CN103647554A - 一种测量时间交替adc采集***偏置与增益误差的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量时间交替ADC采集***偏置与增益误差的方法，将余弦信号输入到时间交替ADC采集***，在相同的时钟间隔上，时间交替ADC采集***在不同采样时钟相位下，通过多路的并行通道以相同的采样频率进行并行采样，再将采样输出的信号进行傅里叶变换得到频谱幅值数据，在时间偏移误差为零时分别计算出各个通道的增益和偏置误差。这样可以简单快速的确定各个通道的增益和偏置误差，并完成误差校准。

Description

一种测量时间交替ADC采集***偏置与增益误差的方法

技术领域

本发明属于信号采样技术领域，更为具体地讲，涉及一种测量时间交替ADC采集***偏置与增益误差的方法。

背景技术

多路并行ADC采集***在保证高采样精度的同时可以有效的提高***的等效采样率，然而在所有可能实现的并行ADC采集***中，基于时间交替的并行ADC采集***，即TIADC是最为简单的一种。理论上讲，TIADC采集***的最高可实现采样率只限制于：1，输入信号的带宽；2，***最大允许功耗；3，电路板或者集成电路的最大允许空间。

TIADC并行采集***具有M个并行通道，各个通道采用相同的ADC实现以相同的采样率f（周期为T，T＝1/f）对输入信号并行采样。不同的是送到各通道ADC采样时钟相位不同，相邻两个通道之间时钟上升沿的时间差均为Δt＝T/M，实现各通道之间的时间均匀采样，这样整个***等效以T/M的采样间隔进行采样，等效采样率为f_s＝Mf，即为单通道ADC采样率的M倍，分辨率与各通道ADC分辨率相同。但是，由于ADC工艺或电路板布局布线及制作等各方面的原因，多个通道之间的采样不可能做到完全均匀，即各个通道出现通道失配，TIADC采集***通道失配主要来自三种误差：增益、偏置及时间偏移误差。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种测量时间交替ADC采集***偏置与增益误差的方法，通过对各个通道的采样数据计算，能够简单快速确定各个通道的增益和偏置误差，并完成误差校准。

为实现上述发明目的，本发明一种测量时间交替ADC采集***偏置与增益误差的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）、将余弦信号x(t)输入到时间交替ADC（TIADC，Time-interleaved ADC）采集***，x(t)的幅度为A，频率为f_in，初始相位则φ_in，则x(t)可表示为x(t)＝Acos(2πf_int+φ_in)，其中，

L为FFT点数，L＝2^m，m为正整数，f_s为***等效采样率，P为正整数，并且与L互质，即L与P只有一个公约数为1，经过TIADC采集***处理后输出信号x_i(t)，i＝0,1,...,M-1，M为TIADC采集***的并行通道数，各个通道采用相同的ADC以相同采样率f对x(t)采样后输出，x_i(t)为第i通道的输出信号，当时间误差t_i=0时，第i通道采样输出受增益误差g_i与偏置误差o_i的影响为：

x′_i(t)=[(1+g_i)Ax(t)+o_i]×p_i(t)

=[(1+g_i)AAcos(2πf_int+φ_in)+o_i]×p_i(t)；      (a)

其中，

为每个通道的取样脉冲函数，周期T＝1/f，n表示采样次数，即第i个通道在采样时刻

时对x(t)进行采样，每隔T采样一次，采样一次n加1，通过对每个通道的输出进行DFT变换，可得到与通道增益和偏置误差相对应的频谱分量为：

$\begin{array}{c}E\left(f_{\mathrm{gi}}\right)=\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{g}_{k}A\cos (2\mathrm{\π}{f}_{\mathrm{in}}(n+\frac{i-1}{M})T+{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{in}})e^{-j(2\mathrm{\π}/M)i(k-1)}\\ i=\mathrm{0,1},...,M-1\end{array}---\left(b\right)$

$\begin{array}{c}E\left(f_{\mathrm{oi}}\right)=\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{o}_k{e}^{-j(2\mathrm{\π}/M)i(k-1)}\\ i=\mathrm{0,1},...,M-1\end{array}---\left(c\right)$

通过式（b）得到由增益误差引起的混叠频谱分量位于如下频点：

f_gi＝if±f_in i＝0,1,...,M-1；               （d）

通过式（c）得到由偏置误差引起的混叠频谱分量位于如下频点：

f_oi＝if i＝0,1,2,...,M-1；                 （e）

（2）、对输出信号x_out(t)进行L点的FFT变换，得到L点的频谱数据,根据式（d），从L点频谱数据中获取对应于i＝0,1,2,...,M-1的M个频谱幅值数据；根据式（e），从L点频谱数据中获取对应于i＝0,1,2,...,M-1的M个频谱幅值数据；

（3）、计算各个通道的增益误差和偏置误差；

根据式（d）分别计算出各个通道的增益误差：

$\left[\begin{array}{c}{g}_0\\ g_1\\ g_2\\ \·\\ \·\\ \·\\ g_{M-1}\end{array}\right]=\frac{1}{k_g}{W}^{-1}\left[\begin{array}{c}E\left(f_{g0}\right)\\ E\left(f_{g1}\right)\\ E\left(f_{g2}\right)\\ \·\\ \·\\ \·\\ E\left(f_{g,M-1}\right)\end{array}\right]---\left(f\right)$

其中，

A，φ_in分别为输入余弦信号的幅度及初相，T为单通道ADC的采样周期；

根据公式（e）分别计算出各个通道的偏置误差：

$\left[\begin{array}{c}{o}_0\\ o_1\\ o_2\\ \·\\ \·\\ \·\\ o_{M-1}\end{array}\right]=\frac{1}{k_o}{W}^{-1}\left[\begin{array}{c}E\left(f_{o0}\right)\\ E\left(f_{o1}\right)\\ E\left(f_{o2}\right)\\ \·\\ \·\\ \·\\ E\left(f_{o,M-1}\right)\end{array}\right]---\left(g\right)$

其中，k_o＝1/T；式（d）和（e）中的W为：

$W=\left[\begin{array}{ccccc}{\left(W_M^0\right)}^0& {\left(W_M^1\right)}^0& {\left(W_M^2\right)}^0& \·\·\·& {\left(W_M^{M-1}\right)}^0\\ {\left(W_M^0\right)}^1& {\left(W_M^1\right)}^1& {\left(W_M^2\right)}^1& \·\·\·& {\left(W_M^{M-1}\right)}^1\\ {\left(W_M^0\right)}^2& {\left(W_M^1\right)}^2& {\left(W_M^2\right)}^2& \·\·\·& {\left(W_M^{M-1}\right)}^2\\ \·& \·& \·& & \·\\ \·& \·& \·& \·\·\·& \·\\ \·& \·& \·& & \·\\ {\left(W_M^0\right)}^{M-1}& {\left(W_M^1\right)}^{M-1}& {\left(W_M^2\right)}^{M-1}& \·\·\·& {\left(W_M^{M-1}\right)}^{M-1}\end{array}\right].---\left(h\right)$

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明测量时间交替ADC采集***偏置与增益误差的方法，将余弦信号输入到时间交替ADC采集***，在相同的时钟间隔上，时间交替ADC采集***在不同采样时钟相位下，通过多路的并行通道以相同的采样频率进行并行采样，再将采样输出的信号进行傅里叶变换得到频谱幅值数据，在时间偏移误差为零时分别计算出各个通道的增益和偏置误差。这样可以简单快速的确定各个通道的增益和偏置误差，并完成误差校准。

同时，本发明测量时间交替ADC采集***偏置与增益误差的方法还具有以下有益效果：

（1）、本发明实现的增益与偏置误差测量方法虽然需要停止ADC采集***的正常操作，但是其实现非常简单，可以简单快速的确定各个通道的增益和偏置误差，并完成误差校准；

（2）、目前很多文献提出了基于盲估计的通道失配误差测量与校准，不需要停止ADC的正常采集，但是这种盲估计的方法实现起来十分复杂，需要消耗大量的硬件资源，本发明则具有实现简单和节约资源的特点。

附图说明

图1是本发明测量时间交替ADC采集***偏置与增益误差的方法的原理框图；

图2是图1所示通道误差示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图1是本发明测量时间交替ADC采集***偏置与增益误差的方法的原理框图。

在本实施例中，如图1所示，设输入的信号为x(t)＝Acos(2πf_int+φ_in)，其中，x(t)的幅度为A，频率为f_in，初始相位则φ_in，本发明测量时间交替ADC采集***偏置与增益误差的方法，包括以下步骤：

（1）、将信号为x(t)＝Acos(2πf_int+φ_in)输入到时间交替ADC采集***，其中，L为FFT点数，且L为2的正整数指数幂，即L＝2^m，m为正整数，f_s为***等效采样率，P为正整数，并且与L互质，即L与P只有一个公约数为1，经过TIADC采集***处理后输出信号x_i(t)，i＝0,1,...,M-1，M为TIADC采集***的并行通道数，各个通道采用相同的ADC以相同采样率f对x(t)采样后输出，x_i(t)为第i通道的输出信号，当时间误差t_i=0时，第i通道采样输出受增益误差与偏置误差的影响为：

x′_i(t)=[(1+g_i)Ax(t)+o_i]×p_i(t)

=[(1+g_i)AAcos(2πf_int+φ_in)+o_i]×p_i(t)；             (a)

其中，

为每个通道的取样脉冲函数，周期T＝1/f，n表示采样次数，即第i个通道在采样时刻

时对x(t)进行采样，每隔T采样一次，采样一次n加1，通过对每个通道的输出进行DFT变换，可得到与通道增益和偏置误差相对应的频谱分量为：

$\begin{array}{c}E\left(f_{\mathrm{gi}}\right)=\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{g}_{k}A\cos (2\mathrm{\π}{f}_{\mathrm{in}}(n+\frac{i-1}{M})T+{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{in}})e^{-j(2\mathrm{\π}/M)i(k-1)}\\ i=\mathrm{0,1},...,M-1\end{array}---\left(b\right)$

$\begin{array}{c}E\left(f_{\mathrm{oi}}\right)=\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{o}_k{e}^{-j(2\mathrm{\π}/M)i(k-1)}\\ i=\mathrm{0,1},...,M-1\end{array}---\left(c\right)$

通过式（b）得到由增益误差引起的混叠频谱分量位于如下频点：

f_gi＝if±f_in i＝0,1,...,M-1；               （d）

通过式（c）得到由偏置误差引起的混叠频谱分量位于如下频点：

f_oi＝if i＝0,1,2,...,M-1；                  （e）

（2）、对输出信号x_out(t)进行L点的FFT变换，得到L点的频谱数据,根据式（d），从L点频谱数据中获取对应于i＝0,1,2,...,M-1的M个频谱幅值数据；根据式（e），从L点频谱数据中获取对应于i＝0,1,2,...,M-1的M个频谱幅值数据；

（3）、计算各个通道的增益误差和偏置误差；

根据式（d）分别计算出各个通道的增益误差：

$\left[\begin{array}{c}{g}_0\\ g_1\\ g_2\\ \·\\ \·\\ \·\\ g_{M-1}\end{array}\right]=\frac{1}{k_g}{W}^{-1}\left[\begin{array}{c}E\left(f_{g0}\right)\\ E\left(f_{g1}\right)\\ E\left(f_{g2}\right)\\ \·\\ \·\\ \·\\ E\left(f_{g,M-1}\right)\end{array}\right]---\left(f\right)$

其中，

A，φ_in分别为输入余弦信号的幅度及初相，T为单通道ADC的采样周期；

根据公式（e）分别计算出各个通道的偏置误差：

$\left[\begin{array}{c}{o}_0\\ o_1\\ o_2\\ \·\\ \·\\ \·\\ o_{M-1}\end{array}\right]=\frac{1}{k_o}{W}^{-1}\left[\begin{array}{c}E\left(f_{o0}\right)\\ E\left(f_{o1}\right)\\ E\left(f_{o2}\right)\\ \·\\ \·\\ \·\\ E\left(f_{o,M-1}\right)\end{array}\right]---\left(g\right)$

其中，k_o＝1/T；式（d）和（e）中的W为：

$W=\left[\begin{array}{ccccc}{\left(W_M^0\right)}^0& {\left(W_M^1\right)}^0& {\left(W_M^2\right)}^0& \·\·\·& {\left(W_M^{M-1}\right)}^0\\ {\left(W_M^0\right)}^1& {\left(W_M^1\right)}^1& {\left(W_M^2\right)}^1& \·\·\·& {\left(W_M^{M-1}\right)}^1\\ {\left(W_M^0\right)}^2& {\left(W_M^1\right)}^2& {\left(W_M^2\right)}^2& \·\·\·& {\left(W_M^{M-1}\right)}^2\\ \·& \·& \·& & \·\\ \·& \·& \·& \·\·\·& \·\\ \·& \·& \·& & \·\\ {\left(W_M^0\right)}^{M-1}& {\left(W_M^1\right)}^{M-1}& {\left(W_M^2\right)}^{M-1}& \·\·\·& {\left(W_M^{M-1}\right)}^{M-1}\end{array}\right].---\left(h\right)$

图2是图1所示通道误差示意图。

如图2所示，由于ADC工艺或电路板布局布线及制作等各方面的原因，多个通道之间的采样不可能做到完全均匀，即各个通道出现通道失配，TIADC采集***通道失配主要来自三种误差：增益、偏置及时间偏移误差，图2中表示的为单通道中三种误差的示意图。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (1)

1.一种测量时间交替ADC采集***偏置与增益误差的方法，其特征在于，包括以下步骤： 

（1）、将余弦信号x(t)输入到时间交替ADC（TIADC，Time-interleaved ADC）采集***，x(t)的幅度为A，频率为f_in，初始相位则φ_in，则x(t)可表示为x(t)＝Acos(2πf_int+φ_in)，其中，

L为FFT点数，L＝2^m，m为正整数，f_s为***等效采样率，P为正整数并且与L互质，即L与P只有一个公约数为1，经过TIADC采集***处理后输出信号x_i(t)，i＝0,1,...,M-1，M为TIADC采集***的并行通道数，各个通道采用相同的ADC以相同采样率f对x(t)采样后输出，x_i(t)为第i通道的输出信号，当时间误差t_i=0时，第i通道采样输出受增益误差g_i与偏置误差o_i的影响为： 

x′_i(t)=[(1+g_i)Ax(t)+o_i]×p_i(t) 

=[(1+g_i)AAcos(2πf_int+φ_in)+o_i]×p_i(t)；             (a)A

其中，

为每个通道的取样脉冲函数，周期T＝1/f，n表示采样采样次数，即第i个通道在采样时刻

时对x(t)进行采样，每隔T采样一次，采样一次n加1，通过对每个通道的输出进行DFT变换，可得到与通道增益和偏置误差相对应的频谱分量为： 

通过式（b）得到由增益误差引起的混叠频谱分量位于如下频点： 

f_gi＝if±f_in i＝0,1,...,M-1；              （d） 

通过式（c）得到由偏置误差引起的混叠频谱分量位于如下频点： 

f_oi＝if i＝0,1,2,...,M-1；                （e） 

（2）、对输出信号x_out(t)进行L点的FFT变换，得到L点的频谱数据,根据式（d），从L点频谱数据中获取对应于i＝0,1,2,...,M-1的M个频谱幅值数据；根据式（e），从L点频谱数据中获取对应于i＝0,1,2,...,M-1的M个频谱幅值数据； 

（3）、计算各个通道的增益误差和偏置误差； 

根据式（d）分别计算出各个通道的增益误差： 

其中，

A，φ_in分别为输入余弦信号的幅度及初相，T为单通道ADC的采样周期； 

根据公式（e）分别计算出各个通道的偏置误差： 

其中，k_o＝1/T；式（d）和（e）中的W为： 

。

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