CN103812506A - 一种基于信号频域稀疏性的tiadc时间失配参数盲测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于信号频域稀疏性的TIADC时间失配参数盲测量方法。所述方法通过采用TIADC***的非均匀采样输出值，输入信号的频域稀疏特性和TIADC***的多通道并行架构特点，采用全相位谱分析技术、奈奎斯特采样定理和欠采样定理，实现TIADC***的时间失配参数的估计。该方法通过全相位快速傅里叶变换获取TIADC***及各个子通道输出数据的频谱，通过计算输入信号非混叠频率点以及其在子通道欠采样输出数据频谱中对应的频率点的相位信息来确定各通道间时间失配参数。本发明所述方法计算复杂度为O(NlogN)，估计精度高，对量化噪声不敏感，对输入信号频率无限制，对TIADC***的通道数无限制，能够在线工作，非常适用于TIADC***在现代通讯，雷达，高精密数字仪器中的应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于信号频域稀疏性的TIADC(Time-Interleaved Analog-to-digital Converter，时间交替模拟数字转换器)时间失配参数盲测量算法，属于高速高精度模拟数字转换技术领域。
背景技术
高速高精度模数转换器是雷达、医疗仪器、通信***等现代电子***的重要部件，而传统的ADC(如流水线结构ADC)由于器件工艺的限制很难同时实现高精度和高速度。一种新的解决方案是使用时间交替并行ADC(TIADC)架构。这种TIADC***架构由M个独立的并行子通道(子ADC)构成，每一个子通道以fs/M的采样频率对相同的模拟输入信号进行分时交替采样，然后M个子通道的输出重组成一组数字输出信号输出。因此，TIADC***的采样频率可以达到fs。理想情况下，M个子通道为线性电路并且具有相同的电路特性。例如，所有子通道具有相同的直流偏置，相同的增益，相同的采样周期(M/fs)等。但由于实际制造工艺的限制，使得各个子通道之间不可避免地产生以下几种失配：通道直流偏置失配(Offsetmismatch)、通道增益失配(Gain mismatch)和通道间时间相位失配(Timing mismatch)。这些通道失配使得TIADC***的动态无伪谱范围(SFDR)大大降低，严重影响TIADC***的性能。其中，通道增益失配和通道直流偏置失配较易处理，只需在各个子通道输出信号通路上增加一个加法器和一个乘法器来进行补偿。而通道间时间相位失配的补偿则是一个技术难题。
技术上，通常是通过在TIADC***输出端采用数字补偿技术来提高SFDR[2，4-5]。技术跟踪研究表明，目前国际学术界主流的TIADC***通道间时间相位失配数字补偿算法皆要求对TIADC***的通道间时间相位失配参数进行准确测量，通道时间相位失配参数的测量偏差将直接导致补偿算法性能的下降。
文献跟踪研究表明，迄今TIADC***的通道间时间相位失配参数的测量主要有两种方法：基于已知TIADC***输入信号的拟合算法和未知TIADC***输入信号的盲测量算法。前者需要信号发生器产生特定的稳定输入信号(如正弦信号)且为离线参数测量技术，不能跟踪和实时测量TIADC***的通道间时间相位失配参数。而通道间时间相位失配参数的盲测量算法则旨在实时准确地测量TIADC***通道间时间相位失配参数，为在线测量技术，即不影响TIADC***的正常运行。这类算法目前成为国内外研究热点，但存在以下局限性：(1)计算复杂度高(Elbornsson J，GustafssonF，and Eklund J E.Blind equalization of timeerrors in a time-interleaved ADC System[j].IEEE Transaction on Signal Processing，2005，SP-53(4)：1413-1424.)；(2)仅适合于特定通道数的TIADC***(Fan Jianjun，Li Qiang，Li Guangjun.Blind adaptivecalibration of timing error for two-channel time-interleaved ADCs[c].53rd IEEE International MidwestSymposium on Circuits and Systems，Seattle，WA，USA，Aug1-4，2010，233-236.)；(3)需要对模拟输入信号进行过采样(Vogel C.A frequency domain method for blind identification of timing mismatches in time-interleavedADCs[c].24th IEEE Norchip Conference，Linkoping，Nov.2006，45-48，296.)；(4)需要模拟输入信号的能量集中在低频分量(ZOU Y X，LI Bo，and CHEN Xiao.An efficient blind timing skews estimation fortime-interleaved Analog-to-Digital Converters[c].17th international conference on Digital Signal Processing，Corfu，Greece，July6-8，2011，1-4)。因此，研究一种新的适用范围广、计算复杂度低，对模拟输入信号限制少的TIADC***的通道间时间相位失配参数的盲测量算法具有重要现实意义。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于信号频域稀疏性的TIADC***的通道间时间相位失配参数的盲测量方法，该测量方法具有高速、高精度、计算复杂度低的特点，对量化噪声不敏感，对输入信号频率无限制，对TIADC***的通道数无限制，不需要对输入信号进行过采样等突出优点，能对TIADC***的通道间时间相位失配参数进行在线盲测量。
一种基于信号频域稀疏性的时间交替模拟数字转换器***的通道间时间相位失配参数的盲测量方法其思想是，采用时间交替模拟数字转换器***，即TIADC***，的实际非均匀采样输出值，利用TIADC***的输入信号的频域稀疏特性和TIADC***的多通道并行架构特点，采用全相位谱分析技术、奈奎斯特采样定理和欠采样定理的数学方法，实现TIADC***的通道间时间相位失配参数值的估计。具体原理表述如下：对于M个通道的TIADC***，第m通道的实际采样输出数据的频谱为Ym(ejω)，选取第0通道为参考通道，第m通道的通道间时间相位失配参数Δtm由下式计算：
其中，Ts为TIADC***采样周期，ωp为输入信号频域非混叠频率点，
为ωp在第m通道欠采样输出信号频谱Ym(ejω)中的对应频率点。利用TIADC***的多通道并行架构和子通道处于欠采样状态的特性，根据采样定理和欠采样定理可以得到子通道欠采样后输出频谱和输入信号频谱的数学关系如下：
其中，Xa为模拟输入信号频谱，M为TIADC***通道数，Ts为TIADC***采样周期。由于模拟输入信号具有频域稀疏性，子通道欠采样输出信号频谱中总是存与输入信号频域非混叠频率点对应的
根据公式(2)，子通道输出信号在频率点
处的频谱可表示为：
TIADC***通道间时间相位失配一般很小，其输入信号的频谱可由TIADC***输出信号进行估计，因此公式(3)中仅有未知量Δtm，通过数学变换即可求得公式(1)。综上，本算法实现了对TIADC***通道间时间相位失配参数的盲估计。
一种基于信号频域稀疏性的时间交替模拟数字转换***通道间时间相位失配参数的盲测量方法，其步骤是：
(a)对TIADC***输出数据进行2*N-1点的全相FFT变换，并根据以下公式进行预处理
其中εx为阈值参数，可设定为0.06。
(b)分别对M个子通道输出数据进行2N/M-1点全相FFT变换。
(c)根据算法1(具体见下面算法1描述)确定输入信号的非混叠频率点ωp以及其在子通道欠采样输出信号频谱的对应频率点
(d)根据步骤(b)，分别求得子通道采样输出数据中频率分量
的值，其中，m＝0，1，...，M。
(e)根据公式(1)计算TIADC***各个通道时间相位失配参数Δtm。
其中算法1步骤如下：
(a)根据公式(3)，计算第0子通道输出数据频谱。根据公式(5)，计算出与非混叠频率点对应的频率点集，记为集合
其中，L1为小于N的任意正整数。
(b)对集合A中的频率点
根据公式(6)计算其对应的幅度值Nx(k，i)。
其中，Y’由公式(4)计算。如果Nx(k，i)中有且仅有一个非0值，则非0值Nx(k，i)记为Ai，且记下对应的频率点为ωi。对集合A中每一个频率点重复以上步骤，选出符合条件的频率点记作
构成集合B。
(c)求取集合B中最大的Ai值，记作
其中，ωp和分别是最后确定的非混叠频率点以及其在子通道输出频谱中对应的频率点。
此外，本发明方法中步骤(a)和(b)的计算复杂度分别为O(NlogN)和O((N/M)log(N/M))，步骤(c)和(d)则涉及比较和取值操作，计算复杂度小于O(N)，步骤(e)对TIADC***各个子通道只需计算一次，因此，本发明方法的计算复杂度为O(NlogN)。
本发明的有益效果在于：本发明所述的方法能对TIADC***的通道间时间相位失配参数进行在线盲测量，仅要求输入信号具有频域稀疏性，对TIADC***通道数没有限制，对输入信号频率范围没有限制，适用于高频输入信号，对量化噪声不敏感。采用实际实现的TIADC***采样输出数据(该TIADC***参数为：4通道12bit320MHz采样率，48.65MHz正弦信号)，对本发明提出的TIADC***通道间的时间相位失配误差参数盲测量方法进行验证。根据本发明方法测量到的TIADC***通道间时间相位失配参数并采用多率滤波器组时间相位失配数字补偿算法(PrendergastRS，LevyB C，HurstP J。Reconstruction ofband-limited periodic nonuniformly sampled signals through multirate filter banks[j]。IEEE Transaction onCircuits and Systems I，2004，51(8)：1612-1622。)进行补偿，结果表明，该TIADC***的SFDR(动态无伪谱范围)由补偿前的-30.43dB提升到补偿后的-77.52dB，验证了本发明方法的有效性。
附图说明
图1为时间交替模拟数字转换器(TIADC)***的结构示意图。
图2(a)为具有频域稀疏性的输入信号频谱Y(ejω)，频率范围为(-π～π)。图2(b)为子通道欠采样输出频谱
频率范围为(-π～π)。
图3为本发明所述方法的结构框图。
图4(a)为TIADC***的原始输出信号频谱，图4(b)为TIADC***子通道原始输出信号频谱，图4(c)为TIADC***的通道间时间相位失配误差数字补偿输出频谱。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
实施案例1：以对四通道(M＝4)采样周期为320MHz的TIADC***进行通道间时间相位失配参数的盲测量和失配补偿为例(实验中输入信号为48.65MHz正弦信号，TIADC***的输出数据长度为16384)。
(a)对TIADC***的输出数据进行16383点的全相FFT变换，频谱如图4(a)所示，并根据公式(3)进行预处理，εx设置为0.06；
(b)分别对4个子通道输出数据进行4095点全相FFT变换；
(c)根据算法1计算输入信号的非混叠频率点为ωp＝0.304π(320MHz采样率，见图4(a))以及子通道欠采样输出频谱中ωp对应的频率点
采样率，图4(b)中所示为
的镜像频率点0.784π)；
(d)根据步骤(b)，分别求得4个子通道的输出数据的频率分量
(m＝0，1，2，3)的值；
(e)根据公式(1)分别计算TIADC***通道间时间相位失配参数Δtm(m＝0，1，2，3)。根据该本发明提出的测量算法所测得的通道间时间相位失配参数，对TIADC***输出数据进行失配数字补偿，补偿后频谱如图4(b)所示。可见，该TIADC***的SFDR(动态无伪谱范围)提升了约47.1dB。
Claims (9)
1.一种基于信号频域稀疏性的TIADC时间失配参数盲测量方法，其特征在于采用时间交替模拟数字转换***，即TIADC***，的实际非均匀采样输出数据，利用TIADC***的输入信号的频域稀疏特性和TIADC***的多通道并行架构特点，采用全相位谱分析技术、奈奎斯特采样定理和欠采样定理的数学方法，实现TIADC***的通道间时间相位失配参数值的盲估计，具体原理表述如下：对于具有M个子通道的TIADC***，第m子通道实际输出数据的频谱为Ym(ejω)，第m通道相对于第0通道的通道间时间相位失配参数Δtm由下式计算：
其中，Ts为TIADC***采样周期，ωp为输入信号频域非混叠频率点，
为ωp在第m子通道欠采样输出信号频谱Ym(ejω)中的对应频率点，利用TIADC***的多通道并行架构和子通道处于欠采样状态的特性，根据采样定理和欠采样定理可以得到第m子通道输出频谱和输入信号频谱的数学关系如下：
其中，Xa为模拟输入信号频谱，M为TIADC***通道数，Ts为TIADC***采样周期。由于模拟输入信号具有频域稀疏性，子通道输出信号频谱中总是存与输入信号频率非混叠频率点对应的根据公式(2)，子通道输出信号在频率点
处的频谱可表示为：
TIADC***通道间时间相位失配一般很小，其输入信号的频谱可由TIADC***输出信号进行估计，因此公式(3)中仅有未知量Δtm，通过数学变换即可求得公式(1)。综上，本算法实现了对TIADC***通道间时间相位失配参数的盲估计。
2.根据权利要求1所述的一种基于信号频域稀疏性的TIADC***通道间时间相位失配盲测量方法，其特征在于，其步骤是：
(a)对TIADC***输出数据进行2*N-1点的全相FFT变换，并根据以下公式进行预处理
其中εx为阈值参数，可设定为0.06；
(b)分别对M个子通道输出数据进行2N/M-1点全相FFT变换；
(c)根据算法1(具体见下面算法1描述)确定输入信号的非混叠频率点ωp以及其在子通道欠采样输出信号频谱的对应频率点
(d)根据步骤(b)，分别求得M个子通道输出数据中频率分量
的值；
(e)根据公式(1)计算TIADC***通道间时间相位失配参数Δtm；其中算法1步骤如下：
(a)根据公式(3)，计算第0子通道输出数据频谱。根据公式(5)，计算出与非混叠频率点对应的频率点集，记为集合
其中，L1为小于N的任意正整数。
(b)对集合A中的频率点
根据公式(6)计算其对应的幅度值Nx(k，i)。
其中，Y’由公式(4)计算。如果Nx(k，i)中有且仅有一个非0值，则非0值Nx(k，i)记为Ai，且记下对应的频率点为ωi。对集合A中每一个频率点重复以上步骤，选出符合条件的频率点记作
构成集合B。
(c)求取集合B中最大的Ai值，记作
其中，ωp和
分别是最后确定的非混叠频率点以及其在子通道输出频谱中对应的频率点。
3.根据权利要求1所述的一种基于信号频域稀疏性的TIADC***通道间时间相位失配盲测量方法，其特征在于，其步骤(a)的全相FFT变换的计算量与N点FFT变换的计算量属同一量级，计算复杂度为O(NlogN)。
4.根据权利要求1所述的一种基于信号频域稀疏性的TIADC***通道间时间相位失配盲测量方法，其特征在于，其步骤(b)在全相FFT变换的计算量与N/M点FFT变换的计算量属同一量级，计算复杂度为O(N/M logN/M)。
5.根据权利要求1所述的一种基于信号频域稀疏性的TIADC***通道间时间相位失配盲测量方法，其特征在于，其步骤(c)中算法1仅存在比较和取值操作，计算复杂度小于O(N)。
6.根据权利要求1所述的一种基于信号频域稀疏性的TIADC***通道间时间相位失配盲测量方法，其特征在于，其步骤(d)仅存在取值操作，计算复杂度小于O(N)。
7.根据权利要求1所述的一种基于信号频域稀疏性的TIADC***通道间时间相位失配盲测量方法，其特征在于，其步骤(e)对TIADC***各个子通道只需计算一次。
8.根据权利要求1所述的一种基于信号频域稀疏性的TIADC***通道间时间相位失配盲测量方法，其特征在于，步骤(a)和(b)中仅需TIADC***的输出数据，对输入信号仅要求具有频域稀疏性，不需要知道具体信息或参数，可实现在线盲测量。
9.根据权利要求1所述的一种基于信号频域稀疏性的TIADC***通道间时间相位失配盲测量方法，其特征在于，算法对TIADC***的通道间时间相位失配参数进行在线盲测量，仅要求输入信号具有频域稀疏性，对TIADC***通道数没有限制，对输入信号频率范围没有限制，适用于高频输入信号，对量化噪声不敏感。
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