CN110324041B - 一种宽带交叉采样***通道失配估计方法 - Google Patents

一种宽带交叉采样***通道失配估计方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于宽带信号采样技术领域，涉及一种宽带交叉采样***通道失配估计方法。对宽带交叉采样***采集的噪声数据进行偏置失配估计，采用基于正弦拟合估计方法获得各通道在每个测试频点的振幅值和相位值，选取参考通道，得到各通道在每个测试频点的增益离散函数和相位差离散函数，对得到的各测试频点的增益离散函数和相位差离散函数进行频率范围扩展，得到各通道的增益失配频率响应和相位失配频率响应；通过去除偏置失配的影响，提高通道失配的估计精度；只需对关注频段进行数据采集和处理，不关注频段的增益失配和相位失配由各测试频点的增益离散函数和相位差离散函数进行频率范围扩展得到，减少通道失配估计过程中数据采集和处理的工作量。

Description

一种宽带交叉采样***通道失配估计方法
技术领域
本发明属于宽带信号采样技术领域，涉及一种宽带交叉采样***通道失配估计方法。
背景技术
高速高分辨率采样***是宽带数字接收机、通信***、示波器等仪器设备的关键部件。高采样率和高分辨率之间的矛盾制约了模数转换器(ADC,Analog-to-DigitalConverter)的发展。交叉采样(TIADC,Time-Interleaved Analog-to-Digital Converter)技术可以有效地解决这个问题。M通道交叉采样***理想结构如图1所示。多个采样率较低的ADC在相同的时钟频率、不同的时钟相位下交替采集信号，然后合并子ADC的采样序列作为***输出来提高采样率。
虽然交叉采样技术可以成倍提高***采样率，但通道失配同时被引入***中。通道失配主要包括偏置失配、增益失配和相位失配。通道失配会严重降低交叉采样***的动态性能，必须进行校正。交叉采样通道失配校正主要由两个步骤组成：一、通道失配估计，二、通道失配补偿。
精确的通道失配估计是实现交叉采样通道失配补偿的关键条件。目前的交叉采样通道失配估计算法主要分为前向估计和后向估计两类：前向估计算法具有较高的精度和稳定性，但是如果***环境发生变化，则需要重新输入校准信号以计算通道失配；后向估计算法可以在无预先输入校准信号的情况下，直接重构原始信号。虽然后向估计算法能够实时估计通道失配的变化，但其复杂度高、精度低，或对输入信号形式有一定的特殊要求。在实际应用中，为了保证估计精度，一般采用前向估计方法。在带宽较大的情况下，偏置失配可视为不随频率变化的固定值，增益失配和相位失配随频率变化，不能当作固定值。参考文献(J.Li,J.Pan and Y.Zhang,“Automatic Calibration Method of Channel Mismatchesfor Wideband TI-ADC System”,Electronics,2019,8(56),pp.1-13.)中给出了交叉采样***中增益失配和相位失配的估计方法，但没有描述偏置失配的估计方法，数据在进行增益失配和相位失配估计之前也没有去除偏置失配的影响，降低了通道失配的估计精度；该文章中测试频点的频率需要覆盖整个第一奈奎斯特域，增大了数据采集和处理的工作量。为了使校正后交叉采样***的动态性能接近其子通道的性能，要对三种通道失配在关注频段内进行精确估计。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种宽带交叉采样***通道失配估计方法。
本发明的技术方案为：一种宽带交叉采样***通道失配估计方法，该方法针对M通道宽带交叉采样***，M≥2，进行偏置失配、增益失配和相位失配的估计，分为以下步骤：
步骤1、宽带交叉采样***对噪声进行采集记录，估计出各通道的偏置失配：设噪声信号为x(t)，关闭信号发生器的输出，经宽带交叉采样***各通道采样后，得到噪声信号x(t)的离散时间序列xm(n)，则每个通道的偏置为：
Figure BDA0002127073900000021
其中n＝1,2,…,N，N为离散序列的长度，N要足够大(N≥32000)，以减小偶然误差；m＝0,1,…,M-1，M为通道数；以ADC0的偏置offset0为参考，得到各通道的偏置失配：
om＝offsetm-offset0；
步骤2、在关注频段内等频率间隔选取K个测试频点：设宽带交叉采样***的工作频带为[fL,fH]，其中，fL＞0，fH＜fS/2，fS为宽带交叉采样采样***采样率。为了得到准确的估计结果，K的取值为
Figure BDA0002127073900000022
得到要采集的K个测试频点分别为f1＝fL,f2,f3,…,fK-1,fK＝fH；
步骤3、宽带交叉采样***按照选取的测试频点依次设置信号发生器的频率为f1,f2,…,fK，幅度小于ADC的满量程，每次设置信号发生器后，在确保信号发生器输出稳定的前提下，宽带交叉采样***分别对这K个测试频点的信号进行采集和记录，得到K个数据文件；
步骤4、依次读取每个测试频点的数据文件，利用正弦拟合估计方法获得各通道在每个测试频点的振幅值和相位值，选取参考通道，得到各通道在每个测试频点的增益离散函数和相位差离散函数；
步骤5、对步骤4中得到的各测试频点的增益离散函数和相位差离散函数进行频率范围扩展，根据实信号频率响应的共轭对称性，得到交叉采样***各通道的增益失配频率响应和相位失配频率响应，实现对宽带交叉采样***通道失配的精确估计。
具体的，所述步骤4包括以下步骤：
步骤401、根据步骤3中得到的K个数据文件，每个数据文件中各通道数据减去步骤1中得到的om以消除偏置失配的影响；
步骤402、利用正弦拟合估计方法获得各通道在每个测试频点的振幅值和相位值：
任意单频正弦波表达式可以写为：
x(t)＝Acos(2πf0t+φ)；
其中f0为正弦波频率，A是振幅，φ是相位。由三角函数的性质可以得到如下形式：
x(t)＝A0cos(2πf0t)+B0sin(2πf0t)；
其中
Figure BDA0002127073900000031
设ADC的采样周期为T1，根据N个采样点x[1],x[2],…,x[N]，可以通过最小二乘法求解下式的最小值来得到A0和B0：
Figure BDA0002127073900000032
于是由这N个采样点可以估计出ADC在f0的振幅A和相位φ。
步骤403、利用步骤402中的方法对每个频点上每个通道采集的数据进行振幅和相位的估计，可以得到宽带交叉采样***的M个通道关于频率fk的振幅值Am(fk)和相位值φm(fk)，其中m＝0,1,…,M-1，k＝1,2,…,K。
步骤404、选取参考通道，得到各通道在每个测试频点的增益离散函数和相位差离散函数：以参考通道ADC0的振幅值A0(fk)和相位值φ0(fk)为参考，可以得到各通道关于频率fk的增益离散函数：
gm(fk)＝Am(fk)/A0(fk)
以及相位差离散函数：
τm(fk)＝φ0(fk)-φm(fk)+fk/fS·2π·m。
具体的，所述步骤5包括以下步骤：
步骤501、对步骤404中得到的各测试频点的增益离散函数和相位差离散函数进行频率范围扩展：宽带交叉采样***的工作频带为[fL,fH]，那么[0,fL)和(fH,fS/2]为不关注频段，各通道在频带[0,fL)的增益和相位差可以分别由gm(f1)和τm(f1)代替，频带(fH,fS/2]的增益和相位差可以分别由gm(fK)和τm(fK)代替，从而得到频率范围对应完整的第一奈奎斯特域的增益离散函数和相位差离散函数。
步骤502、根据实信号频率响应的共轭对称性，得到宽带交叉采样***各通道的增益失配频率响应和相位失配频率响应，实现对宽带交叉采样***通道失配的精确估计：根据实信号频率响应的共轭对称性，由步骤501中结果可以得到宽带交叉采样***各通道的失配频率响应：
Figure BDA0002127073900000033
其中
Figure BDA0002127073900000041
即得到各采集通道的增益失配频率响应和相位失配频率响应，实现对宽带交叉采样***通道失配的精确估计。
本发明的有益效果是：本发明通过对宽带交叉采样***采集的噪声数据进行偏置失配估计，采用基于正弦拟合的估计方法获得各通道在每个测试频点的振幅值和相位值，选取参考通道，得到各通道在每个测试频点的增益离散函数和相位差离散函数，最后对得到的各测试频点的增益离散函数和相位差离散函数进行频率范围扩展，得到各通道的增益失配频率响应和相位失配频率响应；数据在进行增益失配和相位失配估计之前去除偏置失配的影响，提高了通道失配的估计精度；只需对关注频段进行数据采集和处理，不关注频段的增益失配和相位失配由各测试频点的增益离散函数和相位差离散函数进行频率范围扩展得到，减少了通道失配估计过程中数据采集和处理的工作量。
附图说明
图1是本发明一种宽带交叉采样***通道失配估计方法所涉及的M通道交叉采样***理想结构图；
图2是本发明一种宽带交叉采样***通道失配估计方法实施例中的采集记录***组成示意图；
图3是本发明一种宽带交叉采样***通道失配估计方法实施例中的实施流程；
图4是本发明一种宽带交叉采样***通道失配估计方法实施例中估计所得各通道的通道失配频率响应，其中(a)为增益失配频率响应，(b)为相位失配频率响应。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步阐述。
通道失配会严重降低交叉采样***的动态性能，精确的通道失配估计是实现交叉采样通道失配补偿的关键条件。本发明针对宽带交叉采样***，进行偏置失配、增益失配和相位失配的估计。首先，交叉采样***对噪声进行采集记录，估计出各通道的偏置失配；其次，在关注频段内等频率间隔选取测试频点；然后，交叉采样***按照选取的测试频点设置信号发生器，采集、记录各个测试频点的数据，得到所有测试频点的数据文件；依次读取每个测试频点的数据文件，利用正弦拟合估计方法获得各通道在每个测试频点的振幅值和相位值，选取参考通道，得到各通道在每个测试频点的增益离散函数和相位差离散函数；最后对得到的各测试频点的增益离散函数和相位差离散函数进行频率范围扩展，根据实信号频率响应的共轭对称性，得到交叉采样***各通道的增益失配频率响应和相位失配频率响应，实现对宽带交叉采样***通道失配的精确估计。
为了更好的阐述和理解本发明，此处以四通道宽带交叉采样***为例。图2是本发明中宽带交叉采样***组成示意图。该***的两个ADC芯片中的4个采样率为2.6GS/s的子ADC进行交叉采样，得到采样率为10.4GS/s的交叉采样***。***主要组成有：一个采集板、一个时钟板、一个接口扩展板、一个背板、一个接收板和一台存储服务器。采集板上集成两片FPGA(Field Programmable Gate Array)，装有两个FMC(FPGA Mezzanine Card)形式的采集卡。测试信号连接到一个功分器，被分为两路，分别传输到采集板的两个ADC芯片中。一台信号发生器(SMJ100A)为***提供100MHz参考时钟。参考时钟与时钟板相连，产生的采样时钟和SYSREF(System Reference)时钟用于驱动采集板进行数据采集。背板主要用于电路板的供电和互连。采样数据通过千兆高速串行总线(MGT,Multi-Gigabit Transceiver)传输到接口扩展板，由接口扩展板上的光收发器将电信号转换为光信号，并通过光纤传输到存储服务器的接收板。接收板通过PCIE(Peripheral Component Interconnect Express)接口将数据传输到存储服务器的内存。数据最终被存储在服务器的磁盘阵列中。存储服务器上运行采集记录软件，该软件的主要功能是按照选取的测试频点设置信号发生器(E8257D)和控制数据记录。宽带交叉采样通道失配估计算法也在存储服务器上运行。
针对如图2所示宽带交叉采样***，本发明的实施流程如图3所示。
分析过程中偏置失配可视为不随频率变化的固定值。信号发生器关闭输出，***采集噪声。设噪声信号为x(t)，关闭信号发生器的输出，经交叉采样***各通道采样后，得到其离散时间序列xm(n)，则每个通道的偏置为：
Figure BDA0002127073900000051
其中n＝1,2,…,N，N＝32000为离散序列的长度；m＝0,1,…,M-1，M＝4为通道数。以ADC0的偏置offset0为参考，可以得到各通道的偏置失配：
om＝offsetm-offset0。
采集***的工作频带[fL,fH]＝[100MHz,5000MHz]，K的取值为
Figure BDA0002127073900000052
则在关注频段内等频率间隔选取K＝491个测试频点，得到要采集的频点为100MHz、110MHz、120MHz、···、4990MHz、5000MHz。
设采集记录过程的循环变量i的初始值设为1。当i≤K时，交叉采样***通过以太网向信号发生器发送程控仪器标准指令(SCPI,Standard Commands for ProgrammableInstruments)，设置第i点的频率和幅度，频率为fi＝(90+10·i)MHz，幅度为ADC满量程的-1dB。信号发生器完成设置后返回一个完成标志。***接收到完成标志后，待信号发生器的输出稳定，开始记录采集的数据，并把此数据文件命名为i.dat。当一次直接内存存取(DMA,Direct Memory Access)完成，此时文件记录数据大小为4MB，结束该文件记录。循环变量i＝i+1，直至i＞K时，采集记录过程结束。
然后进入读文件、利用正弦拟合估计方法估计各通道在每个测试频点的振幅值和相位值的过程。设循环变量j的初始值设为1。当j≤K时，从j.dat文件数中读取32000点数据，然后各通道数据减去om以消除偏置失配。
任意单频正弦波表达式为可以写为：
x(t)＝Acos(2πf0t+φ)
其中f0为正弦波频率，A是振幅，φ是相位。由三角函数的性质可以得到如下形式：
x(t)＝A0cos(2πf0t)+B0sin(2πf0t)
其中
Figure BDA0002127073900000061
ADC的采样周期
Figure BDA0002127073900000062
记录N＝32000个采样点x[1],x[2],…,x[N]，可以通过最小二乘法求解下式的最小值来得到A0和B0：
Figure BDA0002127073900000063
于是由采集的正弦序列可以估计出ADC在f0的振幅A和相位φ。循环变量j＝j+1，直至j＞K时，估计各通道在每个测试频点的振幅值和相位值的过程结束。得到交叉采样***的4个通道关于频率fk的振幅值Am(fk)和相位值φm(fk)，其中m＝0,1,2,3，k＝1,2,…,491。
以ADC0的振幅离散函数A0(fk)和相位离散函数φ0(fk)为参考，可以得到各通道关于频率fk的增益离散函数：
gm(fk)＝Am(fk)/A0(fk)
以及相位差离散函数：
Figure BDA0002127073900000064
对上述得到的增益离散函数和相位差离散函数进行频率范围扩展，采集***的工作频带为[fL,fH]＝[100MHz,5000MHz]，那么[0,100MHz)和(5000MHz,5200MHz]为不关注频段，各通道在频带[0,100MHz)的增益和相位差可以分别由gm(100MHz)和τm(100MHz)代替，频带(5000MHz,5200MHz]的增益和相位差可以分别由gm(5000MHz)和τm(5000MHz)代替，从而得到频率范围对应完整的第一奈奎斯特域的增益离散函数和相位差离散函数。
根据实信号频率响应的共轭对称性，得到***各通道的失配频率响应：
Figure BDA0002127073900000071
其中
Figure BDA0002127073900000072
即得到各采集通道的增益失配频率响应和相位失配频率响应，如图4所示，实现对宽带交叉采样***通道失配的精确估计。
以上实例仅为本发明的优选例子，本发明的使用并不局限于该实例，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种宽带交叉采样***通道失配估计方法，针对M通道宽带交叉采样***，M≥2，进行偏置失配、增益失配和相位失配的估计，其特征在于，该方法分为以下步骤：
步骤1、宽带交叉采样***对噪声进行采集记录，估计出各通道的偏置失配：
设噪声信号为x(t)，关闭信号发生器的输出，经宽带交叉采样***各通道采样后，得到噪声信号x(t)的离散时间序列xm(n)，则每个通道的偏置为：
Figure FDA0002127073890000011
其中n＝1,2,…,N，N为离散序列的长度，N要足够大，以减小偶然误差；m＝0,1,…,M-1，M为通道数；以ADC0的偏置offset0为参考，得到各通道的偏置失配：
om＝offsetm-offset0；
步骤2、在关注频段内等频率间隔选取K个测试频点：设宽带交叉采样***的工作频带为[fL,fH]，其中，fL＞0，fH＜fS/2，fS为宽带交叉采样采样***采样率，得到要采集的K个测试频点分别为f1＝fL,f2,f3,…,fK-1,fK＝fH；
步骤3、宽带交叉采样***按照选取的测试频点依次设置信号发生器的频率为f1,f2,…,fK，幅度小于ADC的满量程，每次设置信号发生器后，在确保信号发生器输出稳定的前提下，宽带交叉采样***分别对这K个测试频点的信号进行采集和记录，得到K个数据文件；
步骤4、依次读取每个测试频点的数据文件，利用正弦拟合估计方法获得各通道在每个测试频点的振幅值和相位值，选取参考通道，得到各通道在每个测试频点的增益离散函数和相位差离散函数；
步骤5、对步骤4中得到的各测试频点的增益离散函数和相位差离散函数进行频率范围扩展，根据实信号频率响应的共轭对称性，得到交叉采样***各通道的增益失配频率响应和相位失配频率响应，实现对宽带交叉采样***通道失配的精确估计。
2.一种根据权利要求1所述宽带交叉采样***通道失配估计方法，其特征在于：所述步骤4包括以下步骤：
步骤401、根据步骤3中得到的K个数据文件，每个数据文件中各通道数据减去步骤1中得到的om以消除偏置失配的影响；
步骤402、利用正弦拟合估计方法获得各通道在每个测试频点的振幅值和相位值：
任意单频正弦波表达式可以写为：
x(t)＝Acos(2πf0t+φ)；
其中f0为正弦波频率，A是振幅，φ是相位；由三角函数的性质可以得到如下形式：
x(t)＝A0cos(2πf0t)+B0sin(2πf0t)
其中
Figure FDA0002127073890000021
设ADC的采样周期为T1，根据N个采样点x[1],x[2],…,x[N]，通过最小二乘法求解下式的最小值来得到A0和B0：
Figure FDA0002127073890000022
于是由这N个采样点可以估计出ADC在f0的振幅A和相位φ；
步骤403、利用步骤402中的方法对每个频点上每个通道采集的数据进行振幅和相位的估计，可以得到宽带交叉采样***的M个通道关于频率fk的振幅值Am(fk)和相位值φm(fk)，其中m＝0,1,…,M-1，k＝1,2,…,K；
步骤404、选取参考通道，得到各通道在每个测试频点的增益离散函数和相位差离散函数：以参考通道ADC0的振幅值A0(fk)和相位值φ0(fk)为参考，可以得到各通道关于频率fk的增益离散函数：
gm(fk)＝Am(fk)/A0(fk)
以及相位差离散函数：
τm(fk)＝φ0(fk)-φm(fk)+fk/fS·2π·m。
3.一种根据权利要求1所述宽带交叉采样***通道失配估计方法，其特征在于：所述步骤5包括以下步骤：
步骤501、对步骤404中得到的各测试频点的增益离散函数和相位差离散函数进行频率范围扩展：宽带交叉采样***的工作频带为[fL,fH]，那么[0,fL)和(fH,fS/2]为不关注频段，各通道在频带[0,fL)的增益和相位差可以分别由gm(f1)和τm(f1)代替，频带(fH,fS/2]的增益和相位差可以分别由gm(fK)和τm(fK)代替，从而得到频率范围对应完整的第一奈奎斯特域的增益离散函数和相位差离散函数；
步骤502、根据实信号频率响应的共轭对称性，得到宽带交叉采样***各通道的增益失配频率响应和相位失配频率响应，实现对宽带交叉采样***通道失配的精确估计：根据实信号频率响应的共轭对称性，由步骤501中结果可以得到宽带交叉采样***各通道的失配频率响应：
Figure FDA0002127073890000031
其中
Figure FDA0002127073890000032
即得到各采集通道的增益失配频率响应和相位失配频率响应，实现对宽带交叉采样***通道失配的精确估计。
4.一种根据权利要求1所述宽带交叉采样***通道失配估计方法，其特征在于：步骤1中，离散序列的长度N≥32000。
5.一种根据权利要求1所述宽带交叉采样***通道失配估计方法，其特征在于：步骤2中，为了得到准确的估计结果，K的取值为
Figure FDA0002127073890000033
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