一種基於旋轉矩陣的並行交替採樣系統誤差估計方法
2023-12-02 06:08:51
一種基於旋轉矩陣的並行交替採樣系統誤差估計方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於旋轉矩陣的並行交替採樣系統誤差估計方法，包括以下步驟：一、初始參數輸設定；二、訓練樣本構建：先取一個時間段t內M個A/D轉換晶片的採樣序列，再作快速傅立葉變換至頻域後，相應獲得M個訓練樣本，M個訓練樣本組成一個訓練樣本集三、誤差估計：採用數據處理器且利用所構建的訓練樣本集進行誤差估計，過程如下：誤差估計用雙頻率點選取、協方差矩陣估計、特徵分解、大特徵值及其對應的特徵向量提取和時基誤差估計。本發明方法步驟簡單、設計合理且實現方便、使用效果好，能有效解決現有並行交替採樣系統誤差估計方法存在的估計過程複雜、需要多次迭代且不易收斂、計算量較大、容易陷入局部極小點等缺陷和不足。
【專利說明】一種基於旋轉矩陣的並行交替採樣系統誤差估計方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種並行交替採樣系統誤差估計方法，尤其是涉及一種基於旋轉矩陣的並行交替採樣系統誤差估計方法。
【背景技術】
[0002]隨著數位訊號處理技術應用範圍的不斷擴大，所需要處理信號的頻帶寬度(簡稱帶寬)範圍也越來越大。從信號帶寬方面考慮，信號可以分為窄帶信號、寬帶信號和超寬帶信號三類。窄帶信號在大多數情況下用單個ADC轉換晶片進行採樣便可達到高精度的目的；在滿足採樣定理的前提下，寬帶信號一般也可用單個高速率ADC轉換晶片進行採樣，但一般精度較低，不能進行高精度採樣，無法滿足大動態範圍的使用要求，且電路的硬體成本較高；而對於超寬帶信號，在滿足採樣定理的前提下，現有條件一般很難用單個ADC轉換晶片進行採樣。
[0003]因而，對於寬帶信號和超寬帶信號(信號帶寬在幾十兆至幾百兆甚至上千兆)來說，用單個ADC轉換晶片在滿足採樣定理和不滿足採樣定理的前提下，要實現信號的高精度採樣和重構都是難於達到目的的。若利用數位訊號處理的理論和方法，用多個低速率、高精度的ADC轉換晶片構成一個多通道採樣系統，在一定條件下，可以實現信號的高精度採樣和信號的實時重構。依據信號處理的基本理論，對於M個通道的採樣系統來說，系統要求每個ADC轉換晶片的最低無失真採樣頻率是採用單個ADC轉換晶片進行採樣的1/M，隨著對ADC轉換晶片採樣速率要求的大幅度降低，使信號帶寬與採樣速率之間的矛盾得到了很大的改善。實際使用過程中，上述多通道採樣系統一方面在保持ADC轉換晶片採樣速率不變時，可以將系統允許輸入的最大信號帶寬提高為單個ADC轉換晶片採樣時的M倍；另一方面，在保持系統允許輸入的最大信號帶寬不變時，可以採用低速率、高精度的ADC轉換晶片對輸入信號進行採樣，達到以M個低速率、高精度採樣序列重構出信號的高速高精度採樣序列的目的，解決採樣速率與採樣精度之間的矛盾。現代雷達、通信等信號處理系統，通常要求直接對天線接收信號進行數位化後再進行處理。對於寬帶信號而言，這要求ADC轉換晶片具有很高的轉換速率，然而其採樣速率每增加一倍，量化精度就要近似下降一位，從而導致動態範圍下降約6dB ;而且採樣時鐘的穩定性也將隨著採樣速率的提高而下降，這將加劇孔徑抖動從而使信噪比降低，成本也會急劇增加。
[0004]並行交替採樣技術，即前端利用多片ADC轉換晶片並行逐次採樣，後端串行多路復用，可以有效解決採樣速率與信號帶寬以及採樣速率與採樣精度之間的矛盾。但是，由於其依賴於各通道間的精確配合，相對於單通道採樣，存在更多的系統誤差。首先，各通道ADC轉換晶片之間的增益和偏置難以做到嚴格的一致；其次，並行通道之間的採樣時鐘相位在現有技術條件下也無法實現精確控制(時基偏差)。因此，多通道系統誤差將導致採樣波形非線性失真，降低系統性能。
[0005]針對以上問題，大量文獻提出了不同的系統誤差估計方法，如信號譜分析法、相關法、參數模型法、盲估計法等，但信號譜分析法、相關法和參數模型法大多都要求頻譜純淨的已知激勵信號作為校正源，估計過程複雜，且誤差參數變化後需重新校正；而盲估計法雖無需特殊激勵信號，但需要多次迭代且不易收斂，計算量較大。
[0006]2009年《電子學報》37 (10):2298-2301中由田書林、潘卉青、王志剛發表的《一種並行採樣中的自適應非均勻綜合校準方法》一文和2010年《電子測量與儀器學報》24(1):34-38中由潘卉青，田書林，葉芄等發表的《一種並行交替採樣中時基非均勻信號自適應重構方法》一文中提出了利用自適應控制技術、利用最小均方誤差準則將失配誤差估計轉化為多維非線性優化問題，分別對時基誤差、增益誤差以及偏置誤差進行迭代的方法。但由於該方法未考慮噪聲的影響，在低信噪比條件下估計精度將會下降，另外在迭代過程中容易陷入局部極小點。2012年09期《系統工程與電子技術》中由馬侖、廖桂生、盧丹發表的《基於子空間投影的並行交替採樣系統誤差估計》一文中提出了一種基於子空間投影技術的並行交替採樣系統誤差估計方法，該方法對每一通道的採樣數據分別進行傅立葉變換處理後(由於採用低速率ADC轉換晶片對寬帶信號採樣，單個通道採樣數據將產生頻譜混疊)，把多通道頻域採樣輸出看作陣列輸出，利用多通道時延對應的頻域線性相位矢量與由採樣數據得到的噪聲子空間的正交特性估計通道失配誤差。但是，由於在估計過程中需要進行迭代，同樣面臨計算量大以及容易陷入局部極小點等困難。
[0007]綜上，目前所採用的並行交替採樣技術還不夠成熟和完善，並且現有的並行交替採樣系統誤差估計方法均不同程度地存在估計過程複雜、需要多次迭代且不易收斂、計算量較大、容易陷入局部極小點等缺陷和不足。
【發明內容】
[0008]本發明所要解決的技術問題在於針對上述現有技術中的不足，提供一種基於旋轉矩陣的並行交替採樣系統誤差估計方法，其方法步驟簡單、設計合理且實現方便、使用效果好，能有效解決現有並行交替採樣系統誤差估計方法存在的估計過程複雜、需要多次迭代且不易收斂、計算量較大、容易陷入局部極小點等缺陷和不足。
[0009]為解決上述技術問題，本發明採用的技術方案是:一種基於旋轉矩陣的並行交替採樣系統誤差估計方法，其特徵在於該方法包括以下步驟:
[0010]步驟一、初始參數輸設定:通過參數輸入單元，輸入需進行誤差估計的並行交替採樣系統中所採用A/D轉換晶片的數量M、M個所述A/D轉換晶片的採樣頻率fs和所採樣寬帶信號s(t)的帶寬bps ;所述參數輸入單元與數據處理器相接；
[0011]步驟二、訓練樣本構建:先取一個時間段t內M個所述A/D轉換晶片的採樣序列，每個所述A/D轉換晶片的採樣序列中均包括n個採樣信號，其中n=t X fs ;再將M個所述A/D轉換晶片的採樣序列作快速傅立葉變換至頻域後，相應獲得M個訓練樣本；
[0012]M個訓練樣本分別為所述並行交替採樣系統的M個採樣通道的訓練樣本，且M個訓練樣本組成一個訓練樣本集；
[0013]步驟三、誤差估計:採用數據處理器且利用步驟二中所構建的訓練樣本集，對所述並行交替採樣系統進行誤差估計，過程如下:
[0014]步驟301、誤差估計用雙頻率點選取:從[-fs/2, fs/2]中隨機選取兩個數值fJPf2作為誤差估計用的一對頻率點，其中> f2且Af=f\-f2 ；
[0015]步驟302、協方差矩陣估計:從所述訓練樣本集中找出頻率值為的樣本數據組成訓練樣本A，並從所述訓練樣本集中找出頻率值為f2的樣本數據組成訓練樣本B ;之後，分別計算得出訓練樣本A和訓練樣本B的協方差矩陣Ra和Rb ；
[0016]步驟303、特徵分解:對協方差矩陣Ra和Rb分別進行特徵分解，得到Ra=Ua E a(Ua)H和Rb=Ub E b(Ub)H;其中，
【權利要求】
1.一種基於旋轉矩陣的並行交替採樣系統誤差估計方法，其特徵在於該方法包括以下步驟: 步驟一、初始參數輸設定:通過參數輸入單元(5)，輸入需進行誤差估計的並行交替採樣系統中所採用A/D轉換晶片(I)的數量M、M個所述A/D轉換晶片(I)的採樣頻率fs和所採樣寬帶信號s(t)的帶寬bps;所述參數輸入單元(5) (5)與數據處理器(6)相接； 步驟二、訓練樣本構建:先取一個時間段t內M個所述A/D轉換晶片(I)的採樣序列，每個所述A/D轉換晶片(I)的採樣序列中均包括n個採樣信號，其中n=t X fs ;再將M個所述A/D轉換晶片(I)的採樣序列作快速傅立葉變換至頻域後，相應獲得M個訓練樣本； M個訓練樣本分別為所述並行交替採樣系統的M個採樣通道的訓練樣本，且M個訓練樣本組成一個訓練樣本集； 步驟三、誤差估計:採用數據處理器(6)且利用步驟二中所構建的訓練樣本集，對所述並行交替採樣系統進行誤差估計，過程如下: 步驟301、誤差估計用雙頻率點選取:從[_fs/2，fs/2]中隨機選取兩個數值和f2作為誤差估計用的一對頻率點，其中> f2且Af=f\-f2 ； 步驟302、協方差矩陣估計:從所述訓練樣本集中找出頻率值為的樣本數據組成訓練樣本A，並從所述訓練樣本集中找出頻率值為f2的樣本數據組成訓練樣本B ;之後，分別計算得出訓練樣本A和訓練樣本B的協方差矩陣Ra和Rb ； 步驟303、特徵分解:對協方差矩陣Ra和Rb分別進行特徵分解，得到Ra=Ua E a(Ua)H和Rb=Ub E b (Ub)H;其中，且其為由M個特徵向量u〖,…，< 構成的矩陣；Eu丨且其表示以M個特徵值& A力對角線元素的對角矩陣，並且M個特徵值由大到小進行排列；U6且其為由M個特徵向量構成的矩陣；Zb =—莒{4且其表示以M個特徵值為對角線元素的對角矩陣，並且M個特徵值/由大到小進行排列；H表示矩陣共軛轉置運算； 步驟304、大特徵值及其對應的特徵向量提取:從步驟303中M個特徵值中，提取出前21+1個大特徵值<，--?，芯+,及其對應的21+1個特徵向量u(,? ? -,Ua2Ut，再利用公式g{<}對21+1個特徵向量(…,!!^分別進行變形，獲得21+1個向量其中j為正整數且j=l，-,21+1 ;同時，從步驟303中M個特徵值^中，提取出前21+1個大特徵值y 2t及其對應的21+1個特徵向量& 5.其中，7aI 5…，八2/+1U1,*",U2/+1，zxJs 步驟305、時基誤差估計:根據公式At =-Z(B)/2M/- T,得出所述並行交替採樣系統的時延誤差矢量人T ;式中Z表示取相位角，T = [0，I/Mfs,…
2/+1 21+1 21+1 (M-1)/MfJ1 ；,其中YA為步驟304中提取出的21+1個特
i=\徵向量U6...Ui的求和；
2.按照權利要求1所述的一種基於旋轉矩陣的並行交替採樣系統誤差估計方法，其特徵在於:步驟三中估計出所述並行交替採樣系統的時延誤差矢量At後，還需進行增益誤差估計，且其估計過程如下: 步驟401、時基誤差補償:利用步驟三中得出的所述並行交替採樣系統的時延誤差矢量At，對理想頻域導向矢量P' (f)進行補償，得出補償後的頻域導向矢量口^^，其中
3.按照權利要求1或2所述的一種基於旋轉矩陣的並行交替採樣系統誤差估計方法，其特徵在於:步驟305中時基誤差估計完成後，得出所述並行交替採樣系統的一個時延誤差矢量，之後還需進入步驟306 ； 步驟306、返回步驟301，重新從[_fs/2，fs/2]中隨機選取兩個數值作為誤差估計用的一對頻率點，並按照步驟302至步驟305中的方法，得出所述並行交替採樣系統的時延誤差矢量; 步驟307、一次或多次重複步驟306，得出一個或多個所述並行交替採樣系統的時延誤差矢量; 步驟308、將當前情況下所得出的多個時延誤差矢量取平均值，作為所述並行交替採樣系統的時延誤差矢量At。
4.按照權利要求2所述的一種基於旋轉矩陣的並行交替採樣系統誤差估計方法，其特徵在於:步驟401中進行時基誤差補償時，補償後的頻域導向矢量
5.按照權利要求1或2所述的一種基於旋轉矩陣的並行交替採樣系統誤差估計方法，其特徵在於:步驟二中n=100~1000。
6.按照權利要求1或2所述的一種基於旋轉矩陣的並行交替採樣系統誤差估計方法，其特徵在於:步驟二中取一個時間段t內M個所述A/D轉換晶片(I)的採樣序列時，採用滑窗法進行選取。
7.按照權利要求1或2所述的一種基於旋轉矩陣的並行交替採樣系統誤差估計方法，其特徵在於:步驟一中所述並行交替採樣系統包括多個A/D轉換晶片(I)、多個分別對多個所述A/D轉換晶片(I)的採樣時間進行控制的延時控制模塊(2)、多個分別對多個所述A/D轉換晶片(I)所採樣信號進行傅立葉變換處理的數據處理單元(3)、分別與多個所述數據處理單元(3)相接且將多個所述數據處理單元(3)處理後的信號以數據陣列形式輸出的多路復用器(4)和與多路復用器(4)相接的數據處理器(6)，多個所述延時控制模塊(2)分別與多個所述A/D轉換晶片(I)相接，多個所述A/D轉換晶片(I)分別與多個所述數據處理單元(3)相接，多個所述延時控制模塊(2)均由數據處理器(6)進行控制且其均與數據處理器(6)相接。
8.按照權利要求7所述的一種基於旋轉矩陣的並行交替採樣系統誤差估計方法，其特徵在於:所述並行交替採樣系統還包括多個分別與多個所述A/D轉換晶片(I)相接的增益控制模塊(7)，多個所述增益控制模塊(7)分別接在多個所述A/D轉換晶片(I)與多個所述數據處理單元(3)之間；所述增益控制模塊(7)為放大器或衰減器；多個所述增益控制模塊(7)均由數據處理器(6)進行控制且其均與數據處理器(6)相接。
9.按照權利要求7所述的一種基於旋轉矩陣的並行交替採樣系統誤差估計方法，其特徵在於:步驟三中估計出 所述並行交替採樣系統的時延誤差矢量At後，數據處理器(6)根據估計得出的時延誤差矢量At對多個所述延時控制模塊(2)分別進行控制。
10.按照權利要求8所述的一種基於旋轉矩陣的並行交替採樣系統誤差估計方法，其特徵在於:步驟四中估計出所述並行交替採樣系統的增益誤差矢量f後，數據處理器(6)根據估計得出的增益誤差矢量f對多個所述增益控制模塊(7 )分別進行控制。
【文檔編號】H03M1/54GK103780261SQ201410042693
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年1月28日 優先權日:2014年1月28日
【發明者】馬侖, 王元慶, 楊鵬, 馬銳捷 申請人:長安大學