本文介绍了Advanced Micro Devices, AMD公司如何基于可重构FPGA设备自定义激光探测解决方案，替代传统的仪器配置，通过灵活且可定制的FPGA设备Moku提供更高效和灵活的激光探测技术。文中结合多个案例研究探讨了使用Moku平台简化实验设置、部署锁相放大器和双boxcar平均器提升信号质量、并通过Moku的神经网络及云编译功能优化实时信号处理。Moku将信号生成、测试分析、控制调节等多种功能集成于一台设备，支持用户快速部署自定义HDL代码，该方案集成度高、硬件投资成本低、配置简洁，且支持高度自定义和信号处理技术。
AMD利用可重构FPGA设备Moku实现自定义激光探测解决方案
摘要
本文介绍了Advanced Micro Devices, AMD公司如何基于可重构FPGA设备自定义激光探测解决方案，替代传统的仪器配置，通过灵活且可定制的FPGA设备Moku提供更高效和灵活的激光探测技术。文中结合多个案例研究探讨了使用Moku平台简化实验设置、部署锁相放大器和双boxcar平均器提升信号质量、并通过Moku的神经网络及云编译功能优化实时信号处理。Moku将信号生成、测试分析、控制调节等多种功能集成于一台设备，支持用户快速部署自定义HDL代码，该方案集成度高、硬件投资成本低、配置简洁，且支持高度自定义和信号处理技术。
1.引言
目前，激光探测（laser probe, LP）技术及其衍生应用的整合通常高度依赖原始设备制造商（original equipment manufacturer , OEM）提供的解决方案。然而，这些整体方案普遍缺乏灵活度与泛化性，并且通常存在知识产权等方面的限制，与供应商之间协调所需的法律和财务流程通常复杂且耗时，这不仅极大地阻碍了企业实际生产中技术创新的进程，也影响科研院所之间在该领域的研究合作。
图1：商用激光扫描显微的外部输入/输出接口，采用默认的激光探测和频域映射配置。
LSM厂商默认提供的低频和中频配置通常需要与示波器和频谱分析仪等独立仪器搭配使用，以实现相应的技术。如时域映射的实现还需要一个具有boxcar平均功能的锁相放大器，这通常作为附加选项提供。基于Moku的可重构集成方案将大大简化这一设置，只需要一个可重构FPGA设备，即Moku，和两个物理连接：一个连接到光子探测器输出，另一个连接到模拟辅助输入，如图2所示。在这种配置下，由于LSM软件的限制，不会使用激光同步。一旦硬件连接建立，这些仪器可以完全通过软件界面进行切换。接下来我们将更详细地讨如何通过Moku实现可自定义的激光探测方案。
图2：与原始设备制造商的默认配置相比，简化了激光探测技术的实现（已划掉部分）。部署单个可重构FPGA设备Moku可以取代所有三个独立的测量仪器（频谱分析仪、示波器和锁相放大器）。
2.频域映射解决方案
频域映射通常用于将激光图像与模具布局对齐以及确保精准聚焦，这一技术对于实现佳的信号采集至关重要。
图3：可重构FPGA设备与LSM之间的物理硬件连接
图4：用于频率映射技术的Moku锁相放大器配置。可在本地振荡器和锁相环之间切换，以输出幅度或相位信息。
图5：焦距调节过程中的频域映射图像序列。图像编号4的聚焦效果佳。
应当指出的是，当目标频率是周期性的（例如时钟信号或基于HHLL的扁平化扫描信号）且占空比约为 50% 时，频域映射性能达到z佳。偏离50%的占空比会引入额外的谐波，对系统性能产生负面影响，并降低整体信噪比。
另外，利用软件定义的双boxcar平均器（Moku提供了Python API控制面板以及云编译部署控制实现该功能）也可以实现频域映射。在时域中，基线boxcar设置在时钟信号的零电平位置，脉冲boxcar设置有效时钟位置，如图6所示。根据测试模式的长度、频率和允许的激光功率，在超过2000次的平均下，双boxcar平均器能获得良好的信噪比，并且可以实现较快的扫描速率。图7展示了不同频域映射实现方式所获得结果的比较。总体而言，与锁相放大器方法相比，当背景信号更复杂时，如图8所示，它捕获了门控窗口内的所有信号分量，而锁相放大器方法仅捕获目标频率处的信号分量。用户可以根据其具体目标选择合适的频域映射方法。
图6：蓝色线条表示无时钟信号向量的显示波形。红色线条表示存在有效时钟信号向量的显示波形。黄色阴影区域分别是基线boxcar（较低）和脉冲boxcar（较高）。
图7：不同频域映射实现方式的对比图
图8：采用双boxcar平均器得到的频域映射结果往往比使用锁相放大器得到的结果更为丰富。
3.时域映射解决方案
使用可重构FPGA设备Moku来实现时域映射的解决方案时，无需对图3所示的硬件连接进行任何更改，仅将部署的软件定义仪器从锁相放大器切换到双boxcar平均器模块即可。配置脉冲boxcar来捕获所需信号的位置以及基线boxcar在没有信号的位置。zui后，将激光像素延迟与boxcar平均时间对齐，如图9所示。
图9：时域映射的时域波形图示例。触发信号（蓝色）由测试设备提供。基线boxcar（低的黄线）设置在无信号的位置，而脉冲boxcar（高的黄线）则设置在需要捕获信号的位置。
图10：正常元件和故障元件上显示的时域映射结果图像。对比正常元件，故障元件上从扫描单元输出区到输出缓冲器B的时域映射信号缺失。故障元件的激光探测信号在扫描单元输出处用“+”标记，表明其出现输出不随激励信号翻转的现象。
4.自定义解决方案示例—移动平均滤波器
接下来，我们将具体展示如何通过在Moku上部署一种定制解决方案来满足特定的测量需求。具体而言，我们通过Moku的多仪器并行模式，同时部署了锁相放大器与自定义的实时移动平均滤波器，通过它们协同工作实现简易的频域映射方案。在多仪器并行模式下，用户可以部署zui多8种仪器同时运行，根据实验需求，用户可以灵活配置所需仪器，且仪器在时钟总线上高度同步。如图11所示，该实现方式所需的自定义算法通过云编译模块部署。本方案使用的两个仪器之间的数据交互与同步，通过FPGA的内部互连结构进行配置仪器之间无需额外任何物理连线，从而确保低延时信号传输。
移动平均滤波器的实现原理由以下公式给出
其中，x(t) 为离散时间序列输入信号，y(t) 为输出信号，n 为连续信号的样本数量。该方程通过HDL代码实现，并编译成比特流文件，然后即可通过云编译器进行部署。
图11：Moku多仪器并行的串联配置。锁相放大器的输出A被连接到云编译器的输入A，该云编译器部署了移动平均滤波器的自定义算法。
图13：增加移动平均滤波器后输出与锁相放大器原始输出的对比；输出电压分别为360 mV和22 mV。
5.基于神经网络的降噪方案实现
FPGA的可重构和并行处理架构非常适合神经网络处理。它提供了低延迟的推理性能，适用于各种实时信号处理应用，例如信号降噪、分类和闭环控制。接下来，我们使用自编码器这类神经网络来进行信号降噪，并通过Moku将其部署到其他仪器（如示波器、锁相放大器和boxcar平均器）输入之前的一级进行前端信号处理。自编码器是一种神经网络类型，旨在高效地学习输入数据的压缩表示。它通过采用一种网络架构来将数据压缩至更小的编码空间表示，然后将其重构回原始输入大小，从而完成这一任务。
图15：中值滤波器与自编码器在SDD和MSE评估指标方面的比较。
为了测试自编码器在不同采样率或数据密度下的表现情况，我们将采样率定义为在每个信号脉冲下所采集的样本数量。在激光探测应用中，采样率通常设置在每个信号脉冲采集50个到200个样本之间，以获得可靠的分辨率用于分析，具体数值取决于测试设置的频率以及示波器的性能。图17所示的结果表明，自编码器的性能在数据密度增加时提升，但到达400个采样/脉冲时开始趋于稳定。
图17：不同采样率下自编码器的性能。采样率越低，SDD值越小，性能越好。
图18：不同噪声水平下自编码器的性能表现。*SDD越低越好。
图19：不同神经网络层数和编码空间大小下自编码器的性能表现。*SDD越小越好。
结论
在此，特别感谢AMD工程师Zhi Hao Ko 提供的应用研究及支持。本文通过展示了一种基于单台自适应 FPGA 设备的激光探测技术的简易实现方案，并通过实际应用案例进行了验证。该 FPGA 平台的功能不仅限于可重构的测试与测量仪器，更可作为高度可定制的信号处理解决方案，满足多样化和特定化的测试需求及推动测试测量领域创新发展。
本文所展示的应用实现仅是初步探索，未来该方案不仅可拓展至更复杂的光学故障定位技术，也为更广泛的失效分析与测试方法提供了新的思路与实现路径。基于实时神经网络（Live NN）的概念在信号处理领域依然具有巨大潜力。随着 Moku 平台采用更高性能的 FPGA 架构，系统可进一步提升采样与处理能力。同时，未来可探索多种神经网络模型，以在精度与响应速度上实现更优表现。
关于Moku
Moku是由昊量光电代理的Liquid Instruments基于FPGA技术开发的多功能测试测量平台，结合高带宽模数转换器和数模转换器，实现信号生成、调节控制及测试分析等多种仪器功能。凭借其创新的软件定义精密测量技术，Moku将15种不同的测试测量仪器功能集成于一台设备中，包括锁相放大器、激光稳频控制器、高精度相位计、时间间隔分析仪、机器学习神经网络、示波器和任意波形发生器等。用户可以根据应用需求灵活组合这些仪器功能，实现同时运行并构建定制化的测试测量系统。此外，Moku的云编译功能支持用户编程，进一步增强其在各类科研和工程应用中的适应性与扩展性。新的高性能型号Moku:Delta不仅延续Moku软件定义仪器的灵活性，更在软件及硬件性能上全面升级：
8个模拟输入和8个模拟输出通道，高达 2 GHz 带宽
14 位与 20 位 ADC 混合专li技术，在保证高分辨率的同时实现低本底噪声测量
优异相位噪声与长期稳定度
支持Verilog, HDL与IP核部署自定义算法到FPGA，实现自定义测试系统
多仪器并行模式升级至支持8个仪器同时运行
更多详情请联系昊量光电/欢迎直接联系昊量光电
关于昊量光电：
上海昊量光电设备有限公司是光电产品专业代理商，产品包括各类激光器、光电调制器、光学测量设备、光学元件等，涉及应用涵盖了材料加工、光通讯、生物医疗、科学研究、国防、量子光学、生物显微、物联传感、激光制造等；可为客户提供完整的设备安装，培训，硬件开发，软件开发，系统集成等服务。
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