要的是，这种减法过程具有双重目的，不仅可以提取相关信号，还可以消除所获取信号中的直流基线。
MCC提供的适应性使双Boxcar平均器的实现变得简单。即将发布的应用说明将提供有关这方面的详细见解。
图14 每个触发器激活两个boxcar窗口（高：脉冲boxcar窗口；低：基线boxcar窗口），以同时积分两个探测脉冲（带和不带泵浦）。输出是两个积分结果之间的差值。
总结
本应用说明深入介绍了Boxcar平均器的原理。它演示了使用Moku:Pro上的Moku Cloud Compile(MCC)实现Boxcar平均器及其功能。Boxcar平均器的配置可以通过Python控制面板或直接控制寄存器来实现。此外，本应用说明还介绍了未来迭代的潜在改进。
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