想要在噪聲中提取微弱信號？

不想被傳統(tǒng)臺式儀器的固定功能束縛？

NI最新的鎖相放大器FPGA參考設計來了！

這是一套開放的IP，能夠將PXI R系列、FlexRIO甚至示波器“變身”為高性能數(shù)字鎖相放大器。

為什么我們需要開放的LIA架構？

在基礎物理、材料科學、光學測量的前沿探索中，以及生物醫(yī)藥、分布式傳感、慣性導航等高端工業(yè)應用里，如何從強噪聲背景中精準提取微弱信號，始終是測量的核心挑戰(zhàn)。鎖相放大器（LIA）因此被公認為微弱信號檢測的“神器”。

然而，傳統(tǒng)臺式LIA往往受限于其“黑盒”屬性： 通道數(shù)固定、體積笨重、無法滿足用戶自定義算法的需求、難以實現(xiàn)高精度時鐘基準下的多機同步 。特別是在分布式光纖傳感或多軸慣導測試等復雜場景下，用戶對“高密度通道并行”和“系統(tǒng)級相干性”有著嚴苛要求——這恰恰是傳統(tǒng)單體儀器難以逾越的鴻溝。

如果您的采集卡就能直接”進化“為高性能鎖相放大器，會是怎樣的體驗？

并不是增加一臺儀器，而是釋放硬件的潛能。我們正式推出 NI Lock-in-Amplifier (LIA) FPGA Reference Design 。這是一套開放且強大的FPGA IP核心，能夠直接賦能您的NI FPGA RIO硬件（涵蓋R系列、FlexRIO及協(xié)處理器、甚至是示波器板卡），將其瞬間轉化為高精度、高靈活性的數(shù)字鎖相放大器，完美適配從實驗室研發(fā)到工業(yè)量產(chǎn)的復雜測量需求。

圖1: 基于PXI 的鎖相放大器硬件架構

核心亮點一： 開放式 FPGA 平臺，兼顧“即開即用”與“算法自定義”

NI 提供的不僅僅是硬件，而是一套完整的開放式 FPGA 參考設計（Reference Design）。

• 即開即用： 提供基于 Host 端的完整驅動與 GUI，用戶無需編寫底層代碼，即可像操作標準儀器一樣配置濾波器、查看頻譜，降低您FPGA的使用門檻。

圖2: 基于 LabVIEW 的鎖相放大器交互界面

• 算法自定義： 打破傳統(tǒng)儀器的“黑盒”限制，向用戶開放 FPGA IP Core?？蒲腥藛T可將 自定義的解調算法 、級聯(lián)濾波器或PID 控制邏輯直接嵌入 FPGA 流水線中，實現(xiàn)真正的“軟件定義儀器”。
  廣泛的硬件適配能力

該參考設計具有極強的跨平臺移植性， FPGA IP Core 能夠靈活部署于多種 NI 硬件平臺，滿足從低成本控制到高性能射頻直采的各類需求，為了確保參考設計的可靠性與性能確定性，研發(fā)團隊已針對以下主流硬件配置進行了嚴格驗證：

核心亮點二：系統(tǒng)級優(yōu)勢，高密度多通道并行與分布式異地同步

得益于NI PXI板卡自身的高集成度以及PXI平臺背板時鐘與觸發(fā)架構，該方案解決了傳統(tǒng)臺式儀器在通道拓展和系統(tǒng)同步上的痛點：

• 高密度通道并行： NI PXI板卡憑借其高密度AI/AO通道設計，在單張板卡上即可原生支持多個LIA通道的激勵與采集。 結合PXI機箱的靈活擴展，單機箱即可輕松實現(xiàn)數(shù)十通道LIA系統(tǒng)，大幅攤薄單通道成本。 這遠比依賴堆疊獨立盒式儀器來拓展通道的傳統(tǒng)方案更具性價比，并顯著簡化了系統(tǒng)復雜度和布線。
• 分布式異地同步 ：支持GPS/PPS 馴服時鐘。在大型物理實驗或分布式光纖傳感場景下，能夠實現(xiàn)跨機箱、甚至跨地域的納秒級相位一致性，構建統(tǒng)一時基的測量網(wǎng)絡。

核心亮點三：寬頻信號處理——從DC到3.2 GS/s 射頻直采與雙模解調架構

通過引入 ** N-SPC (N-Sample-Per-Cycle)** 并行處理技術，該設計能夠適配從低速高精到高速寬帶的各類 NI 硬件：

• 3.2 GS/s射頻直采架構： 通過引入 N-SPC (N-Sample-Per-Cycle) 并行處理技術，我們的設計能夠無縫適配從低速高精到高速寬帶的各類NI硬件。特別是當適配3.2 GS/s采樣率的FlexRIO數(shù)字化儀（如PXIe-5785）時，可實現(xiàn)DC至320 MHz的有效信號帶寬覆蓋，直接在數(shù)字域完成高保真I/Q解調。這種射頻直采架構確保了信號處理的純凈性與精確度，避免了模擬前端的失真。

表格1: FPGA LIA 不同架構性能與兼容性橫評

• 多架構解調靈活性與智能適配： 我們深知不同應用場景對LIA解調策略的需求各異。因此，我們的參考設計支持多種FPGA LIA架構，滿足您在精度、速度和兼容性上的嚴苛要求：

我們的架構支持 外部PLL（External PLL）、外部Hilbert（External Hilbert）和內(nèi)部參考（Internal Reference）模式 。這意味著您可以根據(jù)信號特點靈活選擇最匹配的解調策略。例如，我們的IP在1-spc和N-spc模式下，均能支持這些架構，并且在吞吐量、采樣率及頻率范圍上均有明確的優(yōu)化和驗證，甚至支持K7/KU等特定FPGA目標，部分架構更可移植到任何FPGA平臺，為您的項目提供了無與倫比的兼容性和靈活性。

釋放硬件潛能，加速您的創(chuàng)新！

從極致的信號探測，到靈活的系統(tǒng)構建，NI Lock-in-Amplifier FPGA 參考設計重新定義了LIA的測量體驗。它不僅僅是一個工具，更是激發(fā)您創(chuàng)新潛力的開放平臺——無論是實驗室的前沿科研，還是工業(yè)生產(chǎn)線的嚴苛測試，我們都能提供無與倫比的性能、靈活性與集成度。