一種針對時間交替模數轉換系統時間誤差的實時校正裝置的製作方法

2023-12-08 18:00:56

專利名稱：一種針對時間交替模數轉換系統時間誤差的實時校正裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種基於最小均方差(LMS, Least Mean Square)方法的時間交替模數轉換(TIADC)系統的時間誤差實時校正裝置，屬於高速度高精度模數轉換技術領域。
背景技術：
模數轉換器(ADC)作為模擬技術與數位技術的接口，被廣泛的應用於雷達、醫療儀器、通信系統等現代電子系統中。隨著數字集成電路及數位訊號處理技術的不斷進步，對ADC的速度和精度提出了更高的要求，而傳統的ADC由於器件工藝的限制很難滿足同時具備高精度和高速度的要求。採用多個相對低速、高精度的ADC多個通道並行時間交替採樣構成TIADC系統是目前高速、高精度ADC的發展方向。這種並行交替ADC由M個獨立的並行子通道構成，各個子通道以fs/M的採樣頻率對相同的輸入信號進行交替採樣，然後M個子通道的輸出重組成一組數字輸出信號。這時，整個並行交替ADC系統的採樣頻率為fs。理想情況下，M個子通道應該是相同的線性電路，並有相同的電路特性。但在實際應用中，ADC的製造工藝等引入通道失配誤差(偏置誤差、增益誤差、時間誤差)，這些誤差如果不加以校正，就會嚴重影響TIADC系統的性能。其中偏置誤差和增益誤差較易校準，只需要在各個子通道輸出信號通路上分別增加一個加法器和乘法器。然而，時間誤差的校正相對困難很多。針對時間誤差，相關論文和專利中提出不少校正方法。申請專利號為200510122833.6四通道無失配時鐘控制電路提供了一種減小時間誤差的時鐘控制電路，這種方法要求採樣保持電路必須以系統的採樣速度運行，而設計高速高精度的採樣保持電路是很困難的，限制了 TIADC系統的採樣速度。申請專利號為200910109487.6隻給出了時間誤差的補償方法。因此，研究一種新的性能好、計算複雜度低、易於硬體實現的TIADC系統時間誤差實時校正方法具有重大意義。

實用新型內容本實用新型的目的是提出一種基於LMS方法的TIADC系統的時間誤差實時校正方法，該校正方法不僅硬體開銷小，而且不需要專門的補償電路，可以高效率地實現時間誤差的實時校正。本實用新型是採用以下技術方案實現的:實時校正方法模型包括時鐘產生電路、TIADC系統、多路復用器MUX、低通濾波器、Farrow結構延時濾波器、微分器、時間誤差自調整模塊、變量係數模塊、乘法器、減法器以及累加器，其特徵在於:所述的時鐘電路的輸出端與TIADC系統的輸入端連接；TIADC系統的輸出端與多路復用器MUXlO以及M個低通濾波器的輸入端連接；低通M-1個濾波器的輸出端與Fairow結構延時濾波器3的輸入端連接farrow結構延時濾波器3的輸出端與第一微分器4以及累加器7的輸入端連接；第一微分器4的輸出端與乘法器5輸入端連接；乘法器5的輸出端與累加器7的輸入端連接；累加器7以及一個濾波器的輸出端與減法器8的輸入端連接；減法器8的輸出端與時間誤差自調整模塊9的輸入端連接；時間誤差自調整模塊9的輸出端與乘法器5以及乘法器6的輸入端連接；變量係數模塊11以及第二微分器13的輸出端與乘法器6的輸入端連接，乘法器6的輸出端與減法器12的輸入端連接；多路復用器MUXlO的輸出端與第二微分器13以及減法器12的輸入端連接，最後由減法器12的輸出的信號就是校正後的系統輸出信號。如述的時間誤差自調整模塊9是基於LMS方法來自適應計算時間誤差值h (η),其表達式為:tj (n) =tj (n-1) + μ e (n) b (η)其中，在採樣點的個數η不斷增加過程中，\ (n-Ι)表示\ (η)的初始值；μ為步長參數，設置範圍為0.01—0.00001 ；e(n)表示通道間的誤差信號，是減法器8的輸出信號；b(n)表不微分器4的輸出信號。應用所述裝置進行一種針對時間交替模數轉換系統時間誤差的實時校正方法，對於M通道的時間交替模數轉換TIADC系統，把任一個通道作為參考，基於最小均方差LMS方法估計出其它M-1通道的時間誤差值，再通過補償結構實現時間誤差的實時校正；具體步驟如下:(I)、時間誤差估計al、向M通道的TIADC系統輸入頻率為fQ的正弦信號x(t)，TIADC系統對輸入信號進行採樣，得到M通道採樣輸出信號數據yk(n)，其中k代表通道號，k=l，2，3-M;為方便描述把第一通道作為參考通道，其餘M-1個通道均為帶有時間誤差tjn)的待校正通道，i=2, 3…Μ, η表 示採樣點的個數；a2、把M通道的採樣輸出信號分別送入低通濾波器進行濾波，隨後將M_1個待校正通道濾波後的輸出信號分別送入Fairow結構分數延時濾波器中得到延遲半個單元的序列ak(n)，再把此序列分別送入微分器進行求導運算得到序列bk(n)，最後將bk(n)送入乘法器與時間誤差值h (η)相乘得到序列ck(η);由此得到，待校正的M-1個通道的理想採樣輸出信號ykk(n)就等於序列ak(n)與相應的序列ck (η)的和；a3、將待校正的M-1個通道的理想採樣輸出信號ykk(n)送入減法器分別與參考通道的採樣輸出信號進行求差，所得的通道間的誤差信號e(n)反饋作為時間誤差的參考值，基於LMS方法自適應地調整時間誤差的值，直到誤差的數量級滿足設計指標要求，估計結束；其中，誤差的數量級範圍為10_4 10_5 ；(2)時間誤差實時補償向M通道的TIADC系統輸入頻率為&的正弦信號x (t)，TIADC系統對輸入信號進行採樣，得到M通道採樣信號後，將M通道的採樣信號通過多路復用器MUX拼接成一路輸出信號I (η);對於M通道TIADC系統，其輸出信號近似看作是由輸入信號和系統誤差信號兩部分組成；具體步驟如下:bl、上述補償方法實現的前提就是要估計出系統誤差信號e。(η)，而系統誤差信號可以由下列表達式得到:ec (η) = (_1)n (x (n) *h (η)) (η)其中:*表示卷積，χ(η)為輸入信號x(t)經傅立葉變換後的信號；h(n)是h(eju)經傅立葉變換後的信號，h(e>)表示微分器的頻率響應，其表達式為:h(eJU)=_j2cob2、用TIADC系統的輸出信號y (η)減去估計出來的時間誤差信號ee(n)，最後得到了補償後的輸出信號。其步驟(a3)中基於LMS方法自適應計算時間誤差值的表達式為:(n) =tj (n-1) + μ e (n) bk (η)其中，在採樣點的個數η不斷增加過程中，\ (n-Ι)表示\ (η)的初始值；μ為步長參數，設置範圍為0.01—0.00001 ；e(n)是步驟(a3)中的通道間的誤差信號；bk(n)是步驟(a2)中通過微分器求導之後得到的序列。與現有技術相比，本實用新型的優點在於:本實用新型所述的校正方法模型把時間誤差的估計和補償合成一個整體模型，SP不需要預先測量時間誤差的大小，避免了時間誤差的測量、計算等複雜工作；也不需要額外的補償電路，並且能對TIADC系統的時間誤差進行實時校正。此外，本實用新型中的校正部分全數字實現，不存在模擬器件的實現偏差問題，不會對ADC晶片的設計引入任何限制，通用性強，計算複雜度低、易於硬體實現，適用於絕大多數新一代的ADC。

圖1是時間交替模數轉換器(TIADC)系統結構框圖；圖2是TIADC系統時間誤差校正方法的模型圖；圖3是兩通道TIADC系統時間誤差估計的一種具體實施方式
結構圖；圖4是基於LMS方法計算時間誤差值的模型圖；圖5是兩通道TIADC系統時間誤差補償的一種具體實施方式
結構圖；圖6是未進行時間誤差校正時系統的正弦輸出頻譜圖；圖7是根據本實用新型的校正方法對系統輸出進行時間誤差校正後系統的正弦輸出頻譜圖。
具體實施方式
以下結合附圖詳細說明本實用新型的具體實施方式
。如圖1所示為TIADC採樣系統，也可以叫M通道並行時間交替模數轉換器採樣系統的結構框圖。假設採樣的輸入模擬信號為X(t)，整個採樣系統的採樣間隔Ts=l/fs，則單個通道採樣間隔T=M Ts0圖1為一個M通道的並行採樣系統，M通道的採樣後的信號通過多路復用器MUX拼接在一起還原為一個輸出信號y(n)。然後採用本實用新型中的補償方法進行校準操作。圖2是TIADC系統時間誤差校正方法的模型圖。如圖2所示，本實用新型所述基於LMS方法的TIADC時間誤差的校正方法是一個包含估計和補償在內的自適應濾波(AF,adaptive filtering)模型。為了便於本領域的技術人員更好的理解本實用新型，我們把本實用新型的時間誤差校正方法模型分為估計和補償兩部分分別來介紹。圖3是兩通道TIADC系統時間誤差估計的一種具體實施方式
結構圖。[0041]在本實施例中，如圖3所示，為兩通道(M=2)的TIADC系統時間誤差估計方法模型。每一個ADC的採樣頻率為IOOMHz，則TIADC系統的採樣頻率為200MHz。需要說明的是本實用新型方法並不僅限於兩通道的情況，只是以兩通道的TIADC系統為例驗證方法的可行性。本實用新型的時間誤差估計方法把第一通道作為參考通道，把第二通道的相對誤差值設置為0.01，具體步驟如下所示:(I)為實驗方便，我們分別採用三個不同頻率的正弦信號(ω1=12.89ΜΗζ，ω2=28.91ΜΗζ, ω3=42.97ΜΗζ)作為輸入信號，經TIADC系統採樣後得到第一通道和第二通道的採樣信號分別為yjn)、y2 (η)。將兩路採樣後的信號分別送入30階低通濾波器(截止頻率為30MHz)得到濾波後的輸出信號，然後把第二通道濾波後的輸出信號送入Farrow結構分數延時濾波器中可以得到延遲半個單元的序列a2(n)，再讓此序列通過21階微分器求導得到序列b2 (η)，最後乘以時間誤差值t2 (η)得到序列C2 (η)。第二通道的理想採樣信號Y22 (η)就等於序列a2(n)與序列C2 (η)的和。(2)將求得的理想採樣信號y22(n)送入減法器與第一通道濾波後的輸出信號進行求差，所得通道間的誤差信號e (η)反饋作為時間誤差的參考值，基於LMS方法自適應地調整時間誤差的值，直到誤差的數量級到達IX 10Λ估計結束。如圖4所示是基於LMS方法計算時間誤差值的模型圖。基於LMS方法,時間誤差值的表達式為:tj (n) =tj (n-1) + μ e (n) b2 (η)其中，μ為步長參數,此處為0.01。圖5是兩通道TIADC系統時間誤差補償的一種具體實施方式
結構圖。在本實例中，如圖5所示，為兩通道TIADC系統誤差補償方法模型。將採樣輸出的信號通過多路復用器MUX拼接成一路輸出信號。TIADC系統的輸出信號近似看作是由輸入信號x(n)和系統誤差信號e。(η)兩部分組成。基於上述模型，我們可以得到一個基本的補償方法就是把系統誤差信號從輸出信號中消除。具體原理表述如下:(I)、上述補償方法實現的前提就是要估計出系統誤差信號。如圖4所示，系統誤差信號的表達式為: ec (η) = (_1)n (x (n) *h (η)) tj (η)其中:*表示卷積，χ(η)為輸入信號x(t)經傅立葉變換後的信號；h(n)是h(eju)經傅立葉變換後的信號，h(e>)表示微分器的頻率響應，其表達式為:h(e>)=-j2co對於兩通道的TIADC系統，由於輸入信號遠遠大於誤差信號，因此可以用輸出信號y(n)來代替輸入信號X (η)。(2)、用TIADC系統的輸出信號y (η)減去估計出來的系統誤差信號e。(η)，最後得到了補償後的輸出信號yjn)。圖6和圖7為使用本實用新型對時間誤差校正前後的正弦信號頻譜圖。如前所述，我們採用三個不同頻率的正弦信號(ω1=12.89MHz，ω2=28.91MHz，ω3=42.97MHz)來驗證本實用新型的性能。由圖6可以看出，無雜散動態範圍(SFDR)分別為-53.99dB、-46.85dB和-43.57dB，可見由於時間誤差產生的雜散頻率譜線嚴重降低了信號的SFDR。由圖7可以看出由時間誤差產生的失真頻譜大幅降低，這時SFDR分別為-84.7dB、-90.82dB和-76.24dB。採用本實用新型的校正方法使得SFDR提高了 30dB，滿足提高25dB的實驗要求。由以上分析說明本實用新型能有效地校正TIADC系統的時間誤差，提高信號的SFDR，降低由時間誤差產生的頻率譜線。
權利要求1.一種針對時間交替模數轉換系統時間誤差的實時校正裝置，其特徵在於，包括時鐘產生電路、TIADC系統、多路復用器MUX、低通濾波器、Farrow結構延時濾波器、微分器、時間誤差自調整模塊、變量係數模塊、乘法器、減法器以及累加器: 所述的時鐘電路的輸出端與TIADC系統的輸入端連接；TIADC系統的輸出端與多路復用器MUX( 10)以及M個低通濾波器的輸入端連接；M-1個低通濾波器的輸出端與Farrow結構延時濾波器(3)的輸入端連接；Fair0W結構延時濾波器(3)的輸出端與第一微分器(4)以及累加器(7)的輸入端連接；第一微分器(4)的輸出端與乘法器(5)輸入端連接；乘法器(5)的輸出端與累加器(7)的輸入端連接；累加器(7)以及一個濾波器的輸出端與減法器(8)的輸入端連接；減法器(8)的輸出端與時間誤差自調整模塊(9)的輸入端連接；時間誤差自調整模塊(9)的輸出端與乘法器(5)以及乘法器(6)的輸入端連接；變量係數模塊(11)以及第二微分器(13)的輸出端與乘法器(6)的輸入端連接，乘法器(6)的輸出端與減法器(12)的輸入端連接；多路復用器MUX (10)的輸出端與第二微分器(13)以及減法器(12)的輸入端連接，最後由減法器(12)的輸出的信號就是校正後的系統輸出信號。
專利摘要一種針對時間交替模數轉換系統時間誤差的實時校正裝置，包括時鐘產生電路、時間交替模數轉換系統、多路復用器MUX、低通濾波器、Farrow結構延時濾波器、微分器、時間誤差自調整模塊、變量係數模塊、乘法器、減法器以及累加器。其特徵在於，對於M通道的時間交替模數轉換系統，把任一個通道作為參考，其餘M-1個通道為待校正通道，基於自適應濾波器估計出待校正的M-1個通道的理想採樣信號，計算出兩通間的誤差信號，然後基於LMS算法計算出時間誤差值，再通過補償結構實現時間誤差的實時校正。本裝置把時間誤差的估計和補償合為一體，真正的到達了硬體少、複雜度低以及實時校正的目標。
文檔編號H03M1/10GK203057112SQ20122062506
公開日2013年7月10日 申請日期2012年11月22日 優先權日2012年11月22日
發明者劉素娟, 齊佩佩, 王俊山, 張美慧, 姜文姝 申請人:北京工業大學