CN101917362A - 一种对多通道模数转换信号的相位补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种对多通道模数转换信号的相位补偿方法，属于混合信号处理技术领域。输入各个通道的原始信号，经过通道传输后，输入各通道的信号经相位延时后得到相位延时信号，对相位延时信号进行模数转换，得到数字离散信号，在数字离散信号中加入相位延时，通道中的任意两个通道的数字离散信号加入的相位延时满足下面等式，根据该关系，分别配置各通道的降采样滤波器的降采样时刻。本发明的相位补偿方法，用极小的硬件开销代价，实现与使用数字延时网络的相位补偿方法一样的相位调整范围、相位调整精度以软件相位调整能力。

Description

一种对多通道模数转换信号的相位补偿方法

技术领域

本发明涉及一种对多通道模数转换信号的相位补偿方法，属于混合信号处理技术领域。

背景技术

在多通道混合信号处理应用系统中，各通道信号之间的相位关系对处理结果影响非常大。例如电力系统中，电压、电流的相位关系是非常重要的电能指标；在多麦克风助听器系统中，各路麦克风输入信号的相位关系对于噪声消除和声源定位意义重大。

在多通道混合信号处理应用系统中，由于器件制造偏差、电路板走线等各种原因，各个通道对信号的相位延时不完全一致，这就导致系统计算获得的输入各个通道信号相位关系与输入各个通道信号的真实相位关系不一致。因此，必须对输入各个通道的信号进行相位补偿，保证系统计算获得的输入各个通道信号相位关系与输入各个通道信号的真实相位关系一致。

目前常用的相位补偿方法有两种：模拟相位补偿通过调整电路板上各通道的电阻-电容滤波网络达到相位补偿的目的；数字延时网络使用移位寄存器链锁存数模转换(以下简称ADC)结果，通过选择移位寄存器链的输出位置达到相位补偿的目的。模拟相位补偿精度不够，且需要调整系统硬件，不利于提高设备制造效率，已经逐渐退出应用领域；数字延时网络可以通过软件配置的方式进行相位补偿配置，能获得较高的精度，是目前广泛使用的相位补偿方法。

图1是一个典型采用数字延时网络进行相位补偿的双输入混合信号处理系统，模拟信号d₁和d₂分别输入第一通道和第二通道两个通道，经过模数转换变成1比特(或者多比特)码流，码流送入移位寄存器(图中用D表示)链，通过选取寄存器链的某个寄存器的数值值作为后续由积分器(图中用ITG表示)和微分器(图中用DIF表示)以及寄存器组成的降采样滤波器(图中用CIC表示)模块的输入，可以对输入第一通道和第二通道的信号进行相位延时，从而实现相位调整。降采样滤波器的微分器在时刻T₁、T₂…T_k对积分器输出结果进行降采样和微分得到数字信号S′₁和S′₂，送给后面的模块进行进一步的数字处理。

从图1可以看到，数字延时网络的相位调整范围与移位寄存器链的长度直接相关，在需要较大相位补偿范围的应用中，必须付出很大的硬件代价，这成为限制数字延时网络方法应用的一个主要原因。

发明内容

本发明的目的是提出一种对多通道模数转换信号的相位补偿方法，以更小的代价实现数字相位补偿。通过分别配置各个通道降采样滤波器的降采样时刻，实现对输入各个通道信号的相位调整。

本发明提出的对多通道模数转换信号的相位补偿方法，包括以下步骤：

(1)设输入多通道的模拟信号的频率分别为F，模数转换的采样频率分别为f_s，其中输入各个通道的原始信号v_i(t)分别为：

其中i＝1，2...N-1，N                           (I)

上式(I)中，N为通道的个数，A_i为第i个通道信号的幅度，t为时间，

为输入第i个通道的原始信号的初始相位；

经过通道传输后，输入各通道的信号经相位延时后得到信号v′_i(t)：

上式(II)中，δ_i为第i个通道对输入该通道信号v_i(t)的相位延时；

(2)对上述经相位延时后的信号v′_i(t)进行模数转换，使模拟连续信号变为数字离散信号S_i(k)：

其中，k＝1，2，3......∞                          (III)

上式(III)中，k为采样次数，S_i(k)为对第i个通道信号的第k次采样结果；

(3)在上述各通道的数字离散信号中分别加入相位延时d_i，得到相位补偿后的数字离散信号S′_i(k)：

上式(IV)中，在N个通道中的任意第m个通道和第n个通道的数字离散信号加入的相位延时d_m和d_n应该满足下面等式：

$d_m-d_n=\frac{({\mathrm{\δ}}_m-{\mathrm{\δ}}_n)\×f_s}{2\mathrm{\πF}}---\left(V\right)$

(4)根据上式(V)中相位延时d_m和d_n之间的关系，分别配置各通道的降采样滤波器的降采样时刻，使得任意第m个通道和第n个通道的降采样滤波器的降采样时刻满足下面条件：

${\mathrm{Tm}}_1-{\mathrm{Tn}}_1={\mathrm{Tm}}_2-{\mathrm{Tn}}_2=...={\mathrm{Tm}}_k-{\mathrm{Tn}}_k=\frac{d_m-d_n}{f_s}=\frac{{\mathrm{\δ}}_m{-\mathrm{\δ}}_n}{2\mathrm{\πF}}---\left(\mathrm{VI}\right)$

上式(VI)中，Tm₁，Tm₂…Tm_k为第m个通道的第1、第2…第k个降采样时刻，Tn₁，Tn₂…Tn_k为第n个通道的第1、第2…第k个降采样时刻。

本发明提出的对多通道模数转换信号的相位补偿方法，其优点是：

1、已有技术中，使用数字延时网络进行相位补偿，需要大量的寄存器组成寄存器链来满足系统对相位补偿范围的要求，本发明利用降采样滤波器的特性，通过配置降采样时刻来实现不同的相位延时，可以彻底省去寄存器链带来的硬件开销。

2、使用本发明提出的对多通道数模转换信号的相位补偿方法，可以用极小的硬件开销代价实现与使用数字延时网络的相位补偿方法一样相位调整范围、相位调整精度以软件相位调整能力。

附图说明

图1是已有技术中使用数字延时网络进行相位补偿的双通道混合信号处理系统示意图。

图2是使用本发明提出的相位补偿方法的一个实施例，为双通道混合信号处理系统示意图。

具体实施方式

本发明提出的对多通道模数转换信号的相位补偿方法，包括以下步骤：

(1)设输入多通道的模拟信号的频率分别为F，模数转换的采样频率分别为f_s，其中输入各个通道的原始信号v_i(t)分别为：

其中i＝1，2...N-1，N                              (I)

上式(I)中，N为通道的个数，A_i为第i个通道信号的幅度，t为时间，

为输入第i个通道的原始信号的初始相位；

经过通道传输后，输入各通道的信号经相位延时后得到信号v′_i(t)：

上式(II)中，δ_i为第i个通道对输入该通道信号v_i(t)的相位延时；

(2)对上述经相位延时后的信号v′_i(t)进行模数转换，使模拟连续信号变为数字离散信号S_i(k)：

其中，k＝1，2，3......∞                (III)

上式(III)中，k为采样次数，S_i(k)为对第i个通道信号的第k次采样结果；

(3)在上述各通道的数字离散信号中分别加入相位延时d_i，得到相位补偿后的数字离散信号S′_i(k)：

上式(IV)中，在N个通道中的任意第m个通道和第n个通道的数字离散信号加入的相位延时d_m和d_n应该满足下面等式：

(4)根据上式(V)中相位延时d_m和d_n之间的关系，分别配置各通道的降采样滤波器的降采样时刻，使得任意第m个通道和第n个通道的降采样滤波器的降采样时刻满足下面条件：

${\mathrm{Tm}}_1-{\mathrm{Tn}}_1={\mathrm{Tm}}_2-{\mathrm{Tn}}_2=...={\mathrm{Tm}}_k-{\mathrm{Tn}}_k=\frac{d_m-d_n}{f_s}=\frac{{\mathrm{\δ}}_m{-\mathrm{\δ}}_n}{2\mathrm{\πF}}---\left(\mathrm{VI}\right)$

上式(VI)中，Tm₁，Tm₂…Tm_k为第m个通道的第1、第2…第k个降采样时刻，Tn₁，Tn₂…Tn_k为第n个通道的第1、第2…第k个降采样时刻。

下面结合本发明方法在电力系统中电能计量的一个应用实例，详细介绍它的具体实施方式，其信号处理系统如图2所示。

设信号频率为F，模数转换采样频率为f_s，通道个数为2，输入第一通道和第二通道两个通道的原始信号分别为：

电压通道，输入电压值。

电流通道，输入该电流反映在一个电阻上的电压降。

经过不同的传输通道，输入第一和第二两个通道的信号被引入了不同的相位延时，

其中δ₁，δ₂就分别是第一、第二两个通道分别对输入各自通道信号v₁(t)和v₂(t)的相位延时。

经过模数转换，模拟连续信号变为数字离散信号S₁(k)和S₂(k)：

为了补偿抵消各个通道的相位延时带来的两个原始信号之间的相位偏差，需要在A、B通道引入不同的相位补偿，得到补偿后的信号S′₁(k)和S′₂(k)：

要求：

$d_1-d_1=\frac{({\mathrm{\δ}}_2-{\mathrm{\δ}}_1)\×f_s}{2\mathrm{\πF}}$

将第一通道的降采样时刻和第二通道的降采样时刻配置为：

${T1}_1-{T2}_1={T1}_2-{T2}_2=...={T1}_k-{T2}_k=\frac{d_1-d_2}{f_s}=\frac{{\mathrm{\δ}}_2{-\mathrm{\δ}}_1}{2\mathrm{\πF}}$

即可补偿第一通道相位延时和第二通道相位延时带来的输入第一、第二通道信号的相位偏差。

在电力系统中，电压、电流信号的频率F＝50Hz，假设第一通道，即电压通道相位延迟为0.02，第二通道，即电流通道相位延迟为0.01，那么根据上面的推导，电流电压通道的降采样时刻之差

${T1}_1-{T2}_1={T1}_2-{T2}_2=...={T1}_k-{T2}_k=\frac{d_1-d_2}{f_s}=\frac{{\mathrm{\δ}}_2{-\mathrm{\δ}}_1}{2\mathrm{\πF}}=0.03183\mathrm{ms}$

如果此时的采样频率f_s为3.2768MHz，带入上式，则只需使二者降采样时刻补偿值d₁，d₂间隔104个时钟周期，即可补偿通道间的相位差。

作为对比，如果采用寄存器链，则需104个寄存器才能实现上述补偿。

可以看出采用本发明可以在几乎不增加代价的前提下实现本需要很大代价才能完成的相位调整功能。

Claims (1)

1.一种对多通道模数转换信号的相位补偿方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1)设输入多通道的模拟信号的频率分别为F，模数转换的采样频率分别为f_s，其中输入各个通道的原始信号v_i(t)分别为：

其中i＝1，2...N-1，N                    (I)

上式(I)中，N为通道的个数，Ai为第i个通道信号的幅度，t为时间，

为输入第i个通道的原始信号的初始相位；

经过通道传输后，输入各通道的信号经相位延时后得到信号v′_i(t)：

上式(II)中，δ_i为第i个通道对输入该通道信号v_i(t)的相位延时；

(2)对上述经相位延时后的信号v′_i(t)进行模数转换，使模拟连续信号变为数字离散信号S_i(k)：

其中，k＝1，2，3......∞(III)

上式(III)中，k为采样次数，S_i(k)为对第i个通道信号的第k次采样结果；

(3)在上述各通道的数字离散信号中分别加入相位延时d_i，得到相位补偿后的数字离散信号S′_i(k)：

上式(IV)中，在N个通道中的任意第m个通道和第n个通道的数字离散信号加入的相位延时d_m和d_n应该满足下面等式：

$d_m-d_n=\frac{({\mathrm{\δ}}_m-{\mathrm{\δ}}_n)\×f_s}{2\mathrm{\πF}}---\left(V\right)$

(4)根据上式(V)中相位延时d_m和d_n之间的关系，分别配置各通道的降采样滤波器的降采样时刻，使得任意第m个通道和第n个通道的降采样滤波器的降采样时刻满足下面条件：

${\mathrm{Tm}}_1-{\mathrm{Tn}}_1={\mathrm{Tm}}_2-{\mathrm{Tn}}_2=...={\mathrm{Tm}}_k-{\mathrm{Tn}}_k=\frac{d_m-d_n}{f_s}=\frac{{\mathrm{\δ}}_m{-\mathrm{\δ}}_n}{2\mathrm{\πF}}---\left(\mathrm{VI}\right)$

上式(VI)中，Tm₁，Tm₂…Tm_k为第m个通道的第1、第2…第k个降采样时刻，Tn₁，Tn₂…Tn_k为第n个通道的第1、第2…第k个降采样时刻。

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