一種時間交替採集系統的實時信號重構方法
2023-10-11 08:42:24 1
專利名稱：一種時間交替採集系統的實時信號重構方法
技術領域：
本發明涉及一種信號重構方法，具體來講，涉及一種時間交替採集系統的實時信號重構方法。
背景技術：
隨著電子信息技術的不斷發展，對實時採樣速率極強的依賴性已經成為現代時域測量儀器的瓶頸問題。而模數轉換技術(ADC)的研究因受到材料、晶片工藝等因素的制約，限制了其技術指標的快速提升。
在現有條件下，採用並行時間交替採樣結構仍是迅速提高系統實時採樣率的唯一途徑。並行時間交替採集系統採用M片ADC以相同的採樣率對輸入模擬信號進行並行逐次交替採樣，後端按一定規律重組各ADC的採樣值，使系統整體採樣率達到單片ADC採樣率的M倍。
然而，並行時間交替採樣引入了新的問題由於M個通道之間的採樣時鐘延遲誤差的不一致性，造成實際採樣是非均勻的，相對於對被採樣信號進行不需要的相位調製，嚴重降低系統的無雜散動態範圍和實際信噪比。
信號重構，就是利用有限個採樣所得到的數據值按照一定的法則進行運算，以確定原始未知信號在所需的各個理想時間點上的值，實現對時基非均勻信號的重構，從而保障時間交替採集系統的性能。
時基誤差相對於時間交替採集系統的採樣周期Ts是一個十分微小的時間量。傳統的信號重構方法需要在時間交替採集系統裡產生M個微小的時間量用於修正採樣時鐘，不僅導致系統為校正時基誤差而增加的電路過於複雜，計算量大，設計繁瑣，對系統性能有很大的影響。同時，由於實際應用中，時基誤差會隨著環境溫度以及ADC器件的老化而發生變化，傳統方法需要重新設計以實現信號重構，效率低，難以滿足高速採集系統的實時性要求。
發明內容
本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供一種。
為實現上述目的，本發明時間交替採集系統的實時信號重構方法，包括以下步驟 (1)、時間交替採集系統對輸入信號x(t)進行採樣，設通道0為參考通道，將通道0輸出的採集數據y[Mn]減去該通道輸出延遲M個採樣時鐘周期的採集數據y[M(n-1)]，得到通道0相鄰時刻的採樣數據差e0，0[n] e0，0[n]＝y[Mn]-y[M(n-1)] 然後，將採樣數據差e0，0[n]乘以1/M，得到理想採樣信號x(nTs)的一階導函數x′(nTs)與採樣時鐘周期Ts的乘積Tsx′(nTs) 式中，M為時間交替採集系統的通道數，Ts為時間交替採集系統的採樣時鐘周期，n為採樣點； (2)、將通道m輸出的採集數據y[Mn+m]減去通道0輸出的採集數據y[Mn]，得到通道間偏差信號em，0[n] em，0[n]＝y[Mn+m]-y[Mn] 式中，m＝1～(M-1)； (3)、根據步驟(1)獲得的理想採樣信號x(nTs)的一階導函數x′(nTs)與採樣時鐘周期Ts的乘積Tsx′(nTs)以及步驟(2)獲得的通道間偏差信號em，0[n]，得到以下誤差函數
式中，
為採樣間隔非均勻度估計； 對採樣間隔非均勻度估計
進行最小均方迭代，迭代次數為k，使誤差函數
的均方誤差最小，得到k次迭代後的採樣間隔非均勻度估計
(4)、根據步驟(3)得到的k次迭代後的採樣間隔非均勻度估計
以及步驟(1)得到的理想採樣信號x(nTs)的一階導函數x′(nTs)，得到誤差分量em[n] 各通道的誤差分量em[n]構成時間交替採集系統非均勻性誤差分量e[n]； (5)、將時間交替採集系統的採集輸出y[n]減去步驟(4)獲得的非均勻性誤差分量e[n]，得到重構的理想採樣信號x(nTs) x(nTs)＝y[n]-e[n]。
本發明的發明目的是這樣實現的 自適應控制是一種在工作過程中不斷檢測系統參數或運行指標，根據參數的變化或運行指標的變化，改變控制參數或控制作用，使系統運行於最優或接近於最優工作狀態的反饋控制。在本發明中，將自適應控制方法用於非均勻信號重構，通過將誤差的綜合影響作為反饋量，控制重構過程，不僅可以實現誤差估計與信號重構的有機結合，降低一次性獲取誤差的複雜度，而且可以自動跟蹤誤差的變化。
為獲得時基誤差引入的影響，將時間交替採集系統的採集數據y[n]在n時刻處做Taylor展開 y[n]＝x(nTs+rnTs)≈x(nTs)+(rnTs)x′(nTs)+o(rnTs)(1) 其中，x(·)為輸入信號；Ts為系統採樣時鐘周期；rn為採樣間隔非均勻度；x′(·)為信號的一階導數；o(·)為信號Taylor展式的高階導數餘項，可以忽略不計。由式(1)可以得到理想採樣信號x(nTs)以及非均勻誤差分量e[n] x(nTs)＝y[n]-e[n](2) e[n]≈rnTsx′(nTs) (3) 從式(2)可以看出，由於時基偏差的存在，相當於在理想信號上疊加了非均勻誤差分量e[n]，其大小取決於採樣間隔非均勻度rn、採樣時鐘Ts以及輸入信號的一階導函數x′(nTs)。
在本發明中，實時信號重構就是，利用各通道採樣數據的統計特性，構造誤差函數，利用最小均方迭代，得到各通道k次迭代後的採樣間隔非均勻度估計
從而計算出非均勻誤差分量e[n]，然後，時間交替採集系統的採集數據y[n]中減去非均勻誤差分量e[n]，便獲取理想採樣信號x(nTs)。在本發明中，將各通道k次迭代後的採樣間隔非均勻度估計
作為整個時間交替採集系統的採樣間隔非均勻度rn，從而依據式(2)、(3)進行實時信號重構獲取理想採樣信號x(nTs)。
本發明通過最小均方迭代，得到各通道k次迭代後的採樣間隔非均勻度估計
自適應地獲取時間交替採集系統的採樣間隔非均勻度rn，進而得到系統時基非均勻所引入的誤差分量e[n]，然後進行實時信號重構，克服目前並行採樣誤差校正方法計算量大、實時性不高、無法跟蹤誤差參數變化的劣勢，以滿足工程應用的實時性要求。
本發明為一種基於時域分析的更為適合工程應用的信號重構方法，大大減小了數學運算量，同時也能夠取得很好的效果，在高速時間交替採樣系統設計的工程應用上非常實用，具有很好的推廣性。
圖1是本發明時間交替採集系統的實時信號重構方法的原理框圖； 圖2是一併行交替採集系統校正前重構波形的時域分析圖； 圖3是圖2所示校正前重構波形的頻譜分析圖； 圖4是失配誤差估計過程對比圖。
具體實施例方式 下面結合附圖對本發明的具體實施方式
進行描述，以便更好地理解本發明。需要特別提醒注意的是，在以下的描述中，當採用已知功能和設計的詳細描述也許會淡化本發明的主要內容時，這些描述在這裡將被忽略。
實施例 圖1是採用本發明實時信號重構方法的時間交替採集系統的一種具體實施方式
原理框圖 如圖1所示，時間交替採集系統包括M片ADC，即ADC0、......、ADCM-1，各ADC輸入端都連接在一起，均接入同樣的模擬信號，即系統的輸入信號x(t)。
時間交替採集系統對輸入信號x(t)進行採樣，輸出採集數據y[Mn]、......、y[Mn+m]，這些採樣數據在多路復用器，即MUX中按採樣時序組合成時間交替採集系統的採集輸出y[n]。
1)、設通道0，在本實施例中，即ADC0為參考通道，將ADC0輸出的採集數據y[Mn]減去該通道輸出延遲M個採樣時鐘周期的採集數據y[M(n-1)]，即上一時刻ADC0輸出的採集數據，得到ADC0相鄰時刻的採樣數據差e0，0[n] e0，0[n]＝y[Mn]-y[M(n-1)] 在本實施例中，上述過程中，ADC0輸出的採集數據採用延遲電路進行延遲，即z-1，然後，取負值，得到-y[M(n-1)]，送到一加法器中與ADC0輸出的採集數據y[Mn]進行相加，即得ADC0相鄰時刻的採樣數據差e0，0[n]。
然後，再將採樣數據差e0，0[n]送入乘法器中乘以1/M，得到理想採樣信號x(nTs)的一階導函數x′(nTs)與採樣時鐘周期Ts的乘積Tsx′(nTs) 式中，M為時間交替採集系統的通道數，Ts為時間交替採集系統的採樣時鐘周期，n為採樣點。
2)、通道0，即ADC0輸出的採集數據y[Mn]，取負值後送到一加法器中與ADCm輸出的採集數據y[Mn+m]進行相加，得到通道間偏差信號em，0[n] em，0[n]＝y[Mn+m]-y[Mn] 式中，m＝1～(M-1)； 3)、將理想採樣信號x(nTs)的一階導函數x′(nTs)與採樣時鐘周期Ts的乘積Tsx′(nTs)送入另一乘法器中與採樣間隔非均勻度估計
相乘，然後再輸出到一加法器中與乘積Tsx′(nTs)相加；相加的結果
取負值後，送入最小均方迭代模塊中，即LMS中與通道間偏差信號em，0[n]相加後，對採樣間隔非均勻度估計
進行最小均方迭代，迭代次數為k，使誤差函數
的均方誤差最小，得到k次迭代後的採樣間隔非均勻度估計
4)、同時，在步驟3)中乘法器相乘的結果，即為誤差分量em[n] 各通道的誤差分量em[n]構成時間交替採集系統非均勻性誤差分量e[n]； 5)、將非均勻性誤差分量e[n]取負值，然後送入一加法器中與時間交替採集系統的輸出y[n]相加，得到重構的理想採樣信號x(nTs) x(nTs)＝y[n]-e[n]。
對於自適應方法來說，雖然系統初始參數未知，但通過上述方法不斷調整，系統初始參數不確定對系統運行性能的影響將逐步減小，經過一段時候後，系統最終將自動地調整到與期望的相一致。這樣不需要特殊的校準信號，只需未知的被測信號即可估算出時基偏差用於重構，計算量小，適於工程應用。
實例 在本實施例中，針對8-bit ADC模型構建雙通道並行交替採樣系統，實現500MSPS數據採集，信號重構前後分別輸入20MHz正弦波信號，對採集數據進行頻譜分析結果如圖2和圖3所示。
圖2為時間交替採集系統未進行重構輸出的採樣數據的頻譜分析圖。
如圖2所示，由於布線和時鐘延遲等方面的問題造成了時間交替採集的採樣數據有著較大的時間失配誤差。
圖3為時間交替採集系統進行重構輸出的採樣數據的頻譜分析圖 經過對時間交替採集系統輸出的採樣數據的重構後，得到的重構的理想採樣信號x(nTs)很大程度上去除了時基偏差分量，如圖3所示，可以清楚地看到重構的理想採樣信號x(nTs)誤差成分的頻譜分量極大減小，頻域圖變得非常「乾淨」。
圖4是失配誤差估計過程對比圖 如圖4所示，經過自適應迭代得到只需在採集約250個採樣點，進行250次迭代，即約0.5μs後，迭代運算就可實現對時間非均勻的估計，速度快；同時，每次迭代運算中只需2次乘法運算，計算量小，重構過程中無需特別設計重構濾波器，降低了系統設計難度以及資源消耗。
本發明對系統誤差分量的分析，實現了一種基於自適應控制，能在誤差準確估計同時實現信號重構的算法，有助於系統性能的提高；其系統硬體設計難度低，運算量小，提高了算法實現效率；在無需增加額外的校準信號的情況下，可以自動跟蹤因老化或環境因素導致的誤差參數變化。實驗證明，該發明彌補了傳統信號重構方法實時性不高的缺陷，降低了系統的設計難度，保證了系統的採集精度。同時，該發明降低了硬體設計難度和成本，具有很好的市場推廣價值。
儘管上面對本發明說明性的具體實施方式
進行了描述，以便於本技術領的技術人員理解本發明，但應該清楚，本發明不限於具體實施方式
的範圍，對本技術領域的普通技術人員來講，只要各種變化在所附的權利要求限定和確定的本發明的精神和範圍內，這些變化是顯而易見的，一切利用本發明構思的發明創造均在保護之列。
權利要求
1.一種時間交替採集系統的實時信號重構方法，包括以下步驟
(1)、時間交替採集系統對輸入信號x(t)進行採樣，設通道0為參考通道，將通道0輸出的採集數據y[Mn]減去該通道輸出延遲M個採樣時鐘周期的採集數據y[M(n-1)]，得到通道0相鄰時刻的採樣數據差e0，0[n]
e0，0[n]＝y[Mn]-y[M(n-1)]
然後，將採樣數據差e0，0[n]乘以1/M，得到理想採樣信號x(nTs)的一階導函數x′(nTs)與採樣時鐘周期Ts的乘積Tsx′(nTs)
式中，M為時間交替採集系統的通道數，Ts為時間交替採集系統的採樣時鐘周期，n為採樣點；
(2)、將通道m輸出的採集數據y[Mn+m]減去通道0輸出的採集數據y[Mn]，得到通道間偏差信號em，0[n]
em，0[n]＝y[Mn+m]-y[Mn]
式中，m＝1～(M-1)；
(3)、根據步驟(1)獲得的理想採樣信號x(nTs)的一階導函數x′(nTs)與採樣時鐘周期Ts的乘積Tsx′(nTs)以及步驟(2)獲得的通道間偏差信號em，0[n]，得到以下誤差函數
式中，
為採樣間隔非均勻度估計；
對採樣間隔非均勻度估計
進行最小均方迭代，迭代次數為k，使誤差函數
的均方誤差最小，得到k次迭代後的採樣間隔非均勻度估計
(4)、根據步驟(3)得到的k次迭代後的採樣間隔非均勻度估計
以及步驟(1)得到的理想採樣信號x(nTs)的一階導函數x′(nTs)，得到誤差分量em[n]
各通道的誤差分量em[n]構成時間交替採集系統非均勻性誤差分量e[n]；
(5)、將時間交替採集系統的採集輸出y[n]減去步驟(4)獲得的非均勻性誤差分量e[n]，得到重構的理想採樣信號x(nTs)
x(nTs)＝y[n]-e[n]。
2.根據權利要求1所述的實時信號重構方法，其特徵在於，所述的迭代次數k為250次。
全文摘要
本發明公開了一種時間交替採集系統的實時信號重構方法，通過最小均方迭代，得到各通道k次迭代後的採樣間隔非均勻度估計自適應地獲取時間交替採集系統的採樣間隔非均勻度rn，進而得到系統時基非均勻所引入的誤差分量e[n]，然後進行實時信號重構，克服目前並行採樣誤差校正方法計算量大、實時性不高、無法跟蹤誤差參數變化的劣勢，以滿足工程應用的實時性要求。本發明為一種基於時域分析的更為適合工程應用的信號重構方法，大大減小了數學運算量，同時也能夠取得很好的效果，在高速時間交替採樣系統設計的工程應用上非常實用，具有很好的推廣性。
文檔編號H03M1/50GK101820286SQ200910216429
公開日2010年9月1日 申請日期2009年12月1日 優先權日2009年12月1日
發明者潘卉青, 田書林, 葉芃, 曾浩, 王厚軍 申請人:電子科技大學