DE102014200914B4 - Method and system for compensating mismatches between analog-to-digital converters that scan at different times - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Kompensation von Fehlanpassungen in der Übertragungsfunktion zwischen mehreren zeitlich versetzt zueinander abtastenden Analog-Digital-Wandlern (20, 21, 22, 23, ...), indem die vom jeweiligen Analog-Digital-Wandler (20, 21, 22, 23, ...) erzeugten Abtastwerte mit einer Impulsantwort jeweils eines zum jeweiligen Analog-Digital-Wandler (20, 21, 22, 23, ...) gehörigen Kompensationsfilters (40, 41, 42, 43, ...) gefaltet werden,wobei für mindestens jeweils zwei Kompensationsfilter (40, 41, 42, 43, ...) jeweils mindestens ein Filterkoeffizient mittels Minimierung einer Kostenfunktion vorab ermittelt wird, um damit jeweils einen hinsichtlich des Betrages und/oder der Phase minimierten Unterschied zwischen den mit der Übertragungsfunktion des zugehörigen Kompensationsfilters (40, 41, 42, 43, ...) jeweils gefalteten Übertragungsfunktionen in jeweils mindestens zwei Analog-Digital-Wandlern (20, 21, 22, 23, ...) zu erzielen,wobei im Fall von mehr als zwei jeweils zeitlich versetzt zueinander abtastenden Analog-Digital-Wandlern (20, 21, 22, 23, ...) sich die Filterkoeffizienten des zum jeweiligen Analog-Digital-Wandler (20, 21, 22, 23, ...) gehörigen Kompensationsfilters (40, 41, 42, 43, ...) aus der Faltung der Filterkoeffizienten von mehreren Teil-Kompensationsfiltern (40, 41, 42, 43, ...) ergeben,wobei ein Paar von ersten zu bestimmenden Teil-Kompensationsfiltern (40, 41, 42, 43, ...) die Fehlanpassung der Übertragungsfunktionen von zwei jeweiligen Analog-Digital-Wandlern (20, 21, 22, 23, ...) zueinander kompensiert, und wobei jedes weitere Paar von zu bestimmenden Teil-Kompensationsfiltern (40,41,42,43, ...) die Fehlanpassung der Übertragungsfunktion einer jeweiligen ersten Teilgruppe von Analog-Digital-Wandlern (20, 21, 22, 23, ...), die mittels bereits bestimmter Teil-Kompensationsfilter (40, 41, 42, 43, ...) bereits zueinander kompensiert sind, bezüglich der Übertragungsfunktion einer jeweiligen zweiten Teilgruppe mit derselben Anzahl von Analog-Digital-Wandlern (20, 21, 22, 23, ...), die mittels bereits bestimmter Teil-Kompensationsfilter (40, 41, 42, 43, ...) bereits zueinander kompensiert sind, zueinander kompensiert.Method for compensating mismatches in the transfer function between several analog-to-digital converters (20, 21, 22, 23, ...), which are sampled at different times from one another, by converting the signals from the respective analog-to-digital converter (20, 21, 22, 23 , ...) generated sampled values are convoluted with an impulse response of a compensation filter (40, 41, 42, 43, ...) belonging to the respective analog-digital converter (20, 21, 22, 23, ...), where for at least two compensation filters (40, 41, 42, 43, ...) at least one filter coefficient is determined in advance by minimizing a cost function in order to minimize the difference in amount and / or phase between those with the transfer function of the associated compensation filter (40, 41, 42, 43, ...) in each case to achieve folded transfer functions in at least two analog-to-digital converters (20, 21, 22, 23, ...), in the case of more than two staggered in time analog-digital converters (20, 21, 22, 23, ...) scanning each other, the filter coefficients of the compensation filter (40, 41 , 42, 43, ...) result from the convolution of the filter coefficients of several partial compensation filters (40, 41, 42, 43, ...), with a pair of first partial compensation filters (40, 41, 42 , 43, ...) compensates for the mismatch of the transfer functions of two respective analog-to-digital converters (20, 21, 22, 23, ...) to one another, and each additional pair of partial compensation filters (40, 41 , 42,43, ...) the mismatching of the transfer function of a respective first subgroup of analog-to-digital converters (20, 21, 22, 23, ...), which by means of already determined partial compensation filters (40, 41, 42 , 43, ...) are already compensated for each other, with regard to the transfer function of a respective second subgroup with the same number of analog-digital walls learn (20, 21, 22, 23, ...), which are already compensated for each other by means of already determined partial compensation filters (40, 41, 42, 43, ...), compensated for each other.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein System zur Kompensation von Fehlanpassungen in der Übertragungsfunktion zwischen zeitlich versetzt zueinander abtastenden Analog-Digital-Wandlern.The invention relates to a method and a system for compensating for mismatches in the transfer function between analog-to-digital converters that are sampled at different times.
Die Erfassung von zunehmend breitbandigeren Signalen mithilfe von digitalen Oszilloskopen erfordert eine Signalabtastung, die mit gängigen Analog-Digital-Wandlern nicht realisierbar ist. Zur Erhöhung der Abtastrate werden mehrere Analog-Digital-Wandler parallel geschaltet und von demselben abzutastenden Eingangssignal beaufschlagt. Die parallel geschalteten Analog-Digital-Wandler tasten das Eingangssignal jeweils mit derselben Abtastrate, die um einen der Anzahl von parallel geschalteten Analog-Digital-Wandler entsprechenden Faktor gegenüber der gewünschten Abtastrate reduziert ist, und um einen Zeitversatz, der dem gewünschten Abtastzeitintervall entspricht, zueinander versetzt ab (so genannte "time-interleaved" A/D- Wandler bzw. zeitversetzte A/D-Wandler).The acquisition of increasingly broadband signals with the aid of digital oscilloscopes requires signal sampling that cannot be achieved with conventional analog-to-digital converters. To increase the sampling rate, several analog-to-digital converters are connected in parallel and the same input signal to be sampled is applied. The analog-digital converters connected in parallel sample the input signal with the same sampling rate, which is reduced by a factor corresponding to the number of analog-digital converters connected in parallel compared to the desired sampling rate, and by a time offset corresponding to the desired sampling time interval offset from (so-called "time-interleaved" A / D converter or time-shifted A / D converter).
Derartige A/D-Wandler-Strukturen erfordern vollkommen identisch funktionierende Analog-Digital-Wandler. Aufgrund von Fehlanpassungen in realen A/D-Wandlern ist ein vollkommen identisches Betriebsverhalten der einzelnen A/D-Wandler nicht gegeben. Reale Analog-Digital-Wandler weisen typischerweise gegenüber idealen Analog-Digital-Wandlern folgende Fehler auf:
- • unterschiedliche Impulsantworten hi(t) und hj(t) sowie unterschiedliche Übertragungsfunktionen Hi(f) bzw. Hj(f) zwischen unterschiedlichen Analog-Digital-Wandlern i und j,
- • unterschiedliche Gleichanteile oi und oj zwischen unterschiedlichen Analog-Digital-Wandlern i und j und
- • normierte Zeitversätze εi und εj zu den einzelnen normierten Abtastzeitpunkten M · v + i bzw. M · v + j (M : Anzahl der parallel geschalteten Analog-Digital-Wandler).
- • different impulse responses h i (t) and h j (t) as well as different transfer functions H i (f) or H j (f) between different analog-to-digital converters i and j,
- • different DC components o i and o j between different analog-to-digital converters i and j and
- • normalized time offsets ε i and ε j to the individual normalized sampling times M · v + i or M · v + j (M: number of analog-digital converters connected in parallel).
Aus der DE 10 2011 011 711 A1 ist ein Verfahren und ein System zur Kompensation derartiger Fehlanpassungen in realen A/D-Wandlern bekannt. Hierbei wird die Impulsantwort der einzelnen Kompensationsfilter mittels Auto- und Kreuzkorrelationsfunktionen aus den Impulsantworten der zugehörigen Analog-Digital-Wandler und dem Eingangssignal in Echtzeit ermittelt. Das Verfahren weist den Nachteil auf, dass das Eingangssignal vorab nicht bekannt ist und lediglich durch eine Sync-Funktion genähert wird.DE 10 2011 011 711 A1 discloses a method and a system for compensating for such mismatches in real A / D converters. The impulse response of the individual compensation filters is determined in real time from the impulse responses of the associated analog-digital converters and the input signal using auto- and cross-correlation functions. The method has the disadvantage that the input signal is not known in advance and is only approximated by a sync function.
Die US 7,782,235 B1 beschreibt eine Vorrichtung und eine Methode zur Kompensation von Fehlanpassung in einem Analog-Digital-Umsetzer mit parallel angeordneten Analog-Digital-Wandlern. Das Eingangssignal wird mit einem Splitter gleichmäßig auf die Eingänge der Analog-Digital-Wandler verteilt. Zur zeitverschachtelten Abtastung des Eingangssignals kann der Abtasttakt jedes Analog-Digital-Wandlers zueinander phasenverschoben sein. Jeder Signalpfad des parallelen Arrays von Analog-Digital-Wandlern kann jeweils eine zugehörige Fehlanpassung aufweisen. Eine adaptive Fehlanpassungs-Schätzeinheit ermittelt durch Analyse der digitalisierten Signale die Fehlanpassung der einzelnen Signalpfade und leitet daraus errechnete Anpassungparameter an eine Entzerrereinheit weiter. Die Anpassungsparameter sind repräsentativ für den DC-Offset, Betrag und Phase der Fehlanpassung zwischen jedem der aus dem Analogsignal konvertierten digitalen Signale. Die Anpassungsparameter können eine Vielzahl von Amplituden- und Phasenpegeln bei unterschiedlichen Frequenzen umfassen, so dass ein digitaler Filterentwurfsalgorithmus, wie zum Beispiel eine Kleinste-Quadrate-Optimierung, ein digitales Filter mit endlicher Impulsantwort (FIR Filter) berechnen kann, das sich dem gewünschten Verlauf annähert. Die Entzerrereinheit kompensiert die Fehlanpassungen in den Ausgangswerten der Analog-Digital-Wandler basierend auf den errechneten Filtern und gibt hinsichtlich Verstärkung, Phase und DC-Offset angepasste digitale Werte der Signale aus.No. 7,782,235 B1 describes a device and a method for compensating for mismatching in an analog-digital converter with analog-digital converters arranged in parallel. The input signal is distributed evenly to the inputs of the analog-digital converter using a splitter. For time-interleaved sampling of the input signal, the sampling clock of each analog-digital converter can be phase-shifted with respect to one another. Each signal path of the parallel array of analog-to-digital converters can each have an associated mismatch. An adaptive mismatch estimation unit determines the mismatch of the individual signal paths by analyzing the digitized signals and forwards the adaptation parameters calculated therefrom to an equalization unit. The adjustment parameters are representative of the DC offset, amount and phase of the mismatch between each of the digital signals converted from the analog signal. The adjustment parameters can include a variety of amplitude and phase levels at different frequencies so that a digital filter design algorithm, such as least squares optimization, can calculate a digital finite impulse response (FIR) filter that approximates the desired profile . The equalization unit compensates for the mismatches in the output values of the analog-digital converter based on the calculated filters and outputs digital values of the signals that have been adjusted with regard to amplification, phase and DC offset.
In der US 2011/0260898 A1 findet sich ein ähnlicher Stand der Technik.A similar prior art can be found in US 2011/0260898 A1.
Die DE 10 2005 039 684 A1 beschreibt ein System, das Verzögerungselemente, mindestens zwei Analog-Digital-Wandlern (ADCs) und Finite-Impulsantwort- (FIR-) Filter umfasst. Ein analoges Eingangssignal wird einem ersten ADC zugeführt. Dasselbe Eingangssignal wird z. B. in einem System, das drei ADC's umfasst, mit einer Verzögerung um ein Drittel der Abtastzeit einem zweiten ADC und mit einer Verzögerung um ein weiteres Drittel der Abtastzeit einem dritten ADC zugeführt. Zur Korrektur einer Fehlanpassung werden die Ausgangswerte der in diesem Fall drei ADC's einem FIR Filter mit einer 3 × 3 Matrix eingespeist. Am Ausgang des FIR Filters stehen die bereinigten Messwerte zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung.DE 10 2005 039 684 A1 describes a system that includes delay elements, at least two analog-to-digital converters (ADCs) and finite impulse response (FIR) filters. An analog input signal is fed to a first ADC. The same input signal is z. B. in a system that comprises three ADCs, with a delay of a third of the sampling time to a second ADC and with a delay of a further third of the sampling time to a third ADC. To correct a mismatch, the output values of the three ADCs in this case are fed into an FIR filter with a 3 × 3 matrix. The adjusted measured values are available for further processing at the output of the FIR filter.
Die US 7,541,958 B2 offenbart eine Technik zur Reduzierung von Fehlern in einem parallelen, zeitverschachtelten Analog-Digital-Wandler (PTIC).
Die US 2011/0006933 A1 beschreibt einen Analog-Digital-Wandler System bestehend aus mehreren zeitverschachtelt arbeitenden Analog-Digital-Wandlern mit einstellbaren Verzögerungs-elementen und einer Schätzeinheit. Die Schätzeinheit ist mit jedem der einstellbaren Verzögerungselemente und jedem der ADCs gekoppelt, um die einstellbaren Verzögerungselemente anzupassen, um eine Differenzen in der Verzögerung de Abtastzeitpunkte zwischen den ADCs auszugleichen.US 2011/0006933 A1 describes an analog-digital converter system consisting of several time-interleaved analog-digital converters with adjustable delay elements and an estimation unit. The estimation unit is coupled to each of the adjustable delay elements and to each of the ADCs in order to adapt the adjustable delay elements in order to compensate for differences in the delay of the sampling times between the ADCs.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren und ein System zur exakten Kompensation von Fehlanpassungen in der Übertragungsfunktion zwischen mehreren jeweils zeitlich versetzt abtastenden Analog-Digital-Wandlern zu schaffen.The object of the invention is therefore to create a method and a system for the exact compensation of mismatches in the transfer function between a plurality of analog-to-digital converters, each of which is sampled at different times.
Die Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Kompensation von Fehlanpassungen in der Übertragungsfunktion zwischen mehreren jeweils zeitlich versetzt zueinander abtastenden Analog-Digital-Wandlern mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein erfindungsgemäßes System von mehreren Analog-Digital-Wandlern und nachgeschalteten Kompensationsfiltern mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte technische Erweiterungen sind in den jeweils abhängigen Patentansprüchen aufgeführt.The object is achieved by a method according to the invention for compensating mismatches in the transfer function between several analog-to-digital converters, each scanning at different times, with the features of
Erfindungsgemäß werden die Parameter der einzelnen Kompensationsfilter vorab mittels Minimierung einer Kostenfunktion auf der Basis des kleinsten Fehlerquadrate-Kriteriums ermittelt. Die Minimierung der Kostenfunktion stellt hierbei eine Identität zwischen den Übertragungsfunktionen von jeweils mindestens zwei Analog-Digital-Wandlern her.According to the invention, the parameters of the individual compensation filters are determined in advance by minimizing a cost function on the basis of the least squares criterion. The minimization of the cost function creates an identity between the transfer functions of at least two analog-to-digital converters.
Die Übertragungsfunktion jedes einzelnen Analog-Digital-Wandlers wird bevorzugt durch ein digitales Filter von erster Ordnung mit einer unendlichen Länge der Impulsantwort modelliert und im Hinblick auf die Minimierung der Kostenfunktion für mehrere Frequenzen gemessen.The transfer function of each individual analog-to-digital converter is preferably modeled by a digital filter of first order with an infinite length of the impulse response and measured for several frequencies with a view to minimizing the cost function.
Das zum jeweiligen Analog-Digital-Wandler gehörige Kompensationsfilter ist in den ersten beiden Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Parameteroptimierung bevorzugt ein digitales Filter von erster Ordnung mit einer endlichen Länge der Impulsantwort und ist idealerweise invers zum digitalen Filter des zugehörigen Analog-Digital-Wandlers. Der zu bestimmende Parameter des jeweiligen Kompensationsfilters ist der Gewichtungsfaktor des digitalen Filters. Während in einer ersten beispielsweisen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Parameteroptimierung mittels Minimierung der Kostenfunktion der Unterschied zwischen den Übertragungsfunktionen von jeweils zwei Analog-Digital-Wandler-Kanälen minimiert wird, wird in einer zweiten beispielsweisen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Parameteroptimierung mittels Minimierung der Kostenfunktion der Unterschied zwischen den betragsquadrierten Übertragungsfunktionen von jeweils zwei Analog-Digital-Wandler-Kanälen minimiert.In the first two embodiments of a parameter optimization according to the invention, the compensation filter belonging to the respective analog-digital converter is preferably a digital filter of the first order with a finite length of the impulse response and is ideally inverse to the digital filter of the associated analog-digital converter. The parameter to be determined for the respective compensation filter is the weighting factor of the digital filter. While in a first exemplary embodiment of the parameter optimization according to the invention by minimizing the cost function, the difference between the transfer functions of two analog-digital converter channels is minimized, in a second exemplary embodiment of the parameter optimization according to the invention by minimizing the cost function, the difference between the amount-squared transfer functions minimized by two analog-digital converter channels each.
In einer dritten beispielsweisen Ausführungsform einer Parameteroptimierung wird mittels Minimierung der Kostenfunktion der Unterschied zwischen den Übertragungsfunktionen der zu jeweils zwei Analog-Digital-Wandlern gehörigen Kompensationsfiltern erzielt, wobei jedes der beiden Kompensationsfilter jeweils ein digitales Filter der Ordnung L mit jeweils einer endlichen Länge der Impulsantwort darstellt. Die zu optimierenden Parameter des jeweiligen Kompensationsfilters sind somit insgesamt L Filterkoeffizienten.In a third exemplary embodiment of a parameter optimization, the difference between the transfer functions of the compensation filters belonging to two analog-digital converters is achieved by minimizing the cost function, each of the two compensation filters each representing a digital filter of the order L, each with a finite length of the impulse response . The parameters of the respective compensation filter to be optimized are thus a total of L filter coefficients.
Im Fall von breitbandigeren Signalen sind vorzugsweise mehr als zwei Analog-Digital-Wandler-Kanäle parallel geschaltet. Die Anzahl der zeitlich versetzt zueinander abtastenden Analog-Digital-Wandler ist hierbei bevorzugt eine ganzzahlige Zweierpotenz.In the case of broadband signals, more than two analog-digital converter channels are preferably connected in parallel. The number of analog-to-digital converters that are sampled at a time offset from one another is preferably an integer power of two.
In diesem Fall werden in einem ersten optimierenden Iterationsschritt die Fehlanpassungen in der Übertragungsfunktion zwischen jeweils zwei Analog-Digital-Wandlern kompensiert, indem die Filterkoeffizienten der zu jeweils zwei Analog-Digital-Wandlern jeweils gehörigen Teil-Kompensationsfilter z.B. nach einer der drei Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Parameteroptimierung optimiert werden.In this case, in a first optimizing iteration step, the mismatches in the transfer function between two analog-digital converters are compensated by adding the filter coefficients of the partial compensation filters belonging to two analog-digital converters, for example according to one of the three embodiments of a parameter optimization according to the invention be optimized.
In weiteren optimierenden Iterationsschritten werden vorzugsweise jeweils Fehlanpassungen in der Übertragungsfunktion zwischen jeweils einer nächsthöheren Zweierpotenz von Analog-Digital-Wandlern kompensiert, indem bevorzugt jeweils zwei Teilgruppen von Analog-Digital-Wandlern, deren Fehlanpassungen in der Übertragungsfunktion zueinander bereits mittels zweier hierfür optimierter Teil-Kompensationsfilter kompensiert sind, einer gemeinsamen Kompensation zugeführt werden.In further optimizing iteration steps, mismatches in the transfer function between the next higher power of two of analog-digital converters are compensated by preferably two subgroups of analog-digital converters whose mismatches in the transfer function to each other already by means of two partial compensation filters optimized for this are compensated, are fed to a common compensation.
Hierzu wird bevorzugt für jede Teilgruppe von Analog-Digital-Wandlern eine Summe von zu jedem einzelnen Analog-Digital-Wandler der Teilgruppe jeweils gehörigen Summanden gebildet. Jeder Summand enthält die Multiplikation der Übertragungsfunktion des einzelnen Analog-Digital-Wandler-Kanals mit den Übertragungsfunktionen aller in den bisherigen optimierenden Iterationsschritten jeweils ermittelten und zum einzelnen Analog-Digital-Wandler gehörigen Teil-Kompensationsfiltern für mehrere Frequenzen. Im jeweiligen optimierenden Iterationsschritt werden für jede der beiden Teilgruppen von Analog-Digital-Wandlern unter Anwendung einer der drei Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Parameteroptimierung die Filterkoeffizienten des zugehörigen Teil-Kompensationsfilters bestimmt.For this purpose, for each subgroup of analog-digital converters, a sum of summands belonging to each individual analog-digital converter of the subgroup is preferably formed. Each summand contains the multiplication of the transfer function of the individual analog-digital converter channel with the transfer functions of all partial compensation filters for several frequencies that have been determined in the previous optimizing iteration steps and belong to the individual analog-digital converter. In the respective optimizing iteration step, the filter coefficients of the associated partial compensation filter are determined for each of the two subgroups of analog-digital converters using one of the three embodiments of a parameter optimization according to the invention.
Die Filterkoeffizienten des zum jeweiligen Analog-Digital-Wandler gehörigen Kompensationsfilters ergeben sich bevorzugt durch Faltung der in den einzelnen optimierenden Iterationsschritten für den jeweiligen Analog-Digital-Wandler jeweils ermittelten Filterkoeffizienten der Teil-Kompensationsfilter.The filter coefficients of the compensation filter belonging to the respective analog-digital converter are preferably obtained by convolution of the filter coefficients of the partial compensation filters determined in the individual optimizing iteration steps for the respective analog-digital converter.
Da die Filterlänge des ermittelten Kompensationsfilters aufgrund der Faltung zu lang ist, wird ein zugehöriges Kompensationsfilter mit einer optimierten Filterlänge ermittelt, indem eine Kostenfunktion unter Anwendung des kleinsten Fehlerquadrate-Kriteriums minimiert wird. Die Kostenfunktion enthält hierzu Differenzen zwischen den ermittelten Fourier-transformierten Filterkoeffizienten des unverkürzten Kompensationsfilters und einer Referenz-Übertragungsfunktion des Kompensationsfilters mit optimierter Filterlänge für mehrere Frequenzen. Aus der Minimierung dieser Kostenfunktion können die Filterkoeffizienten eines Kompensationsfilters mit optimierter Filterlänge bestimmt werden.Since the filter length of the determined compensation filter is too long due to the convolution, an associated compensation filter with an optimized filter length is determined by minimizing a cost function using the least squares criterion. For this purpose, the cost function contains differences between the determined Fourier-transformed filter coefficients of the unabridged compensation filter and a reference transfer function of the compensation filter with an optimized filter length for several frequencies. The filter coefficients of a compensation filter with an optimized filter length can be determined from the minimization of this cost function.
Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Kompensation von Fehlanpassungen in der Übertragungsfunktion zwischen mehreren jeweils zeitlich versetzt zueinander abtastenden Analog-Digital-Wandlern und des erfindungsgemäßen Systems von mehreren Analog-Digital-Wandlern und nachgeschalteten Kompensationsfiltern wird im Folgenden anhand der Zeichnung im Detail beispielshaft erläutert. Die Figuren der Zeichnung zeigen:
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1A ,1B ein Blockdiagramm einer ersten und zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems von mehreren Analog-Digital-Wandlern und nachgeschalteten Kompensationsfiltern, -
2A ,2B ,2C ,2D ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Kompensation von Fehlanpassungen in der Übertragungsfunktion zwischen mehreren jeweils zeitlich versetzt zueinander abtastenden Analog-Digital-Wandlern unter Benutzung einer ersten, zweiten, dritten und vierten Ausführungsform einer Parameteroptimierung, -
3A ,3B ,3C ,3D eine spektrale Darstellung des Betrags und der Phase der Übertragungsfunktion eines ersten und zweiten Analog-Digital-Wandlers und des Betrags und der Phase des Verhältnisses der Übertragungsfunktionen zwischen ersten und zweiten Analog-Digital-Wandler, -
4A ,4B ,4C ,4D eine spektrale Darstellung des Betrags und der Phase der gestörten Übertragungsfunktionen des ersten und zweiten Analog-Digital-Wandler-Kanals und des Betrags und der Phase des Verhältnisses zwischen den gestörten Übertragungsfunktionen des ersten und zweiten Analog-Digital-Wandler-Kanals, -
5A ,5B ,5C ,5D eine spektrale Darstellung des Betrags und der Phase der kompensierten Übertragungsfunktionen des ersten und zweiten Analog-Digital-Wandler-Kanals, und des Betrags und der Phase des Verhältnisses zwischen den kompensierten Übertragungsfunktionen des ersten und zweiten Analog-Digital-Wandler-Kanals bei Anwendung der ersten Ausführungsform einer Parameteroptimierung, -
6A ,6B ,6C ,6D eine spektrale Darstellung des Betrags und der Phase der kompensierten Übertragungsfunktionen des ersten und zweiten Analog-Digital-Wandler-Kanals, und des Betrags und der Phase des Verhältnisses zwischen den kompensierten Übertragungsfunktionen des ersten und zweiten Analog-Digital-Wandler-Kanals bei Anwendung der zweiten Ausführungsform einer Parameteroptimierung, -
7A ,7B ,7C ,7D eine spektrale Darstellung des Betrags und der Phase der kompensierten Übertragungsfunktionen des ersten und zweiten Analog-Digital-Wandler-Kanals, und des Betrags und der Phase des Verhältnisses zwischen den kompensierten Übertragungsfunktionen des ersten und zweiten Analog-Digital-Wandler-Kanals bei Anwendung der dritten Ausführungsform einer Parameteroptimierung, -
8A ,8B ,8C ,8D eine spektrale Darstellung des Betrags und der Phase der gestörten Übertragungsfunktionen eines ersten, zweiten, dritten und vierten Analog-Digital-Wandler-Kanals und des Betrags und der Phase des Verhältnisses zwischen den gestörten Übertragungsfunktionen des zweiten, dritten und vierten Analog-Digital-Wandler-Kanals zum ersten Analog-Digital-Wandler-Kanal und -
9A ,9B ,9C ,9D eine spektrale Darstellung des Betrags und der Phase des Verhältnisses zwischen den kompensierten Übertragungsfunktionen des zweiten, dritten und vierten Analog-Digital-Wandler-Kanals und dem ersten Analog-Digital-Wandler-Kanal bei Anwendung der vierten Ausführungsform einer Parameteroptimierung.
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1A ,1B a block diagram of a first and second embodiment of the system according to the invention of several analog-digital converters and downstream compensation filters, -
2A ,2 B ,2C ,2D a flowchart of the method according to the invention for compensating for mismatches in the transfer function between a plurality of analog-to-digital converters, each sampling with a time offset from one another, using a first, second, third and fourth embodiment of a parameter optimization, -
3A ,3B ,3C ,3D a spectral representation of the amount and the phase of the transfer function of a first and second analog-to-digital converter and of the amount and the phase of the ratio of the transfer functions between the first and second analog-to-digital converter, -
4A ,4B ,4C ,4D a spectral representation of the amount and the phase of the disturbed transfer functions of the first and second analog-to-digital converter channels and of the amount and the phase of the ratio between the disturbed transfer functions of the first and second analog-to-digital converter channels, -
5A ,5B ,5C ,5D a spectral representation of the magnitude and phase of the compensated transfer functions of the first and second analog-to-digital converter channels, and of the magnitude and phase of the ratio between the compensated transfer functions of the first and second analog-to-digital converter channels when using the first Embodiment of a parameter optimization, -
6A ,6B ,6C ,6D a spectral representation of the magnitude and phase of the compensated transfer functions of the first and second analog-to-digital converter channels, and of the magnitude and phase of the ratio between the compensated transfer functions of the first and second analog-to-digital converter channels when the second is used Embodiment of a parameter optimization, -
7A ,7B ,7C ,7D a spectral representation of the magnitude and phase of the compensated transfer functions of the first and second analog-to-digital converter channels, and of the magnitude and phase of the ratio between the compensated transfer functions of the first and second analog-to-digital converter channels when using the third Embodiment of a parameter optimization, -
8A ,8B ,8C ,8D a spectral representation of the amount and the phase of the disturbed transfer functions of a first, second, third and fourth analog-to-digital converter channel and of the amount and the phase of the ratio between the disturbed transfer functions of the second, third and fourth analog-to-digital converter Channel to the first analog-to-digital converter channel and -
9A ,9B ,9C ,9D a spectral representation of the magnitude and the phase of the relationship between the compensated transfer functions of the second, third and fourth analog-digital converter channels and the first analog-digital converter channel when using the fourth embodiment of a parameter optimization.
Im Folgenden werden zunächst die für das Verständnis der Erfindung erforderlichen mathematischen Grundlagen erläutert.In the following, the mathematical fundamentals required to understand the invention are first explained.
Ein Analog-Digital-Wandler besteht im Wesentlichen aus einem Abtast- und Halteglied und einem nachgeschalteten Pegelquantisierer. Bei Fehlanpassung zwischen der Eingangsimpedanz des Pegelquantisierers und der Impedanz der Verbindungsleitung sowie bei Fehlanpassung zwischen der Ausgangsimpedanz des Abtast- und Haltegliedes und der Impedanz der Verbindungsleitung kommt es zu Reflexionen am Pegelquantisierer bzw. am Abtast- und Halteglied.An analog-to-digital converter essentially consists of a sample and hold element and a downstream level quantizer. If there is a mismatch between the input impedance of the level quantizer and the impedance of the connecting line and if there is a mismatch between the output impedance of the sample and hold element and the impedance of the connection line, reflections occur at the level quantizer or the sample and hold element.
Ist die Laufzeit TLaufzeit gemäß Gleichung (1) ein ganzzahliges Vielfaches der Abtastzeit Ta,ADC' so fällt das reflektierte Signal phasensynchron mit dem abzutastenden Signal in das Abtast- und Halteglied ein und wird phasensynchron zusammen mit dem abzutastenden Signal abgetastet.
Unter dieser Voraussetzung kann das Übertragungsverhalten des Analog-Digital-Wandlers im Kanal i durch ein Verzögerungsglied erster Ordnung mit der Übertragungsfunktion Hi(f / fa) gemäß Gleichung (2) mit der Verzögerung D und dem Verstärkungsfaktor gi - entsprechend einem digitalen Filter mit unendlicher Impulslänge (englisch: Infinite-Impulse-Response(IIR)-Filter) beschrieben werden. Die Frequenz f wird hierbei auf die Abtastfrequenz fa normiert.
Das zugehörige Kompensationsfilter weist somit eine zur Übertragungsfunktion Hi(f / fa) des Analog-Digital-Wandlers invertierte Übertragungsfunktion Hequi(f / fa) gemäß Gleichung (3) auf, das der Übertragungsfunktion eines digitalen Filters der ersten Ordnung mit endlicher Impulslänge (englisch: Finite-Impulse-Response(FIR)-Filter) entspricht.
Werden zwei Analog-Digital-Wandler parallel geschaltet, die jeweils unterschiedliche Übertragungsfunktionen Hi(f / fa) aufweisen, so müssen die Übertragungsfunktionen Hequi(f / fa) der jeweils zugehörigen Kompensationsfilter für jeden Analog-Digital-Wandler-Kanal bestimmt werden. Zur Vereinfachung des Optimierungsproblems wird die Verzögerung D als bekannt vorausgesetzt und werden die beiden Verstärkungsfaktoren ĝ0 und ĝ1 mittels Minimierung einer Kostenfunktion K bestimmt.If two analog-digital converters are connected in parallel, each of which has different transfer functions H i (f / f a ), the transfer functions H equi (f / f a ) of the associated compensation filter must be determined for each analog-digital converter channel become. To simplify the optimization problem, the delay D is assumed to be known and the two gain factors ĝ 0 and ĝ 1 are determined by minimizing a cost function K.
Zur Bestimmung der Kostenfunktion K werden in einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Parameteroptimierung die zu den beiden Analog-Digital-Wandler-Kanälen jeweils gehörigen Übertragungsfunktionen H̃i(f / fa) zwischen dem Eingang des Front-Ends und dem Ausgang des Analog-Digital-Wandlers gemäß Gleichung (4) für verschiedene Frequenzen f / fa gemessen. Anschließend wird das Verhältnis H (f / fa) zwischen der gemessenen Übertragungsfunktion H̃(f / fa) des ersten Analog-Digital-Wandler-Kanals und der gemessenen Übertragungsfunktion H̃1(f / fa) des zweiten Analog-Digital-Wandler-Kanals für verschiedene Frequenzen f / fa gemäß Gleichung (5) ermittelt. In Gleichung (5) ist berücksichtigt, dass die Übertragungsfunktion des zu einem Analog-Digital-Wandler-Kanal gehörigen Kompensationsfilters idealerweise invertiert zur Übertragungsfunktion des zugehörigen Analog-Digital-Wandler-Kanals ist.
Eine idealerweise vorhandene Identität zwischen den Übertragungsfunktionen H̃0(f / fa) und H̃1(f / fa) führt zu einem Verhältnis H (f / fa) von Eins. Auf der Basis dieser Bedingung ergibt sich ausgehend von Gleichung (5) unter Anwendung des kleinsten Fehlerquadrate-Kriteriums eine Beziehung für die Kostenfunktion K gemäß Gleichung (6).
Die Kostenfunktion K lässt sich ausgehend von Gleichung (6) in allgemeiner Schreibweise gemäß Gleichung (7) darstellen, wobei sich die Koeffizienten in der linksseitigen Spalte der Matrix A gemäß Gleichung (8), die Koeffizienten in der rechtsseitigen Spalte der Matrix A gemäß Gleichung (9), die Koeffizienten des Vektors b gemäß Gleichung (10) und der Vektor ĝ der Verstärkungsfaktoren gemäß Gleichung (11) ergeben:
Der Vektor ĝ der Verstärkungsfaktoren lässt sich durch Differenzieren der Kostenfunktion K nach dem Vektor ĝ und anschließendem Nullsetzen ermitteln und ergibt sich gemäß Gleichung (12) mit der Matrix à gemäß Gleichung (13) und dem Vektor b̃ gemäß Gleichung (14).
In einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Parameteroptimierung wird zur Bestimmung der Kostenfunktion K das betragsquadrierte Verhältnis |H (f / fa)|2 zwischen der betragsquadrierten gemessenen Übertragungsfunktion H̃1(f / fa) des ersten Analog-Digital-Wandler-Kanals und der betragsquadrierten gemessenen Übertragungsfunktion H̃1(f / fa) des zweiten Analog-Digital-Wandler-Kanals gemäß Gleichung (15) ermittelt.
Eine idealerweise vorhandene Identität zwischen den betragsquadrierten Übertragungsfunktionen |H̃0(f / fa|2 und |H1(f / fa)|2 führt zu einem Verhältnis |H (f / fa)|2 von Eins. Auf der Basis dieser Bedingung ergibt sich ausgehend von Gleichung (15) unter Anwendung des kleinsten Fehlerquadrate-Kriteriums eine Beziehung für die Kostenfunktion K in der zweiten Ausführungsform der Erfindung gemäß Gleichung (16).
Die Kostenfunktion K gemäß Gleichung (16) stellt ein nichtlineares Optimierungsproblem dar. Dieses nichtlineare Optimierungsproblem lässt sich numerisch beispielsweise mit dem „Vertrauensbereich-Ansatz" nach Coleman lösen.The cost function K according to equation (16) represents a non-linear optimization problem. This non-linear optimization problem can be solved numerically, for example, with the Coleman “confidence range approach”.
In einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Parameteroptimierung wird für jeden Analog-Digital-Wandler-Kanal ein Kompensationsfilter ermittelt, das als digitales Filter der Ordnung L mit einer endlichen Impulsantwortlänge realisiert ist und eine zur gemessenen Übertragungsfunktion H̃i(f / fa) invertierte Übertragungsfunktion Hequi (f / fa aufweist. Das Verhältnis H (f / fa) zwischen der gemessenen Übertragungsfunktion H̃1(f / fa) des ersten Analog-Digital-Wandler-Kanals und der gemessenen Übertragungsfunktion H̃1 (f / fa) des zweiten Analog-Digital-Wandler-Kanals ergibt sich somit gemäß Gleichung (17).
Eine idealerweise vorhandene Identität zwischen den gemessenen Übertragungsfunktionen H̃1(f / fa) des ersten Analog-Digital-Wandler-Kanals und H̃1(f / fa) des zweiten Analog-Digital-Wandler-Kanals führt zu einem Verhältnis H (f / fa) von Eins. Mit dieser Bedingung ergibt sich die Kostenfunktion K unter Anwendung des kleinsten Fehlerquadrate-Kriteriums gemäß Gleichung (18).
Auch für die Kostenfunktion K gemäß Gleichung (18) ergibt sich eine allgemeinere Schreibweise gemäß Gleichung (19) mit den Koeffizienten in den linksseitigen Spalten der Matrix A gemäß Gleichung (20), den Koeffizienten in den rechtsseitigen Spalten der Matrix A gemäß Gleichung (21), den Koeffizienten des Vektors b gemäß Gleichung (22) und den zu bestimmenden Vektor ĥ der Filterkoeffizienten gemäß Gleichung (23).
Der Vektor ĥ der Filterkoeffizienten lässt sich durch Differenzieren der Kostenfunktion K nach dem Vektor ĥ und anschließendem Nullsetzen ermitteln und ergibt sich gemäß Gleichung (24) mit der Matrix à gemäß Gleichung (25) und dem Vektor b̃ gemäß Gleichung (26).
Werden mehr als zwei Analog-Digital-Wandler parallel geschaltet, so ist es sinnvoll, eine ganzzahlige Zweierpotenz von Analog-Digital-Wandlern parallel zu schalten. In diesem Fall werden in einem ersten Schritt die Teil-Kompensationsfilter zu jeweils zwei Analog-Digital-Wandlern mit ihren Filterkoeffizienten hinsichtlich einer Kompensation von Fehlanpassungen zwischen deren Übertragungsfunktionen bestimmt. Hierzu kann eines der drei obig beschriebenen Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Parameteroptimierung verwendet werden.If more than two analog-digital converters are connected in parallel, it makes sense to connect an integer power of two of analog-digital converters in parallel. In this case, in a first step, the partial compensation filters for two analog-digital converters are determined with their filter coefficients with regard to a compensation of mismatches between their transfer functions. One of the three above-described embodiments of a parameter optimization according to the invention can be used for this purpose.
Im nächsten Schritt werden weitere Teil-Kompensationsfilter für eine Kompensation von Fehlanpassungen in der Übertragungsfunktion zwischen zwei Paaren von jeweils zwei Analog-Digital-Wandler-Kanälen bestimmt, deren Fehlanpassungen in der Übertragungsfunktion mittels jeweils eines im ersten Iterationsschritt optimierten Teil-Kompensationsfilters bereits kompensierbar sind.In the next step, further partial compensation filters are determined to compensate for mismatches in the transfer function between two pairs of two analog-digital converter channels, whose mismatches in the transfer function can already be compensated for by means of a partial compensation filter optimized in the first iteration step.
Hierzu werden die im ersten Schritt bereits für das Paar von Analog-Digital-Wandler-Kanälen 1 und 2 jeweils ermittelten Übertragungsfunktionen HEqu1 (f / fa) und HEqu2(f / fa) der zugehörigen Teil-Kompensationsfilter mit den gemessenen Übertragungsfunktionen H̃1(f / fa) und H̃1(f / fa) der zugehörigen Analog-Digital-Wandler-Kanäle multipliziert und miteinander addiert und die ebenfalls im ersten Schritt bereits für das Paar von Analog-Digital-Wandler-Kanälen 3 und 4 jeweils ermittelten Übertragungsfunktionen HEqu3 (f / fa) und HEqu4 (f /fa) der zugehörigen Teil-Kompensationsfilter mit den gemessenen Übertragungsfunktionen H̃3(f / fa) und H̃4(f / fa) der zugehörigen Analog-Digital-Wandler-Kanäle multipliziert und miteinander addiert und gemäß Gleichung (27) das Verhältnis H (f / fa) zwischen den beiden Summen berechnet.
Mittels eines der drei obig vorgestellten Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Parameteroptimierung werden die Filterkoeffizienten der zu den beiden Paaren von jeweils zwei Analog-Digital-Wandlern jeweils gehörigen Teil-Kompensationsfilter HEqu10 (f / fa) und HEqu11 (f / fa) bestimmt. Using one of the three embodiments of a parameter optimization according to the invention presented above, the filter coefficients of the partial compensation filters H Equ10 (f / f a ) and H Equ11 (f / f a ) belonging to the two pairs of two analog-to-digital converters are determined.
Mittels Faltung der im ersten und zweiten Iterationsschritt jeweils ermittelten Filterkoeffizienten ĥEqu00 (k), ĥEqu01 (k), ĥEqu02 (k), ĥEqu03 (k), ĥEqu10 (k) und ĥEqu11 (k) gemäß Gleichung (28A) bis (28D) können die Filterkoeffizienten der zu jedem der vier Analog-Digital-Wandler-Kanäle jeweils gehörigen Kompensationsfilter ermittelt werden.
Werden mehr als vier Analog-Digital-Wandler parallel geschaltet, so werden in folgenden Iterationsschritten jeweils für jeweils zwei Teil-Gruppen von Analog-Digital-Wandlern, die hinsichtlich von Fehlanpassungen in der Übertragungsfunktion durch zwei im vorherigen Iterationsschritt ermittelte Teil-Kompensationsfilter zueinander kompensiert sind, die zugehörigen Teil-Kompensationsfilter bestimmt, die Fehlanpassungen in der Übertragungsfunktion zwischen den Analog-Digital-Wandlern der beiden Teil-Gruppen kompensieren.If more than four analog-to-digital converters are connected in parallel, then in the following iteration steps for two sub-groups of analog-to-digital converters each, which are compensated for mismatches in the transfer function by two partial compensation filters determined in the previous iteration step , the associated partial compensation filter determines the mismatches in the transfer function between the analog-to-digital converters of the two sub-groups.
Hierzu wird für die beiden Teil-Gruppen von Analog-Digital-Wandlern in Anlehnung an Gleichung (27) ein Verhältnis zwischen zwei Summen gebildet, wobei jede Summe jeweils für eine Teil-Gruppe von Analog-Digital-Wandlern gebildet wird. Jede Summe ergibt sich aus einem Summanden für jeden einzelnen Analog-Digital-Wandler aus der jeweiligen Teil-Gruppe von Analog-Digital-Wandlern. Jeder Summand wiederum wird aus der Gewichtung der Übertragungsfunktion des jeweiligen Analog-Digital-Wandler-Kanales mit den Übertragungsfunktionen aller in den bisherigen Iterationsschritten für den jeweiligen Analog-Digital-Wandler jeweils ermittelten Teil-Kompensationsfiltern ermittelt.For this purpose, a ratio between two sums is formed for the two sub-groups of analog-digital converters based on equation (27), each sum being formed for a sub-group of analog-digital converters. Each sum results from a summand for each individual analog-digital converter from the respective sub-group of analog-digital converters. Each summand is in turn determined from the weighting of the transfer function of the respective analog-digital converter channel with the transfer functions of all partial compensation filters determined in the previous iteration steps for the respective analog-digital converter.
Auf der Basis dieses Verhältnisses werden für jede Gruppe von Analog-Digital-Wandlern unter Anwendung beispielsweise einer der drei obig vorgestellten Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Parameteroptimierung die Filterkoeffizienten von jeweils zwei Teil-Kompensationsfiltern bestimmt.On the basis of this ratio, the filter coefficients of two partial compensation filters are determined for each group of analog-digital converters using, for example, one of the three embodiments of a parameter optimization according to the invention presented above.
Da die Anzahl von Filterkoeffizienten - d.h. die Filterlänge - der einzelnen Kompensationsfilter aufgrund der Faltung gegenüber der Filterlänge der Teil-Kompensationsfilter erhöht ist, ist eine Verkürzung der Filterlänge erforderlich. Hierzu wird eine Kostenfunktion K minimiert, indem auf der Basis des kleinsten Fehlerquadrate-Kriteriums die Differenz zwischen den ermittelten und Fourier-transformierten Filterkoeffizienten ĥEqui (k) eines Kompensationsfilters i mit zu langer Filterlänge und der vorzugebenden Übertragungsfunktion HEqui (Ref)(f / fa) eines zugehörigen Kompensationsfilters i mit optimaler Filterlänge gemäß Gleichung (29) minimiert wird.
Die Kostenfunktion K gemäß Gleichung (29) kann wiederum in einer allgemeineren Schreibweise gemäß Gleichung (30) mit der Matrix A f/f
b f/fa gemäß Gleichung (31) und dem ermittelten Vektor ĥ Equi mit den Filterkoeffizienten des Kompensationsfilters i dargestellt werden.
Der Vektor ĥ Equi der Filterkoeffizienten lässt sich durch Differenzieren der Kostenfunktion K nach dem Vektor ĥ Equi und anschließendes Nullsetzen ermitteln und ergibt sich gemäß Gleichung (33) mit der Matrix à gemäß Gleichung (34) und dem Vektor b̃ gemäß Gleichung (35).
Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Kompensation von Fehlanpassungen in der Übertragungsfunktion zwischen mehreren jeweils zeitlich versetzt zueinander abtastenden Analog-Digital-Wandlern unter Berücksichtigung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Parameteroptimierung im Detail anhand des Flussdiagrammes in
Das im Flussdiagramm der
Im einem derartigen erfindungsgemäßen System von mehreren Analog-Digital-Wandlern und nachgeschalteten Kompensationsfiltern wird ein in einem digitalen Oszilloskop zu messendes Eingangssignal x(t) einem analogen Front-End (Eingangsbereich) 1 mit der Übertragungsfunktion Ha(f / fa) zugeführt. In diesem Front-End 1 erfolgt typischerweise eine Eingangsverstärkung und eine Filterung des zu messenden Eingangssignals x(t).In such a system according to the invention of several analog-to-digital converters and downstream compensation filters, an input signal x (t) to be measured in a digital oscilloscope is fed to an analog front end (input area) 1 with the transfer function H a (f / f a). Input amplification and filtering of the input signal x (t) to be measured typically take place in this
Das Signal am Ausgang des Front-Ends 1 wird jeweils zwei zeitlich versetzt zueinander abtastenden Analog-Digital-Wandler 20 und 21 parallel zugeführt. Um die zeitlich versetzte Abtastung zwischen den beiden Analog-Digital-Wandlern 20 und 21 zu realisieren, wird das Signal am Ausgang des Front-Ends 1, bevor es dem Analog-Digital-Wandler 21 beaufschlagt wird, einem Verzögerungsglied 6 zugeführt, das eine Verzögerung des Signals um eine halbe Abtastperiode Ta/2 realisiert.The signal at the output of the
Jeder Analog-Digital-Wandler 20 und 21 besteht aus einem in
Das stochastische Übertragungsverhalten im gesamten Analog-Digital-Wandler-Kanal - beispielsweise das thermische Verstärkerrauschen im Front-End 1 oder das Quantisierungsrauschen im Pegelquantisierer des Analog-Digital-Wandlers 20 und 21 - wird durch das Rauschsignal n0 (t / Ta) im Fall des Analog-Digital-Wandler-Kanals 20 und durch das Rauschsignal n1 (t / Ta) im Fall des Analog-Digital-Wandler-Kanals 21 beschrieben, die jeweils durch ein Summationsglied 30 bzw. 31 dem analog-digital-gewandelten Signal überlagert werden.The stochastic transmission behavior in the entire analog-digital converter channel - for example the thermal amplifier noise in the
In einem sich jeweils anschließenden Kompensationsfilter 40 bzw. 41 mit der Übertragungsfunktion HEqu0 (f / fa) bzw. HEqu1 (f / fa) werden Fehlanpassungen zwischen den Übertragungsfunktionen H0(f / fa) bzw. H1(f / fa) des ersten Analog-Digital-Wandler-Kanals 20 und des zweiten Analog-Digital-Wandler-Kanals 21 kompensiert.In a subsequent compensation filter 4 0 or 4 1 with the transfer function H Equ0 (f / f a ) or H Equ1 (f / f a ), there are mismatches between the transfer functions H 0 (f / f a ) and H 1 (f / f a ) of the first analog-
Die Ausgangssignale y0 (t / Ta) bzw. y1 (t / Ta) der beiden Kompensationsfilter 40 bzw. 41 weisen somit jeweils eine Sequenz von Abtastwerten des ursprünglichen zu messenden Eingangssignals x(t) auf, wobei die Abtastwerte des Ausgangssignals y1 {t / Ta) die um eine halbe Abtastperiode Ta/2 zeitlich verzögerten Abtastwerte des zu messenden Eingangssignals x(t) und die Abtastwerte des Ausgangssignals y0 (t / Ta) die nicht-verzögerten Abtastwerte des zu messenden Eingangssignals x(t) enthalten. Da die Abtast- und Halteglieder beider Analog-Digital-Wandler 20 und 21 jeweils mit der Abtastperiode Ta abtasten, wird durch die Parallelisierung der Analog-Digital-Wandelung und durch eine anschließende Zusammenführung der kompensierten Abtastwerte in einem Summationsglied 5 eine Sequenz von Abtastwerten erzeugt, die in der halben Abtastperiode Ta/2 aufeinanderfolgen und somit eine Verdoppelung der Abtastfrequenz verwirklichen.The output signals y 0 (t / T a ) and y 1 (t / T a ) of the two
Im ersten Verfahrensschritt S10 des erfindungsgemäßen Verfahrens der
Außerdem wird im ersten Verfahrensschritt S10 das Verhältnis H(f / fa) zwischen der gemessenen Übertragungsfunktion H̃0 (f / fa) des ersten Analog-Digital-Wandler-Kanales und der gemessenen Übertragungsfunktion H̃1(f / fa) des zweiten Analog-Digital-Wandler-Kanales bei den einzelnen Messfrequenzen f / fa ermittelt.In addition, in the first method step S10, the ratio H (f / f a ) between the measured transfer function H̃ 0 (f / f a ) of the first analog-to-digital converter channel and the measured transfer function H̃ 1 (f / f a ) of the second Analog-digital converter channel determined at the individual measurement frequencies f / f a.
Im nächsten Verfahrensschritt S20 wird die linkseitige und die rechtsseitige Spalte der Matrix A entsprechend der Gleichungen (8) und (9) aus den für die einzelnen Messfrequenzen f / fa jeweils ermittelten Verhältnissen H (f / fa) und den für die einzelnen Messfrequenzen f / fa jeweils ermittelten komplexen Variablen e-j2πf/f
Außerdem werden im selben Verfahrensschritt S20 die Elemente des Vektors b entsprechend Gleichung (10) aus den für die einzelnen Messfrequenzen f / fa jeweils ermittelten Verhältnissen H(f / fa) bestimmt.In addition, in the same method step S20, the elements of the vector b are determined in accordance with equation (10) from the ratios H (f / f a ) determined in each case for the individual measurement frequencies f / f a.
Im selben Verfahrensschritt S20 werden die Elemente der Matrix à gemäß Gleichung (12) aus den Elementen der Matrix A und die Elemente des Vektors b̃ gemäß Gleichung (13) aus den Elementen der Matrix A und des Vektors b bestimmt.In the same method step S20, the elements of the matrix à according to equation (12) are determined from the elements of the matrix A and the elements of the vector b̃ according to equation (13) are determined from the elements of the matrix A and the vector b .
Mithilfe der in Verfahrensschritt S20 ermittelten Matrix à und des in Verfahrensschritt S20 ermittelten Vektors b̃ werden im darauffolgenden Verfahrensschritt S30 die Gewichtungsfaktoren ĝ für die als digitale Filter erster Ordnung mit endlicher Impulsantwortlänge realisierten beiden Kompensationsfilter 40 und 41 gemäß Gleichung (12) bestimmt. Für die dabei erforderliche Invertierung der Matrix à können gängige numerische Verfahren zur Matrixinversion zum Einsatz kommen. Using the matrix à determined in method step S20 and the vector b̃ determined in method step S20, the weighting factors ĝ for the two compensation filters 4 0 and 4 1 implemented as first-order digital filters with finite impulse response length are determined in accordance with equation (12). Conventional numerical methods for matrix inversion can be used for the necessary inversion of the matrix Ã.
Im abschließenden Verfahrensschritt S40 werden die beiden in den einzelnen Analog-Digital-Wandlern 21 bzw. 22 jeweils analog-digital-gewandelten Signale in den jeweils zugeordneten Kompensationsfilter 41 bzw. 42 hinsichtlich der Fehlanpassungen in der Übertragungsfunktion zueinander kompensiert. Die kompensierten Abtastwerte der beiden Analog-Digital-Wandler-Kanäle werden schließlich in einem nachfolgenden Summationsglied 5 zusammengefügt.In the final method step S40, the two analog-digital-converted signals in the individual analog-to-
Während die Verfahrensschritte S10 bis S30 vorab in einer Kalibrierungsphase durchgeführt werden, wird der Verfahrensschritt S40 kontinuierlich während der Messung des Signals x(t) mithilfe des digitalen Oszilloskops durchgeführt.While method steps S10 to S30 are carried out in advance in a calibration phase, method step S40 is carried out continuously while the signal x (t) is being measured with the aid of the digital oscilloscope.
In den
Aus den
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Aus den
In den
Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Kompensation von Fehlanpassungen in der Übertragungsfunktion zwischen mehreren jeweils zeitlich versetzt zueinander abtastenden Analog-Digital-Wandlern unter Berücksichtigung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Parameteroptimierung im Detail anhand des Flussdiagrammes in
Im ersten Verfahrensschritt S100 werden die beiden Gewichtungsfaktoren ĝ0 und ĝ1 der als FIR-Filter jeweils realisierten Kompensationsfilter 40 und 41 mittels numerischen Minimierens der Kostenfunktion K gemäß Gleichung (16) mithilfe eines numerischen Optimierungsverfahrens bestimmt. Als Minimierungsverfahren ist das Vertrauensbereich-Verfahren (englisch: Trust-Region-Verfahren) nach Coleman bevorzugt zu verwenden. Alternativ können auch andere numerische Minimierungsverfahren zur Anwendung kommen und sind von der Erfindung mit abgedeckt.In the first method step S100, the two weighting factors ĝ 0 and ĝ 1 of the compensation filters 4 0 and 4 1 implemented as FIR filters are determined by numerically minimizing the cost function K according to equation (16) with the aid of a numerical optimization method. The Coleman trust region method is the preferred minimization method. Alternatively, other numerical minimization methods can also be used and are also covered by the invention.
Im nächsten Verfahrensschritt S110 werden die beiden in den einzelnen Analog-Digital-Wandlern 20 bzw. 21 analog-digital-gewandelten Signale in den jeweils zugeordneten Kompensationsfiltern 40 bzw. 41 hinsichtlich der Fehlanpassungen in der Übertragungsfunktion zueinander kompensiert. Die kompensierten Abtastwerte der beiden Analog-Digital-Wandler-Kanäle werden schließlich in einem nachfolgenden Summationsglied 5 zusammengefügt. Während der Verfahrensschritt S100 vorab in einer Kalibrierungsphase durchgeführt wird, wird der Verfahrensschritt S110 kontinuierlich während der Messung des Signals x(t) mithilfe des digitalen Oszilloskops durchgeführt.In the next method step S110, the two analog-digital-converted signals in the individual analog-digital converters 2 0 and 2 1 are compensated for with respect to the mismatches in the transfer function in the respectively assigned
In den
Aus den
Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Kompensation von Fehlanpassungen in der Übertragungsfunktion zwischen mehreren jeweils zeitlich versetzt zueinander abtastenden Analog-Digital-Wandlern unter Berücksichtigung einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Parameteroptimierung im Detail anhand des Flussdiagrammes in
Im ersten Verfahrensschritt S200 des erfindungsgemäßen Verfahrens in
Außerdem wird im ersten Verfahrensschritt S200 das Verhältnis H(f / fa) zwischen der gemessenen Übertragungsfunktion H̃0 (f / fa) des ersten Analog-Digital-Wandler-Kanales und der gemessenen Übertragungsfunktion H̃1(f / fa) des zweiten Analog-Digital-Wandler-Kanales bei den einzelnen Messfrequenzen f / fa ermittelt.In addition, in the first method step S200, the ratio H (f / f a ) between the measured transfer function H des 0 (f / f a ) of the first analog-digital converter channel and the measured transfer function H̃ 1 (f / f a ) of the second Analog-digital converter channel determined at the individual measurement frequencies f / f a.
Im nächsten Verfahrensschritt S210 wird die linkseitigen und die rechtsseitigen Spalten der Matrix A entsprechend den Gleichungen (20) und (21) aus den für die einzelnen Messfrequenzen f / fa jeweils ermittelten Verhältnissen H (f / fa) und den für die einzelnen Messfrequenzen f / fa jeweils ermittelten komplexen Variablen e-j2πf/f
Außerdem werden im selben Verfahrensschritt S210 die Elemente des Vektors b entsprechend Gleichung (22) aus den für die einzelnen Messfrequenzen f / fa jeweils ermittelten Verhältnissen H(f / fa) bestimmt.In addition, in the same method step S210, the elements of the vector b are determined in accordance with equation (22) from the ratios H (f / f a ) determined in each case for the individual measurement frequencies f / f a.
Im selben Verfahrensschritt S210 werden die Elemente der Matrix à gemäß Gleichung (25) aus den Elementen der Matrix A und die Elemente des Vektors b̃ gemäß Gleichung (26) aus den Elementen der Matrix A und des Vektors b bestimmt.In the same method step S210, the elements of the matrix à according to equation (25) are determined from the elements of the matrix A and the elements of the vector b̃ according to equation (26) from the elements of the matrix A and the vector b .
Mithilfe der in Verfahrensschritt S210 ermittelten Matrix à und des in Verfahrensschritt S210 ermittelten Vektors b̃ werden im darauffolgenden Verfahrensschritt S220 die Filterkoeffizienten ĥ der beiden Kompensationsfilter 40 und 41, die als digitale Filter der Ordnung L0 bzw. L1 mit endlicher Impulsantwortlänge realisiert sind, gemäß Gleichung (24) bestimmt. Using the matrix à determined in method step S210 and the vector b̃ determined in method step S210, the filter coefficients ĥ of the two compensation filters 4 0 and 4 1 , which are implemented as digital filters of order L 0 and L 1 with a finite impulse response length, are determined in the subsequent method step S220 , determined according to equation (24).
Im abschließenden Verfahrensschritt S220 werden die beiden in den einzelnen Analog-Digital-Wandlern 20 bzw. 21 analog-digital-gewandelten Signale in den jeweils zugeordneten Kompensationsfiltern 40 bzw. 41 hinsichtlich der Fehlanpassungen in der Übertragungsfunktion zueinander kompensiert. Die kompensierten Abtastwerte der beiden Analog-Digital-Wandler-Kanäle werden schließlich in einem nachfolgenden Summationsglied 5 zusammengefügt.In the final step S220, the two analog-digital-converted signals in the individual analog-to-
Während die Verfahrensschritte S200 bis S220 vorab in einer Kalibrierungsphase durchgeführt werden, wird der Verfahrensschritt S230 kontinuierlich während der Messung des Signals x(t) mithilfe eines digitalen Oszilloskops durchgeführt.While method steps S200 to S220 are carried out in advance in a calibration phase, method step S230 is carried out continuously while measuring the signal x (t) with the aid of a digital oscilloscope.
In den
Zusätzlich werden die Filterlängen L0 und L1 der beiden Kompensationsfilter 40 und 41 zu jeweils zwei festgelegt. Aus den
Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Kompensation von Fehlanpassungen in der Übertragungsfunktion zwischen mehreren jeweils zeitlich versetzt zueinander abtastenden Analog-Digital-Wandlern unter Berücksichtigung einer vierten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Parameteroptimierung im Detail anhand des Flussdiagrammes in
Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Kompensation von Fehlanpassungen in der Übertragungsfunktion zwischen mehreren jeweils zeitlich versetzt zueinander abtastenden Analog-Digital-Wandlern unter Berücksichtigung der vierten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Parameteroptimierung handelt es sich um die Kompensation von Fehlanpassungen in der Übertragungsfunktion von mehr als zwei zeitlich zueinander versetzt abtastenden Analog-Digital-Wandlern. Bevorzugt wird hierbei immer eine ganzzahlige Zweierpotenz von parallelen Analog-Digital-Wandlern benutzt. Anhand der
Das mit dem digitalen Oszilloskop zu messende Eingangssignal x(t) wird einem analogen Front-End 1 zur Eingangsverstärkung und zur Filterung zugeführt. Das Signal am Ausgang des analogen Front-End 1 wird unverzögert einem ersten Analog-Digital-Wandler 20 mit der Übertragungsfunktion H0 (f / fa), verzögert um eine viertel Abtastperiode Ta / 4 einem zweiten Analog-Digital-Wandler 21 mit der Übertragungsfunktion H1(f / fa), verzögert um eine halbe Abtastperiode Ta/2 einem dritten Analog-Digital-Wandler 22 mit der Übertragungsfunktion H2 (f / fa) und verzögert um eine dreiviertel Abtastperiode 3 · Ta/4 einem vierten Analog-Digital-Wandler 23 mit der Übertragungsfunktion H3(f / fa) zugeführt.The input signal x (t) to be measured with the digital oscilloscope is fed to an analog
Die Verzögerung des Signals am Ausgang des Front-Ends 1 um eine viertel Abtastperiode Ta / 4 erfolgt in einer ersten Verzögerungseinheit 61. Die Verzögerung des um eine viertel Abtastperiode verzögerten Signals um eine weitere viertel Abtastperiode Ta / 4 erfolgt in einem der ersten Verzögerungseinheit 61 nachgeschalteten zweiten Verzögerungseinheit 62, die an ihrem Ausgang ein um eine halbe Abtastperiode Ta/2 verzögertes Signal liefert. Die Verzögerung des um eine halbe Abtastperiode verzögerten Signals um eine weitere viertel Abtastperiode Ta / 4 erfolgt in einem der zweiten Verzögerungseinheit 62 nachgeschalteten dritten Verzögerungseinheit 63, die an ihrem Ausgang ein um eine dreiviertel Abtastperiode 3·Ta/4 verzögertes Signal liefert. In den einzelnen Analog-Digital-Wandlern 20, 21, 22 und 23 werden die jeweils zugeführten Signale mit der Abtastperiode Ta abgetastet. The signal at the output of the
Stochastisches Übertragungsverhalten in den einzelnen Analog-Digital-Wandler-Kanälen - thermisches Verstärkerrauschen im analogen Front-End 1 oder Quantisierungsrauschen in den Pegelquantisiern der einzelnen Analog-Digital-Wandler 20, 21, 22 und 23 - werden durch das Rauschsignal n0(t / Ta) im Fall des Analog-Digital-Wandler-Kanals 20, durch das das Rauschsignal n1(t/Ta) im Fall des Analog-Digital-Wandler-Kanals 21, durch das das Rauschsignal n2(t/Ta) im Fall des Analog-Digital-Wandler-Kanals 22 und durch das das Rauschsignal n3(t/Ta) im Fall des Analog-Digital-Wandler-Kanals 23 beschrieben, die jeweils durch ein Summationsglied 30, 31, 32 bzw. 33 dem analog-digital-gewandelten Signal überlagert werden. Im jeweils anschließenden Kompensationsfilter 40, 41, 42 und 43 mit den jeweiligen Übertragungsfunktionen HEqu0(f / fa), HEqu1(f / fa), HEqu1(f / fa) und HEqu3 (f / fa) werden Fehlanpassungen in den Übertragungsfunktionen zwischen den vier Analog-Digital-Wandlern 20, 21, 22 und 23 kompensiert.Stochastic transmission behavior in the individual analog-digital converter channels - thermal amplifier noise in the analog
Die Abtastwerte der Signale y0(t/Ta), y1 (t/Ta), y2 (t / Ta) und y3(t / Ta) an den Ausgängen der vier Kompensationsfilter 40, 41, 42 und 43 werden in einem anschließenden Summationsglied 5 zusammengefügt und ergeben eine Sequenz von Abtastwerten y(t / (Ta / 4)), die gegenüber der Sequenz von Abtastwerten an den Ausgängen der einzelnen Analog-Digital-Wandler 20, 21, 22 und 23 um die Abtastrate vier erhöht ist.The samples of the signals y 0 (t / T a ), y 1 (t / T a ), y 2 (t / T a ) and y 3 (t / T a ) at the outputs of the four
Im ersten Verfahrensschritt S300 werden die einzelnen Übertragungsfunktionen H̃0(f / fa), H̃1(f / fa), ... , H̃2
Außerdem wird im Verfahrensschritt S300 für jedes Paar von jeweils zwei Analog-Digital-Wandlern das Verhältnis
Im nächsten Verfahrensschritt S310 werden für jedes Paar von jeweils zwei Analog-Digital-Wandlern unter Anwendung der ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Parameteroptimierung jeweils die Elemente in der linksseitigen Spalte der Matrix A (1) für den ersten Iterationsschritt anhand des Verhältnisses H (f / fa) und der komplexen Variablen e-j2πf/f
Schließlich werden im Fall der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Parameteroptimierung für jedes Paar von jeweils zwei Analog-Digital-Wandlern jeweils die Matrix à (1) (1) für den ersten Iterationsschritt anhand der berechneten Matrix A (1) für den ersten Iterationsschritt entsprechend Gleichung (13) und der Vektor b̃ (1) für den ersten Iterationsschritt anhand der berechneten Matrix A (1) für den ersten Iterationsschritt und des berechneten Vektors b (1) für den ersten Iterationsschritt entsprechend Gleichung (14) ermittelt.Finally, in the case of the first embodiment of the parameter optimization according to the invention, the matrix à (1) (1) for the first iteration step using the calculated matrix A (1) for the first iteration step according to equation ( 13) and the vector b̃ (1) for the first iteration step based on the calculated matrix A (1) for the first iteration step and the calculated vector b (1) for the first iteration step according to equation (14).
Äquivalent werden bei Anwendung der dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Parameteroptimierung für jedes Paar von jeweils zwei Analog-Digital-Wandlern jeweils die Elemente in den linksseitigen Spalten der Matrix A (1) für den ersten Iterationsschritt anhand des Verhältnisses H(f / fa) und der komplexen Variablen e-j2πf/f
Schließlich werden im Fall der dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Parameteroptimierung für jedes Paar von jeweils zwei Analog-Digital-Wandlern jeweils die Matrix à (1) für den ersten Iterationsschritt anhand der für den ersten Iterationsschritt berechneten Matrix A (1) entsprechend Gleichung (25) und der Vektor b̃ (1) für den ersten Iterationsschritt anhand der für den ersten Iterationsschritt berechneten Matrix A (1) und des für den ersten Iterationsschritt berechneten Vektors b (1) entsprechend Gleichung (26) ermittelt.Finally, in the case of the third embodiment of the parameter optimization according to the invention, the matrix à (1) for the first iteration step based on the matrix A (1) calculated for the first iteration step according to equation (25) and the vector b̃ (1) for the first iteration step based on the matrix A (1) calculated for the first iteration step and the vector b (1) calculated for the first iteration step according to equation (26).
Im darauffolgenden Verfahrensschritt S320 werden die Parameter ĝ2k und ĝ2k-1 für die im ersten Iterationsschritt ermittelten beiden Teil-Kompensationsfilter jedes Paares von jeweils zwei Analog-Digital-Wandlern bei Anwendung der ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Parameteroptimierung entsprechend Gleichung (12) unter Verwendung der im vorherigen Verfahrensschritt S310 jeweils ermittelten Matrix à (1) und des ebenfalls in Verfahrensschritt S310 jeweils ermittelten Vektors b̃ (1) bestimmt.In the subsequent method step S320, the parameters ĝ 2k and ĝ 2k-1 for the two partial compensation filters determined in the first iteration step of each pair of two analog-to-digital converters when using the first embodiment of a parameter optimization according to the invention according to equation (12) using the each determined matrix à (1) in the previous method step S310 and the vector b̃ (1) also determined in each case in method step S310.
Bei Anwendung der zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Parameteroptimierung werden die Parameter ĝ2k und ĝ2k-1 für die im ersten Iterationsschritt ermittelten beiden Teil-Kompensationsfilter jedes Paares von jeweils zwei Analog-Digital-Wandlern nach numerischer Minimierung der Kostenfunktion K gemäß Gleichung (16) mittels Anwendung eines geeigneten numerischen Minimierungsverfahrens, bevorzugt des "Vertrauensbereichs-Verfahren" nach Coleman ermittelt.When using the second embodiment of a parameter optimization according to the invention, the parameters ĝ 2k and ĝ 2k-1 for the two partial compensation filters determined in the first iteration step of each pair of two analog-to-digital converters after numerical minimization of the cost function K according to equation (16) using Use of a suitable numerical minimization method, preferably the Coleman "confidence interval method".
Im Fall der Anwendung der dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Parameteroptimierung werden die Parameter ĥ 2k (1) und ĥ 2k-1 (1) für die beiden im ersten Iterationsschritt ermittelten Teil-Kompensationsfilter für jedes Paar von jeweils zwei Analog-Digital-Wandlern anhand von Gleichung (24) unter Verwendung der im vorherigen Verfahrensschritt S310 jeweils ermittelten Matrix à (1) und des ebenfalls in Verfahrensschritt S310 jeweils ermittelten Vektors b̃ (1) bestimmt. If the third embodiment of a parameter optimization according to the invention is used, the parameters ĥ 2k (1) and ĥ 2k-1 (1) for the two partial compensation filters determined in the first iteration step for each pair of two analog-to-digital converters are calculated using the equation (24) is determined using the matrix à (1) determined in each case in the previous method step S310 and the vector b̃ (1) also determined in each case in method step S310.
Im darauffolgenden Verfahrensschritt S330 wird in Anlehnung an Gleichung (27) ein Verhältnis H (f / fa) zwischen zwei Summen gebildet, die zu jeweils einer Teilgruppe von Analog-Digital-Wandlern gehören und diejenigen Analog-Digital-Wandler enthalten, deren Fehlanpassungen in der Übertragungsfunktion mittels eines in den bisherigen Iterationsschritten jeweils ermittelten Teilkompensationsfilters bereits zueinander kompensierbar sind.In the subsequent method step S330, based on equation (27), a ratio H (f / f a ) is formed between two sums that each belong to a subgroup of analog-digital converters and contain those analog-digital converters whose mismatches are in of the transfer function can already be compensated for one another by means of a partial compensation filter determined in each case in the previous iteration steps.
Jede Summe besteht aus einer Anzahl von Summanden entsprechend der Anzahl von Analog-Digital-Wandlern innerhalb der Teilgruppe, wobei der jeweilige Summand die Multiplikation der Übertragungsfunktion des jeweiligen Analog-Digital-Wandler-Kanals mit den Übertragungsfunktionen aller in den bisherigen Iterationsschritten für den jeweiligen Analog-Digital-Wandler-Kanal jeweils ermittelten Teil-Kompensationsfiltern enthält.Each sum consists of a number of summands corresponding to the number of analog-digital converters within the subgroup, with the respective summand multiplying the transfer function of the respective analog-digital converter channel with the transfer functions of all in the previous iteration steps for the respective analog -Digital converter channel each contains determined partial compensation filters.
Im darauffolgenden Verfahrensschritt S340 werden für jedes Paar von jeweils zwei Teilgruppen von Analog-Digital-Wandlern bei Verwendung eines FIR-Filters der Ordnung L als Kompensationsfilter und entsprechender Anwendung der dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Parameteroptimierung die Elemente in den linksseitigen Spalten der Matrix A (1) für den i-ten Iterationsschritt in Anlehnung an Gleichung (20) anhand der komplexen Variablen e-j2πf/f
Alternativ müssen bei Verwendung eines FIR-Filters erster Ordnung als Kompensationsfilter und entsprechender Anwendung der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Parameteroptimierung die Elemente in der linksseitigen und in der rechtsseitigen Spalte der Matrix A (1) in Anlehnung an Gleichung (8) und (9) und die Elemente des Vektors b (i) in Anlehnung an Gleichung (10) bestimmt werden.Alternatively, when using a FIR filter of the first order as a compensation filter and corresponding application of the first embodiment of the parameter optimization according to the invention, the elements in the left-hand and right-hand column of the matrix A (1) based on equations (8) and (9) and the Elements of the vector b (i ) can be determined based on equation (10).
Schließlich werden in diesem Verfahrensschritt S340 bei Anwendung der dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Parameteroptimierung für jedes Paar von jeweils zwei Teilgruppen von Analog-Digital-Wandlern die Matrix à (i) in Anlehnung an Gleichung (25) und der Vektor b̃ (i) in Anlehnung an Gleichung (26) ermittelt.Finally, in this method step S340, when using the third embodiment of the parameter optimization according to the invention, for each pair of two subgroups of analog-digital Converter determines the matrix à (i) based on equation (25) and the vector b̃ (i) based on equation (26).
Äquivalent müssen in diesem Verfahrensschritt S340 bei entsprechender Anwendung der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Parameteroptimierung die Matrix à (i) in Anlehnung an Gleichung (13) und der Vektor b̃ (i) in Anlehnung an Gleichung (14) für den Fall der Verwendung eines FIR-Filters erster Ordnung als Kompensationsfilter bestimmt werden.In this method step S340, if the first embodiment of the parameter optimization according to the invention is used accordingly, the matrix à (i) based on equation (13) and the vector b̃ (i) based on equation (14) for the case of using an FIR Filters of the first order can be determined as a compensation filter.
Im nächsten Verfahrensschritt S350 werden bei Verwendung eines FIR-Filters der Ordnung L als Kompensationsfilter und entsprechender Anwendung der dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Parameteroptimierung die Parameter ĥ 2k (i) und ĥ 2k-1 (i) für die im i-ten Iterationsschritt zu ermittelnden Teil-Kompensationsfilter des jeweiligen Paares von Teilgruppen von Analog-Digital-Wandlern in Anlehnung an Gleichung (24) bestimmt.In the next method step S350, when using an L-order FIR filter as a compensation filter and applying the third embodiment of the inventive parameter optimization accordingly, the parameters ĥ 2k (i) and ĥ 2k-1 (i) for the part to be determined in the i-th iteration step -Compensation filter of the respective pair of subgroups of analog-to-digital converters determined on the basis of equation (24).
Für den Fall der Verwendung eines FIR-Filters erster Ordnung als Kompensationsfilter und entsprechender Anwendung der ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Parameteroptimierung werden die Parameter ĝ (i) für die im i-ten Iterationsschritt zu ermittelnden Teil-Kompensationsfilter des jeweiligen Paares von Teilgruppen von Analog-Digital-Wandlern in Anlehnung an Gleichung (12) bestimmt.For the case of using a first-order FIR filter as a compensation filter and corresponding application of the first embodiment of the parameter optimization according to the invention, the parameters i (i) for the partial compensation filter to be determined in the i-th iteration step of the respective pair of partial groups of analog-digital -Converters determined on the basis of equation (12).
Für den Fall der Verwendung eines FIR-Filters erster Ordnung als Kompensationsfilter und Anwendung der zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Parameteroptimierung werden die Parameter ĝ (i) für die im i-ten Iterationsschritt zu ermittelnden Teil-Kompensationsfilter des jeweiligen Paares von Teilgruppen von Analog-Digital-Wandlern durch numerisches Minimieren der Kostenfunktion K gemäß Gleichung (16) bestimmt.If a first-order FIR filter is used as a compensation filter and the second embodiment of the parameter optimization according to the invention is used, the parameters ĝ (i) for the partial compensation filters to be determined in the i-th iteration step of the respective pair of subgroups of analog-digital Converters determined by numerically minimizing the cost function K according to equation (16).
Im nächsten Verfahrensschritt S360 werden für jeden Analog-Digital-Wandler die in allen bisherigen Iterationsschritten zur jeweiligen Teilgruppe des jeweiligen Analog-Digital-Wandlers jeweils ermittelten Parameter der einzelnen Teil-Kompensationsfilter in Anlehnung an die Gleichungen (28A) bis (28D) miteinander gefaltet, um das bis einschließlich des i-ten Iterationsschritts ermittelte Kompensationsfilter des jeweiligen Analog-Digital-Wandlers zu berechnen.In the next method step S360, the parameters of the individual partial compensation filters determined in all previous iteration steps for the respective subgroup of the respective analog-digital converter are convolved with one another based on equations (28A) to (28D), for each analog-digital converter, in order to calculate the compensation filter of the respective analog-digital converter determined up to and including the i-th iteration step.
Im darauffolgenden Verfahrensschritt S370 wird ermittelt, ob alle parallel geschalteten Analog-Digital-Wandler hinsichtlich von Fehlanpassungen in der Übertragungsfunktion zueinander kompensiert sind.In the subsequent method step S370, it is determined whether all the analog-digital converters connected in parallel are compensated for with respect to mismatches in the transfer function.
Trifft dies zu, so ist das zu jedem Analog-Digital-Wandler jeweils gehörige Kompensationsfilter vollständig hinsichtlich seiner Parameter bestimmt.If this is the case, then the compensation filter associated with each analog-digital converter is completely determined with regard to its parameters.
In diesem Fall wird in einem darauf folgenden Verfahrensschritt S390 die Filterlänge des für den einzelnen Analog-Digital-Wandler jeweils ermittelten Kompensationsfilters, dessen Filterlänge aufgrund der Faltung(en) im Verfahrensschritt S360 nicht optimiert ist, unter Minimierung einer Kostenfunktion K gemäß Gleichung (29) reduziert. Hierzu ist für das zum jeweiligen Analog-Digital-Wandler jeweils zu ermittelnde Kompensationsfilter i eine Referenz-Übertragungsfunktion HEqui (Ref)(f / fa) mit einer optimierten Filterlänge vorzugeben.In this case, in a subsequent method step S390, the filter length of the compensation filter determined in each case for the individual analog-digital converter, the filter length of which is not optimized due to the convolution (s) in method step S360, while minimizing a cost function K according to equation (29) reduced. For this purpose, a reference transfer function H Equi (Ref) (f / f a ) with an optimized filter length must be specified for the compensation filter i to be determined for the respective analog-digital converter.
Die Parameter des für den einzelnen Analog-Digital-Wandler zu bestimmenden Kompensationsfilters ergeben sich aus den Elementen der Matrix Ã, die sich gemäß Gleichung (34) aus der Matrix à bestimmen lässt, und dem Vektor b̃ der gemäß Gleichung (35) aus der Matrix A und dem Vektor b zu berechnen ist.The parameters of the compensation filter to be determined for the individual analog-digital converter result from the elements of the matrix à , which can be determined according to equation (34) from the matrix à , and the vector b̃ der according to equation (35) from the matrix A and the vector b is to be calculated.
Zur Bestimmung der Elemente der Matrix A sind gemäß Gleichung (31) die komplexen Variablen e-j2πf/f
Die Parameter ĥ Equi des zum jeweiligen Analog-Digital-Wandler gehörigen Kompensationsfilters i mit optimierter Filterlänge ergibt sich gemäß Gleichung (34) aus den Elementen der Matrix A und den Elementen des Vektors b̃.The parameters ĥ Equi of the compensation filter i belonging to the respective analog-digital converter with an optimized filter length results from the elements of the matrix A and the elements of the vector b̃ according to equation (34).
Im abschließenden Verfahrensschritt S400 wird ein im jeweiligen Analog-Digital-Wandler 20,21,...,2N-1 analog-digital-gewandeltes Eingangssignal kontinuierlich im zugehörigen Kompensationsfilter 40, 41,..., 4N-1 hinsichtlich seiner Fehlanpassungen in der Übertragungsfunktion zu den Übertragungsfunktionen der übrigen Analog-Digital-Wandler während der laufenden Messung mit dem digitalen Oszilloskop kompensiert.In the final method step S400, an input signal that has been converted from analog to digital in the respective analog-to-
Wird in Verfahrensschritt S370 festgestellt, dass noch nicht alle Analog-Digital-Wandler hinsichtlich der Fehlanpassungen in der Übertragungsfunktion zueinander kompensiert, so werden im darauffolgenden Verfahrensschritt S380 die jeweils bisher hinsichtlich von Fehlanpassungen in der Übertragungsfunktion zueinander kompensierten Analog-Digital-Wandler zu einer neuen Teil-Gruppe von Analog-Digital-Wandler zusammengefasst.If it is determined in step S370 that not all analog-to-digital converters have yet to be compensated for the mismatches in the transfer function, then in the subsequent step S380 the analog-to-digital converters that were previously compensated for mismatches in the transfer function become a new part -Group of analog-to-digital converters combined.
Anschließend wird im iterativ für den nächsten Iterationsschritt wieder aufgenommenen Verfahrensschritt S330 für jeweils zwei der neu gebildeten Teil-Gruppen von Analog-Digital-Wandler ein Verhältnis H (f / fa) in Anlehnung an Gleichung (27) gebildet.Subsequently, in method step S330, resumed iteratively for the next iteration step, a ratio H (f / f a ) based on equation (27) is formed for two of the newly formed sub-groups of analog-to-digital converters.
Aus den
In den
Die
Bei Annahme einer verkürzten Filterlänge von zwei für alle Kompensationsfilter ergeben sich die in den
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Von der Erfindung sind alle Kombinationen aller in den einzelnen Patentansprüchen jeweils beanspruchten Merkmale, aller in der Beschreibung offenbarten Merkmalen und aller in den Figuren der Zeichnung dargestellten Merkmale mit abgedeckt.The invention is not limited to the illustrated embodiments. The invention also covers all combinations of all of the features claimed in the individual patent claims, of all of the features disclosed in the description and of all of the features shown in the figures of the drawing.
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