CN110912556B - 一种基于差值均衡的tiadc***采样时刻失配误差估计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于差值均衡的TIADC***采样时刻失配误差估计方法，用于解决TIADC***中的通道间采样时刻失配误差的提取问题。通过在数字域设置过零检测单元，同时计算和比较相邻通道ADC输出的平均绝对差值，可以很容易的判断出各通道ADC的采样时钟失配情况。从而可以根据判别的失配信息指导误差补偿模块对采样时刻失配进行修正。本发明可对TIADC中存在的采样时刻失配所引起的误差实现精确估计，能够显著提高TIADC***的动态性能，同时具有估计速度快，结构设计简单，不受通道数目限制等优点，具有很好的有效性、广泛性和实用性。

Description

一种基于差值均衡的TIADC***采样时刻失配误差估计方法
技术领域
本发明涉及高速时间交织模数转换器的技术领域，特别是一种基于差值均衡的TIADC***采样时刻失配误差估计方法。
背景技术
高速高精度模数转换器(ADC)是现代宽带通信***中不可或缺的一环，广泛应用于4G/5G无线基站、宽带雷达等***。然而，日益增加的数据吞吐量使得单通道模数转换器难以满足当今***的设计要求。因此，多通道时间交织模数转换器(TIADC)应运而生，成为更有效的设计选择。
TIADC采用多个单通道ADC循环采样，由多相时钟分别驱动每个通道ADC，使得多个通道ADC成为一个整体的TIADC，实现采样率成倍增加的效果。大大的缓解了单通道ADC的设计压力，同时也能有效提高采样率使其适应各类通信***的设计需求。不幸的是，由于这种交织采样的结构具有一些固有的缺陷，如图1所示，即通道间存在失调(Offset)、增益(Gain)和采样时刻(Timing skew)失配的问题，导致TIADC的整体动态性能大大降低，要设计满足要求的TIADC，必须解决其中的失配问题，最直接的方式就是对其中的失配误差进行估计与校正。目前的技术发展对于Offset和Gain失配的估计已经非常成熟，但是对于Timing skew的误差提取仍然是一个难以解决的问题，因此也是业界所关注的热点。
传统的Timing skew误差估计算法通常采用注入测试信号的前台方式进行，一般是注入单音正弦信号，然后通过在输出端利用最小二乘法进行拟合估计失配参数。但是这种前台的方法需要中断TIADC的正常采样过程，在很多需要实时工作的通信***中是不适用的。从而一些后台误差估计算法被提出来以避免这个问题，但是这其中有些后台算法需要借助专门的辅助通道，这将会增加电路面积和功耗；有些基于信号自相关运算的后台算法往往需要进行复杂的数字运算，在复杂度上还有待进一步优化。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种基于差值均衡的TIADC***采样时刻失配误差估计方法，解决TIADC***中由于Timing skew失配所造成的影响，实现对TIADC中通道间采样时刻失配误差的提取。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
根据本发明提出的一种基于差值均衡的TIADC***采样时刻失配误差估计方法，包括以下步骤：
步骤1、对于存在采样时刻失配的TIADC***，通过一个数字过零检测模块筛选出第i个通道ADC位于零值附近的输出值yi；
步骤2、如果yi位于预先设置的过零区域内，则分别计算yi与前后相邻通道ADC输出值的差值绝对值；即：
Di＝|yi+1-yi|
Di-1＝|yi-yi-1|；
其中，
yi+1表示第i+1通道ADC的输出值，yi-1表示第i-1通道ADC的输出值，
Di表示第i通道ADC过零区域的输出值与相邻yi+1的差值绝对值，
Di表示第i通道ADC过零区域的输出值与相邻yi-1的差值绝对值；
步骤3、重复步骤2的操作，直至统计出N个Di与Di-1的值，求取N次统计后的平均值，即：
Figure BDA0002251474030000021
Figure BDA0002251474030000022
其中，Di(k)表示计算得到的第k个Di数值，共计算N次得到N个Di的数值，Di-1(k)表示计算得到的第k个Di-1的数值，共计算N次得到N个Di-1的数值，
Ei1表示N个Di数值的平均值，
Ei2表示N个Di-1数值的平均值；
步骤4、比较步骤3中得到的两个平均值大小，如果Ei1<Ei2，则该通道的实际采样时刻位置滞后于理想采样时刻位置；如果Ei1>Ei2，则该通道的实际采样时刻位置超前于理想采样时刻位置；理想采样时刻位置是指没有任何失配情况下的正确的采样时刻位置；
步骤5、根据步骤4判断的信息，对失配的采样时刻进行补偿和校正，最终得到校准后的TIADC输出信号。
作为本发明所述的一种基于差值均衡的TIADC***采样时刻失配误差估计方法进一步优化方案，数字过零检测模块仅需通过设置阈值范围即可，阈值的大小由所设计的TIADC的位数而确定；数字过零检测模块用于挑选出位于零值附近的采样点。
作为本发明所述的一种基于差值均衡的TIADC***采样时刻失配误差估计方法进一步优化方案，步骤4中如果Ei1<Ei2，则该通道的实际采样时刻位置滞后于理想采样时刻位置，即采样时刻为负值；如果Ei1>Ei2，则该通道的实际采样时刻位置超前于理想采样时刻位置，即采样时刻为正值。
作为本发明所述的一种基于差值均衡的TIADC***采样时刻失配误差估计方法进一步优化方案，步骤5中采用误差补偿模块对采样时刻失配进行补偿和校正，最终得到校准后的TIADC输出信号。
作为本发明所述的一种基于差值均衡的TIADC***采样时刻失配误差估计方法进一步优化方案，误差补偿模块为数控可调延时线或可调分数延时滤波器。
作为本发明所述的一种基于差值均衡的TIADC***采样时刻失配误差估计方法进一步优化方案，零值附近是指零值上下十个LSB的过零区域。
作为本发明所述的一种基于差值均衡的TIADC***采样时刻失配误差估计方法进一步优化方案，N为4096。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
(1)本发明提出的方法，通过对TIADC的各通道输出进行过零检测、过零点相邻绝对差值计算与均值计算以达到提取采样时刻失配信息，估计后的失配信息可以通过调节数控可调延时线等方式进行补偿；
(2)本发明可以精确提取TIADC***中存在的采样时刻失配误差；从而有效提高了TIADC***的SNDR、SFDR等动态性能，对SNDR和SFDR的改善程度显著且估计速度快；同时估计算法采用全数字方式实现，结构简单明了，易于实现，不受PVT等因素的干扰和TIADC通道数量的限制，具有良好的有效性、广泛性和实用性。
附图说明
图1为存在失配误差的时间交织模数转换器的***模型。
图2为本发明所提方法的原理示意图。
图3为本发明所提出方法的工作流程图。
图4为本发明所提出方法的实现框图。
图5为应用本发明所提方法前的TIADC仿真***输出信号频谱图。
图6为应用本发明所提方法后的TIADC仿真***输出信号频谱图。
图7为本发明所提方法在估计误差过程中的收敛曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明进行详细描述。
如图2、3和4所示，本发明设计了一种基于差值均衡的TIADC***通道间采样时刻失配误差估计方法，具体包括以下步骤：
步骤1、对于存在Timing skew的TIADC***，通过一个数字过零检测模块筛选出各通道ADC位于零值附近的输出值(yi)。
步骤2、如果各通道ADC的输出值位于设置的过零区域内，则分别计算该输出值与前后相邻通道ADC输出值的差值绝对值(Di与Di-1)，即：
Di＝yi+1-yi
Di-1＝yi-yi-1
步骤3、重复步骤2的操作，直至统计出N个Di与Di-1的值，求取N次统计后的平均值，即：
Figure BDA0002251474030000041
Figure BDA0002251474030000042
步骤4、比较步骤3中得到的两个平均值大小，如果Ei1<Ei2，则该通道的实际采样时刻位置滞后于理想采样时刻位置，即Timing skew为负值；如果Ei1>Ei2，则该通道的实际采样时刻位置超前于理想采样时刻位置，即Timing skew为正值。
步骤5、根据步骤4判断的信息，指导误差补偿模块(数控可调延时线或可调分数延时滤波器)对失配的Timing skew进行补偿和校正，最终得到校准后的TIADC输出信号。
所述数字过零检测模块在设计上简单易操作，仅需通过设置合理的阈值范围即可，阈值的大小由所设计的TIADC的位数而确定。设计过零检测模块的目的是为了挑选出位于零值附近的采样点，因为位于零值附近的采样点在斜率上几乎保持一致，能够最大化的反映失配误差。
所述Timing skew的误差信息可以通过对各通道ADC的输出进行简单的求差和平均计算即可提取出来，操作简便，易于设计与集成，且在估计速度上所需的采样点数较少。
为了验证本发明能够快速估计采样时刻失配的误差，列举了一个验证实施例进行说明，下面结合TIADC***和仿真结果对其工作原理进行详细的说明。
实施例1：
本实施例中以四通道TIADC***模型为例，包括以下实施步骤：
(1)首先，对该实施例的TIADC***进行说明，本实施例以四通道TIADC仿真***为例，该***整体采样率为1GS/s，由四个相同的10bit 250MS/s单通道ADC组成。通道1、2、3、4的采样时刻失配的初始值分别设置为-10ps、10ps、20ps、-30ps。TIADC的输入信号为171MHz的正弦信号，幅度为1Vpp。
(2)当TIADC采样过程中，对各通道ADC的输出进行数字域过零检测，对于本实施例的10bit TIADC，检测阈值下限设置为500，上限设置为524。
(3)针对上一步骤中过零检测筛选出的采样点，分别计算该采样点与前后相邻通道ADC采样点的差值绝对值，总计统计N＝4096次差值绝对值，并求取平均值Ei1与Ei2。
(4)比较上一步中得到的两个平均值大小，如果Ei1<Ei2，则该通道的实际采样时刻位置滞后于理想采样时刻位置，即Timing skew为负值；如果Ei1>Ei2，则该通道的实际采样时刻位置超前于理想采样时刻位置，即Timing skew为正值。
(5)根据上一步中的比较结果，如果判断Timing skew为负值，则增加数控可调延时线的延时时间；如果判断Timing skew为正值，则减小数控可调延时线的延时时间。最终使得各通道的Timing skew达到一致，实现消除采样时刻失配误差的目的。
图5和图6分别为应用本发明所提估计方法校准前后的10bit 1GS/s TIADC的输出频谱图。在校准前，由于采样时刻失配的影响，输出频谱中会存在若干误差杂散谱线，严重恶化TIADC的SNDR和SFDR，其中SNDR＝33.7dB，SFDR＝37.3dB，远未达到10bit TIADC的设计要求。经过本发明所提估计方法结合数控可调延时线补偿后，误差杂散谱线的幅度明显降低，SNDR和SFDR分别提高到60.8dB和74.1dB，动态性能得到了显著的改善，完全满足了10bit TIADC的设计要求。
图7显示本发明所提方法在误差估计过程中对各通道失配参数的估计曲线的收敛过程。可以看出对各通道的Timing skew失配参数的估计值与设置的初始值完全一致，表明误差估计的精确度非常高。同时各通道的估计曲线在经过10次迭代后便趋于稳定，达到收敛状态，这表明对于本实施例中的1GS/s TIADC而言，只需要大约40us的时间即可完成Timing skew误差的估计，充分说明了所提估计方法的速度之快。
综上，本发明所提出的一种基于差值均衡的TIADC***采样时刻失配误差估计方法，可以精确估计TIADC***中存在的通道间采样时刻失配值，显著改善TIADC的SNDR和SFDR等***性能，并且估计速度快，易于实现，不受通道数目的限制以及工艺、电压和温度变化的干扰，具有良好的有效性、广泛性和实用性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于差值均衡的TIADC***采样时刻失配误差估计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、对于存在采样时刻失配的TIADC***，通过一个数字过零检测模块筛选出第i个通道ADC位于零值附近的输出值yi；
步骤2、如果yi位于预先设置的过零区域内，则分别计算yi与前后相邻通道ADC输出值的差值绝对值；即：
Di＝|yi+1-yi|
Di-1＝|yi-yi-1|；
其中，
yi+1表示第i+1通道ADC的输出值，yi-1表示第i-1通道ADC的输出值，
Di表示第i通道ADC过零区域的输出值与相邻yi+1的差值绝对值，
Di表示第i通道ADC过零区域的输出值与相邻yi-1的差值绝对值；
步骤3、重复步骤2的操作，直至统计出N个Di与Di-1的值，求取N次统计后的平均值，即：
Figure FDA0002251474020000011
Figure FDA0002251474020000012
其中，Di(k)表示计算得到的第k个Di数值，共计算N次得到N个Di的数值，Di-1(k)表示计算得到的第k个Di-1的数值，共计算N次得到N个Di-1的数值，
Ei1表示N个Di数值的平均值，
Ei2表示N个Di-1数值的平均值；
步骤4、比较步骤3中得到的两个平均值大小，如果Ei1<Ei2，则该通道的实际采样时刻位置滞后于理想采样时刻位置；如果Ei1>Ei2，则该通道的实际采样时刻位置超前于理想采样时刻位置；理想采样时刻位置是指没有任何失配情况下的正确的采样时刻位置；
步骤5、根据步骤4判断的信息，对失配的采样时刻进行补偿和校正，最终得到校准后的TIADC输出信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于差值均衡的TIADC***采样时刻失配误差估计方法，其特征在于，数字过零检测模块仅需通过设置阈值范围即可，阈值的大小由所设计的TIADC的位数而确定；数字过零检测模块用于挑选出位于零值附近的采样点。
3.根据权利要求1所述的一种基于差值均衡的TIADC***采样时刻失配误差估计方法，其特征在于，步骤4中如果Ei1<Ei2，则该通道的实际采样时刻位置滞后于理想采样时刻位置，即采样时刻为负值；如果Ei1>Ei2，则该通道的实际采样时刻位置超前于理想采样时刻位置，即采样时刻为正值。
4.根据权利要求1所述的一种基于差值均衡的TIADC***采样时刻失配误差估计方法，其特征在于，步骤5中采用误差补偿模块对采样时刻失配进行补偿和校正，最终得到校准后的TIADC输出信号。
5.根据权利要求4所述的一种基于差值均衡的TIADC***采样时刻失配误差估计方法，其特征在于，误差补偿模块为数控可调延时线或可调分数延时滤波器。
6.根据权利要求1所述的一种基于差值均衡的TIADC***采样时刻失配误差估计方法，其特征在于，零值附近是指零值上下十个LSB的过零区域。
7.根据权利要求1所述的一种基于差值均衡的TIADC***采样时刻失配误差估计方法，其特征在于，N为4096。
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