CN103746695B - 时间交织模数转换器通道间采样时间失配的校正方法 - Google Patents

时间交织模数转换器通道间采样时间失配的校正方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及时间交织模数转换器。本发明针对通道间的采样时间校正困难的问题，提供时间交织模数转换器通道间采样时间失配的校正方法，首先，时间交织模数转换器对正弦信号进行正常转换，产生各通道数字输出；其次，利用各通道数字输出进行泰勒展开式运算，计算出理想的数字输出值；然后，通过做差运算，对相邻通道间理想的数字输出值做差，求得差值；最后，利用差值计算得到各通道的采样时间失配量的准确值，实现采样时间失配的校正。通过使用TIADC相邻通道的数字输出以及相应的微分输出来近似理想数字输出，求得理想数字输出间的差量，再求得各通道的采样时间失配量的准确值，实现采样时间失配的校正。适用于时间交织模数转换器的采样时间失配的校正。

Description

时间交织模数转换器通道间采样时间失配的校正方法
技术领域
本发明涉及微电子技术中的时间交织模数转换器，特别涉及时间交织模数转换器的采样时间失配的校正方法。
背景技术
时间交织模数转换器(Time-interleaved ADC,以下简称TIADC)是一种将多个模数转换器并联起来，利用交错时钟使其轮流工作的模数转换系统。一个M通道时间交织模数转换器的基本结构，如图1所示，通过将M个工作频率为fs的子模数转换器并联起来，整个模数转换系统的工作频率增大为Mfs。
理论上，通道数越多，时间交织模数转换器的工作速度越快。但是，通道间的各种失配会严重影响整个模数转换器的动态性能，尤其是通道间的采样时间失配难以检测，因而校正困难。
发明内容
本发明所要解决的技术问题，提供时间交织模数转换器通道间采样时间失配的校正方法，以解决通道间的采样时间失配难以检测，校正困难的问题，从而保证多通道时间交织模数转换器的性能。
本发明解决所述技术问题，采用的技术方案是，时间交织模数转换器通道间采样时间失配的校正方法，包括以下步骤：
步骤1、时间交织模数转换器对正弦信号进行正常转换，产生各通道数字输出；
步骤2、利用各通道数字输出，根据泰勒展开式计算出理想的数字输出值；
步骤3、通过做差运算，对相邻通道间理想的数字输出值做差，求得差值；
步骤4、利用差值计算得到各通道的采样时间失配量的准确值，实现采样时间失配的校正。
具体的，所述步骤1中，时间交织模数转换器通道对正弦信号进行正常转换，产生各通道数字输出，计为Y：
Y＝[y1[k],y2[k],…,yM[k]]；
其中，yi[k]为实际数字输出，P为单通道采样点数，M为时间交织模数转换通道数，其中(i＝1、2、…、M)，(k＝1,2,···,P)。
具体的，所述步骤2中，利用各通道数字输出，根据泰勒展开式计算出理想的数字输出值，包括以下步骤：
步骤201、各通道数字输出Y经微分滤波器产生相应的微分输出，微分输出计为Y'；
步骤202、设定采样时间失配量的估计值，采样时间失配量的估计值计为
步骤203、利用各通道数字输出Y、相应的微分输出Y'及设定的采样时间失配量的估计值根据泰勒展开式计算出理想的数字输出值，理想的数字输出值计为yi 0[k]。
具体的，所述步骤201中，数字输出Y经微分滤波器产生相应的微分输出Y'为：
Y'＝[y'1[k],y'2[k],…,y'M[k]]；
其中，yi'[k]为实际数字输出的导数；
所述步骤203中，利用各通道数字输出Y及其相应的微分输出Y'及设定的采样时间失配量的估计值根据泰勒展开式计算出理想的数字输出值，理想的数字输出值计为yi 0[k]，计算公式为：
其中，为采样时间失配量估计值，初始时为零。
具体的，所述步骤3中，通过做差运算，对相邻通道间理想的数字输出值做差，求得差值的计算公式如下所述，所述差值计为Ei[k]：
Ei[k]＝yi+1 0[k]-yi 0[k]
即：
具体的，所述步骤4中，利用差值计算得到各通道的采样时间失配量的准确值，实现采样时间失配的校正，包括以下步骤：
步骤401、对差值Ei[k]的绝对值求平均值得到绝对值平均值Ai，并对所有的绝对值平均值Ai求和并取平均值得到平均值
步骤402、将所有的绝对值平均值Ai与平均值做差，得到相对误差Bi，用以表征各通道采样时间失配；
步骤403、将相对误差Bi对平均值进行归一化，进而得到各通道的采样时间失配量并对采样失配的估计值进行更新；
步骤404、根据采样时间失配量运算得到采样时间失配量的准确值，采样时间失配量的准确值计为Δti，实现采样时间失配的校正。
具体的，所述步骤401中，对差值Ei[k]的绝对值求平均值得到绝对值平均值Ai，并对所有的绝对值平均值Ai求和取平均值得到平均值的计算公式为：
步骤402、将所有的绝对值平均值Ai与平均值做差，得到相对误差Bi的计算公式为：
其中，M为时间交织模数转换通道数。
具体的，所述步骤403中，将相对误差Bi对进行归一化，进而得到各通道的采样时间失配量估计值的计算公式为：
具体的，所述步骤404中，根据运算得到采样时间失配量的准确值Δti，实现采样时间失配的校正的方法为，将带入公式：
通过迭代运算得到采样时间失配量的准确值Δti。
具体的，所述时间交织模数转换器通道总数不少于两组。
本发明的有益效果是，通过使用TIADC相邻通道的数字输出以及相应的微分输出来近似理想的数字输出，求得理想的数字输出的差值及其绝对值的平均值，根据差值及其绝对值的平均值求的相对误差，并以相对误差来表征采样时间失配，以归一化的值来量化采样时间失配的估计值，最后通过迭代法计算采样时间失配量的准确值，实现采样时间失配的校正。
附图说明
图1为本发明时间交织模数转换器通道间采样时间失配的校正方法背景技术中的传统M通道时间交织模数转换器的原理图；
图2为本发明时间交织模数转换器通道间采样时间失配的校正方法实施例中的传统4通道时间交织模数转换器的原理图；
图3为本发明时间交织模数转换器通道间采样时间失配的校正方法实施例中不存在采样时间失配时的Ei[k](i＝1,2,3,4)分布图；
图4为本发明时间交织模数转换器通道间采样时间失配的校正方法实施例中存在采样时间失配时的Ei[k](i＝1,2,3,4)分布图；
图5为本发明时间交织模数转换器通道间采样时间失配的校正方法实施例中设计的采样时间失配校正环路；
图6为本发明时间交织模数转换器通道间采样时间失配的校正方法实施例中采样时间失配的收敛过程；
图7为本发明时间交织模数转换器通道间采样时间失配的校正方法实施例中校正前TIADC的输出频谱图；
图8为本发明时间交织模数转换器通道间采样时间失配的校正方法实施例中校正后TIADC的输出频谱图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例详细描述本发明的技术方案：
本发明针对通道间的各种失配严重影响了整个模数转换器的动态性能，尤其是通道间的采样时间失配难以检测，因而校正困难的问题，提供时间交织模数转换器通道间采样时间失配的校正方法，首先，时间交织模数转换器对正弦信号进行正常转换，产生各通道数字输出；其次，利用各通道数字输出，根据泰勒展开式计算出理想的数字输出值；然后，通过做差运算，对相邻通道间理想的数字输出值做差，求得差值；最后，利用差值计算得到各通道的采样时间失配量的准确值，实现采样时间失配的校正。通过使用TIADC相邻通道的数字输出以及相应的微分输出来近似理想的数字输出，求得理想的数字输出的差值及其绝对值的平均值，根据差值及其绝对值的平均值求的相对误差，并以相对误差来表征采样时间失配，以归一化的值来量化采样时间失配的估计值，最后通过迭代法计算采样时间失配量的准确值。
实施例
为了更好的阐述和理解本发明的思想，此处以四通道TIADC为例，四通道TIADC如图2所示。当输入频率为fin的模拟信号Vin＝f(t)时，第i(i＝1,2,3,4)个通道TIADC的理想的数字输出分别为：
yi 0(n)＝f((nM+i)Ts)
其中，yi 0(n)为理想的数字输出，n为单通道采样点数，M为通道数，Ts为TIADC的采样周期。
上述公式中未考虑各通道间的采样时间失配，当设定第i通道的采样时间失配量为时，第i(i＝1,2,3,4)个通道TIADC的实际数字输出为：
其中，yi(n)为实际数字输出，为第i通道的采样时间失配量。
根据一阶泰勒展开式，可得：
则第i通道TIADC的理想的数字输出为：
由上式可知，可以使用TIADC的通道实际数字输出以及其微分值来近似理想的数字输出。因此相邻通道间理想的数字输出的差值为：
Ei[k]＝yi+1 0[ki+1]-yi 0[ki]
其中，Ei[k](i＝1,2,3,4)为相邻通道间理想的数字输出的差值。
当即不存在时间失配，TIADC的理想的数字输出等于实际的数字输出，则Ei[k]可以表示为：
Ei[k]＝yi+1[k]-yi[k]
采样周期内，Ei[k](i＝1,2,···,M)的分布,如图3所示。根据统计原理，Ei[k]的绝对值平均值计为Ai，
当存在时间失配时，Ei[k]为：
其中，的初始值为0。
此时，采样周期内，Ei[k]分布如图4所示，根据统计原理，此时Ai的平均值计为则则Ai与其平均值的相对误差量，计为Bi，
利用相对误差量Bi来表征通道间的相对采样时间失配。将Bi相对于绝对值平均值进行归一化，即
此时，计算得到一个新的值，从而将的值进行更新。将更新后的带入上述各公式，通过迭代运算得到采样时间失配的准确值Δti。迭代运算经过重复多次归一化运算，会重复的更新，直到最后稳定在某一个值附近，而该值即为我们想要得到的真实的失配量Δti。
完整校正电路，如图5所示，DLL产生四相时钟，分别为各TIADC各通道提供工作时钟。TIADC对模拟输出进行采样转换得到数字输出yi[k](i＝1,2,3,4)。HD为数字微分滤波器，用以求取数字输出信号的微分yi'[k](i＝1,2,3,4)。理想的数字输出基于yi[k]和yi'[k]估算得到。通过使用TIADC相邻通道的数字输出以及相应的微分输出来近似理想的数字输出，求得理想的数字输出的差值及其绝对值的平均值，根据差值及其绝对值的平均值求的相对误差，并以相对误差来表征采样时间失配，以归一化的值来量化采样时间失配的估计值，最后通过迭代法计算采样时间失配量的准确值。实现采样时间失配的校正。
为了验证该数字校正算法，利用Matlab软件搭建了行为级模型。利用高斯分布(u＝0，σ＝0.01·Ts)，设置四通道采样时间失配依次为9.6ps，-8.2ps，12.5ps和5.5ps。
如图6所示，为四个通道B1、B2、B3及B4的采样失配时间的收敛过程。在初始时刻，各通道具有最大的失配量，随着校正的进行，失配逐渐减小，最终趋于零。
如图7及图8所示，分别为校正前后的TIADC的信号噪声谐波比(以下简称SNDR)。如图7所示，校正前，在和频率处，因为采样时间失配导致的谐波，SNDR仅为62.7dB；校正后上述谐波被完全抑制，SNDR增大至72.9dB。综上所述，本发明能有效校正采样失配误差，改善系统系统性能。
以上实例仅为本发明的优选例子，本发明的使用并不局限于该实例，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.时间交织模数转换器通道间采样时间失配的校正方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、时间交织模数转换器对正弦信号进行正常转换，产生各通道数字输出；
步骤2、利用各通道数字输出，根据泰勒展开式计算出理想的数字输出值，包括以下步骤：
步骤201、各通道数字输出Y经微分滤波器产生相应的微分输出，微分输出计为Y'；
步骤202、设定采样时间失配量的估计值，采样时间失配量的估计值计为
步骤203、利用各通道数字输出Y、相应的微分输出Y'及设定的采样时间失配量的估计值 根据泰勒展开式计算出理想的数字输出值，理想的数字输出值计为yi 0[k]；
步骤3、通过做差运算，对相邻通道间理想的数字输出值做差，求得差值；
步骤4、利用差值计算得到各通道的采样时间失配量的准确值，实现采样时间失配的校正，包括以下步骤：
步骤401、对差值Ei[k]的绝对值求平均值得到绝对值平均值Ai，并对所有的绝对值平均值Ai求和并取平均值得到平均值
步骤402、将所有的绝对值平均值Ai与平均值做差，得到相对误差Bi，用以表征各通道采样时间失配；
步骤403、将相对误差Bi对进行归一化，进而得到各通道的采样时间失配量并对采样失配的估计值进行更新；
步骤404、根据采样时间失配量运算得到采样时间失配量的准确值，采样时间失配量的准确值计为Δti，实现采样时间失配的校正。
2.根据权利要求1所述的时间交织模数转换器通道间采样时间失配的校正方法，其特征在于，所述步骤1中，时间交织模数转换器通道对正弦信号进行正常转换，产生各通道数字输出，计为Y：
Y＝[y1[k],y2[k],…,yM[k]]；
其中，yi[k]为实际数字输出，P为单通道采样点数，M为时间交织模数转换通道数，其中i＝1、2、…、M，k＝1,2,···,P。
3.根据权利要求1所述的时间交织模数转换器通道间采样时间失配的校正方法，其特征在于，所述步骤201中，数字输出Y经微分滤波器产生相应的微分输出Y'为：
Y'＝[y'1[k],y'2[k],…,y'M[k]]；
其中，yi'[k]为实际数字输出的导数；
所述步骤203中，利用各通道数字输出Y及其相应的微分输出Y'及设定的采样时间失配量的估计值根据泰勒展开式计算出理想的数字输出值，理想的数字输出值计为yi 0[k]，计算公式为：
其中，为采样时间失配量估计值，初始时为零。
4.根据权利要求3所述的时间交织模数转换器通道间采样时间失配的校正方法，其特征在于，所述步骤3中，通过做差运算，对相邻通道间理想的数字输出值做差，求得差值的计算公式如下所述，所述差值计为Ei[k]：
Ei[k]＝yi+1 0[k]-yi 0[k]；
即：
5.根据权利要求1所述的时间交织模数转换器通道间采样时间失配的校正方法，其特征在于，所述步骤401中，对差值Ei[k]的绝对值求平均值得到绝对值平均值Ai，并对所有的绝对值平均值Ai求和取平均值得到平均值的计算公式为：
步骤402、将所有的绝对值平均值Ai与平均值做差，得到相对误差Bi的计算公式为：
其中，M为时间交织模数转换通道数。
6.根据权利要求1所述的时间交织模数转换器通道间采样时间失配的校正方法，其特征在于，所述步骤403中，将相对误差Bi对平均值进行归一化，进而得到各通道的采样时间失配量估计值的计算公式为：
7.根据权利要求1所述的时间交织模数转换器通道间采样时间失配的校正方法，其特征在于，所述步骤404中，根据运算得到采样时间失配量的准确值Δti，实现采样时间失配的校正的方法为，将带入公式：
通过迭代运算得到采样时间失配量的准确值Δti。
8.根据权利要求1至7任意一项所述的时间交织模数转换器通道间采样时间失配的校正方法，其特征在于，所述时间交织模数转换器通道总数不少于两组。
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