6.0 KiB
4.4. 匹配滤波器
匹配滤波器在FPGA/ASIC两种平台下由于资源不同实现的形式也不同，区别如下：
- 由于ASIC多计算少存储，因而ASIC平台使用系数计算模式以节省存储资源。
- 由于FPGA 多存储少计算，因此FPGA平台使用系数直读模式以节省DSP资源。
4.4.1. 读出参数存储
DAQ_PAR 模块（基地址 0x00500000，总容量 32 KB）存储解模所需的全部参数，
每个量子比特独占 2 KB 子空间（控制区 512 B + 权重区 1536 B）：
\text{Qubit }N\text{ DAQ\_PAR 基地址} = \mathtt{0x00500000} + N \times \mathtt{0x800},\quad N = 0,1,\ldots,15 控制区（每比特偏移 0x000 ~ 0x1FF，共 512 字节）
控制区最多支持 16 组参数（PARA_ID = 0~15），每组占用 8 个 32 位寄存器（32 字节），
各组基地址 = Qubit 基地址 + PARA_ID × 0x20。
每组包含以下 8 个寄存器：
| 组内偏移 | 寄存器 | 位段 | 说明 |
|---|---|---|---|
0x00 |
dds_fpw | [31:12] fcw | 解模载波频率控制字：F_c = fcw / 2^{20} \times F_s |
| ^ | ^ | [11:0] pcw | 解模载波相位控制字：\phi_c = pcw / 2^{12} \times 2\pi |
0x04 |
mtf_idx | [31:16] addr | 权重数据起始地址（单位：4字节） |
| ^ | ^ | [15:0] len | 解模积分时间（单位：时钟周期，8个采样点） |
0x08 |
line0_ab | [31:16] a0 | 直线0 斜率系数 a（16位有符号数） |
| ^ | ^ | [15:0] b0 | 直线0 斜率系数 b（16位有符号数） |
0x0C |
line0_c | [31:0] c0 | 直线0 截距系数 c（32位有符号数） |
0x10 |
line1_ab | [31:16] a1 | 直线1 斜率系数 a |
| ^ | ^ | [15:0] b1 | 直线1 斜率系数 b |
0x14 |
line1_c | [31:0] c1 | 直线1 截距系数 c |
0x18 |
line2_ab | [31:16] a2 | 直线2 斜率系数 a |
| ^ | ^ | [15:0] b2 | 直线2 斜率系数 b |
0x1C |
line2_c | [31:0] c2 | 直线2 截距系数 c |
三组直线方程用于三态判断，将 IQ 平面划分为三个区间。判定公式：
a \times I < c \times 2^4 - b \times Q。三条直线的交点应重合于一点，否则产生错误态（3态）。详见 §4.5.3。
权重区（每比特偏移 0x200 起，共 1536 字节）
权重区存储匹配滤波器权重系数，最大 1536 个 8 位有符号系数，I 路和 Q 路权重分开存储。 详细布局见下方存储格式图。
- 系数的粒度由
func_ctrl.step_ctrl控制，一个权重样本点可对应 1/2/4/8/16 个时钟周期采样点； - 权重数据由
mtf_idx中的 addr 和 len 字段索引，len的长度为权重数据的采样点数乘以系数粒度。
读出参数存储格式如下图所示。
系数计算模式（ASIC）下，匹配滤波器系数 = DDS 载波 × 权重参数。FPGA 平台使用系数直读模式，仅使用
Ctrl部分（mtf_idx）索引 DAQ_FLT（0x00580000）中预存储的匹配滤波器系数，忽略 dds_fpw 控制字。
4.4.2. 匹配滤波器系数
ez-Q 2.5 FPGA平台使用系数直读模式，其需要额外的存储空间来配置匹配滤波器系数。
- 其中mtf_idx的含义从索引权重数据变为索引匹配滤波器系数。
- 匹配滤波器系数索引的粒度是时钟周期，
- 在FPGA平台下每个时钟周期对应16个采样点数据。
- 匹配滤波器系数采样点采用8比特数据位宽，因此1个周期数据位宽为128 bit，
匹配滤波器系数存储结构如下图所示。
- 匹配滤波器的I和Q数据分开存储，每个比特的I、Q数据容量分别为16 KB。
- I路数据偏移地址为 x × 32 KB，Q路数据偏移地址为 x × 32 KB + 16 KB，其中 x 为 Qubit 序号，范围为 0~15。
4.4.3. 匹配滤波器系数设计原则
匹配滤波器系数直接影响解模信噪比（SNR）。本小节提供系数设计的基本指导原则。
系数计算模式（ASIC 平台）
ASIC 平台下，匹配滤波器系数由 DDS 载波与权重参数实时计算：
\text{FilterCoeff}[n] = \text{Weight}[n] \times e^{j(2\pi f_{IF} \cdot n / F_s + \phi)}其中 Weight[n] 为下载数据经STEP_CTRL控制临近插值后权重，f_{IF} 为中频频率（由 dds_fpw.fcw 决定），F_s 为采样率。
权重设计要点：
- 权重的包络应匹配输入信号的幅度包络。理想情况下，权重是输入脉冲波形的时域反转复共轭；
- 权重长度（
mtf_idx.len）应覆盖输入信号从开始到完全衰减的时间窗口。过短 → SNR 损失；过长 → 引入额外噪声且增加解模延迟； - STEP_CTRL 优化：若信号包络变化缓慢，增大
STEP_CTRL可在相同权重存储空间下覆盖更长的解模窗口（见 §4.3 参数选择指南）； - 权重归一化：建议权重系数峰值设为 ±127（8 位有符号数最大值），以充分利用动态范围。
典型设计流程：
- 采集原始波形数据（
WAVE_SAVE_EN=1），观察信号幅度和持续时间 - 提取信号的幅度包络作为权重初始值
- 根据 SNR 需求调整权重长度和
STEP_CTRL - 通过解模 IQ 数据的 SNR 验证权重设计效果
系数直读模式（FPGA 平台）
FPGA 平台下，匹配滤波器系数需预计算并直接存入 DAQ_FLT（0x00580000），每 qubit 的 I/Q 各 16 KB。
系数预计算：
\text{I\_Coeff}[n] = \text{Weight}[n] \times \cos(2\pi f_{IF} \cdot n / F_s + \phi)\text{Q\_Coeff}[n] = \text{Weight}[n] \times \sin(2\pi f_{IF} \cdot n / F_s + \phi)由于FPGA每个时钟周期对应16个采样点，解模系数I_Coeff[n]和Q_Coeff[n]长度需要为16的整数倍。
存储布局注意：每个时钟周期的 128 位数据（16 samples × 8 bit）需按大端字节序排列，I/Q 分开存储且地址偏移为 16 KB（见 §4.4.2 存储结构图）。
跨平台一致性：对于同一组解模参数，ASIC 和 FPGA 平台应产生相同的解模结果（在量化误差范围内）。建议在平台移植时，用相同的输入波形验证两个平台的 IQ 输出一致性。