CN106230437B - 一种基于数理统计的tiadc偏置误差校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数理统计的TIADC偏置误差校正方法，以某个通道作为基准，对各个子ADC采样的数据进行数理统计，剔除掉由于偶然因素或者随机噪声造成的频数很低的采样点，得到各个子ADC的偏置误差，根据误差的估计值得到相应的校准值，进而完成TIADC系统的偏置误差校。为了提高校准精度，本发明采用二次校准方法，使校准结果精度更高。

Description

一种基于数理统计的TIADC偏置误差校正方法

技术领域

本发明属于信号采样技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于数理统计的TIADC偏置误差校正方法。

背景技术

电子测试仪器、宽带通信和雷达等电子系统对高速数据采集系统提出了越来越高的要求。为最大限度的提高实时采样率保持采集精度，通常采用多片ADC并行时间交替(Time-interleaved ADC,TIADC)结构。但是多片ADC之间失配带来的偏置误差、增益误差和时间误差却限制了TIADC系统的性能,因此对于各个误差的校正是TIADC系统中非常重要的研究内容。

TIADC系统模型如图1所示，其中，M为子ADC的个数，m表示通道索引号。G_m、O_m、分别代表ADC_m的增益、偏置，如果以ADC₀为参考通道，那么G_m、O_m与G₀、O₀间的偏差就是增益与偏置误差。由时间交替采样原理可得，理想情况下ADC_m的采样时刻t_m为：

t_m＝(nM+m)T_s (1)

其中，T_s为整个TIADC系统的采样周期，采样率为fs。考虑到存在时间误差ΔT_m，ΔT_m代表实际采样时刻与理想采样时刻之间的偏差，则实际的采样时刻是t_m-ΔT_m。

由式(1)及图1可得ADC_m的量化输出为：

y_m[n]＝G_mx_a((nM+m)T_s-_ΔT_m)+O_m (2)

进一步可得整个TIADC的输出为：

其中y’_m[n]为y_m[n]的M倍零插，其表达式为：

偏置误差的存在会使TIADC系统在处存在误差谱，它使整个TIADC系统输出产生失真，降低了系统的信噪比。

在现有技术中，关于TIADC的偏置误差校正，有若干方法；其中，偏置误差的自适应校正方法，是需要经过多次迭代运算，不利于工程实现；数字校正的方法，可以通过各种滤波器(如Farrow、Lagrange滤波器)进行数字后校正，虽然可以达到的精度较高，但是滤波器的设计普遍复杂度较高，工程应用同样受限；基于正弦拟合方式的偏置误差校正方法，需要外接信号，精度有限，并且容易受外信号的影响。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于数理统计的TIADC偏置误差校正方法，基于数理统计下对TIADC系统进行二次校正，使校正结果精度更高。

为实现上述发明目的，本发明基于数理统计的TIADC偏置误差校正方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、将TIADC(TIADC，Time-interleaved ADC)系统的输入设置为0，发送默认偏置调节控制字DefaultCtrWord到TIADC系统的所有ADC_m；其中，m为通道索引号，m＝0,1,...,M-1，M为TIADC系统的并行通道数；

(2)、设置采样总点数为N，采集ADC_m的量化输出值i，数理统计各个采样点出现i的频数p_i，且∑p_i＝N；

剔除频数低于N/k的采样点，得到各通道的输出信号偏置：

其中，k为常数；

(3)、以0通道为参考通道，计算ADC_m的偏置误差ΔO_m：

ΔO_m＝O_m-O₀ (2)

(4)、发送校正控制字OffsetCtrWord_m到ADC_m，对TIADC系统进行第一次校正；

其中，step表示子ADC的偏置校准步进；

(5)、重复步骤(2)、(3)、(4)，对TIADC系统进行第二次校正；

(5.1)、重新采集ADC_m的量化输出值，利用公式(1)和(2)计算出二次校正时的偏置及偏置误差O_{m_2}、ΔO_{m_2}；

(5.2)、发送二次校正的校正控制字OffsetCtrWord_{m_2}到ADC_m，对TIADC系统进行第二次校正；

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明一种基于数理统计的TIADC偏置误差校正方法，以某个通道作为基准，对各个子ADC采样的数据进行数理统计，剔除掉由于偶然因素或者随机噪声造成的频数很低的采样点，得到各个子ADC的偏置误差，根据误差的估计值得到相应的校准值，进而完成TIADC系统的偏置误差校。为了提高校准精度，本发明采用二次校准方法，使校准结果精度更高。

附图说明

图1是TIADC系统的原理框图；

图2是本发明基于数理统计的TIADC偏置误差校正方法流程图；

图3是实际的ADC量化值分布示意图；

图4是量化值的数理统计结果图；

图5是未校准前输入为0时信号频谱；

图6是对偏置误差进行一次校正后的频谱图；

图7是对偏置误差进行二次校正后的频谱图；

图8是未校准前示波器输入为0时的波形图；

图9是第一次校正之后的信号波形图；

图10是第二次校正之后的信号波形图；

图11是正弦拟合算法校正后的频谱图；

图12是正弦拟合算法校正后的波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图2是本发明基于数理统计的TIADC偏置误差校正方法流程图。

在本实施例中，如图2所示，本发明基于数理统计的TIADC偏置误差校正方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将TIADC(TIADC，Time-interleaved ADC)系统的输入设置为0，发送默认偏置调节控制字DefaultCtrWord到TIADC系统的所有ADC_m；其中，m为通道索引号，m＝0,1,...,M-1，M为TIADC系统的并行通道数；

在本实施例中，采用的TIADC系统是英国e2v公司的ev8aq165ADC,这个芯片内部集成4片采样率为1.25GS/s的子ADC，即M＝4，首先TIADC系统输入设置为0，然后发送默认偏置控制字512到4片子ADC，如图3所示，随机噪声会使量化值在一个范围内上下波动。

S2、设置采样总点数为N，采集ADC_m的量化输出值i，数理统计各个采样点出现i的频数p_i，且∑p_i＝N；

剔除频数低于N/k的采样点，得到各通道的输出信号偏置：

其中，k为常数；

在本实施例中，ADC的量化值在一个范围内波动，因此随机噪声使个别量化值偏离中心值较远，它们的频数远小于统计的总点数，工程上认为小于10倍就是远小于。如图4所示，本实施例中，统计的总点数设置为N＝2000，认为频数小于100的点数是偶然因素的影响，这里采取直接剔除的滤波方式滤出这些偶然因素。

S3、以0通道为参考通道，计算ADC_m的偏置误差ΔO_m：

ΔO_m＝O_m-O₀ (2)

S4、发送校正控制字OffsetCtrWord_m到ADC_m，对TIADC系统进行第一次校正；

其中，step表示子ADC的偏置校准步进，在本实施例中，step＝0.039。

实际校正中发现，采用数理统计的方法确实能够较好的校正TIADC的偏置误差，但是仅仅一次校准不能够将误差校准为最低，一次校正后仍然存在误差，并且通过对一次校正后的量化数据作FFT，在相应的频点仍然存在偏置误差带来的误差谱。这是由于实际的ADC器件不能够做到完全的控制均匀。例如同样是发送控制字的变化为25，如果当前控制字的值不同，比如一个是400，一个是800，那么实际系统中偏置的变化量不完全相等。尤其是对偏置误差本来就比较大的的TIADC系统这种影响更加严重。

因此，本发明又提出了一种对于偏置误差的二次校正算法，即对一次校正的结果进一步进行二次校正，用以消除误差校正系统控制不均匀的问题，第二次校正方法跟一次校正方法基本相同，不同的是初始ADC控制字为第一次校正的结果。整体来看，第一次校正是一个粗校正，第二次校正是一个精校正。

下面对二次校正进行如下说明：

S5、重复步骤S2、S3、S4，对TIADC系统进行第二次校正；

S5.1、重新采集ADC_m的量化输出值，利用公式(1)和(2)计算出二次校正时的偏置及偏置误差O_{m_2}、ΔO_{m_2}；

S5.2、发送二次校正的校正控制字OffsetCtrWord_{m_2}到ADC_m，对TIADC系统进行第二次校正；

仿真

将TIADC系统输入量设置为0，对校准前后的信号做FFT。校准前的信号频谱如图5所示，可以看到，在1.25GHz，2.5GHz频点上存在明显的失真，偏置误差在处存在误差谱，可知1.25GHz，2.5GHz频点正是由于偏置带来的误差。

图6是对偏置误差进行一次校正后的频谱图，从图中可以看出通过一次校正之后频谱得到了明显的改善，在1.25GHz处的误差谱幅度由73.0236dB下降到了52.0845dB，2.5GHz频点上的幅度由64.5629dB下降到了28.2995dB.可见，一次校正取得了较好的效果。

图7是对偏置误差进行二次校正后的频谱图，从图中可以看出经过二次校准之后频谱得到了进一步的改善，其中1.25GHz处的频谱几乎与噪底一致，2.5GHz频点处的频谱也降到了非常低。

现在再来观察校正前后示波器输入为0的时候实际波形的变化，图8为未校准前示波器输入为0时的波形情况，可以看出通道3的波形由于4片子ADC偏置误差较大，导致波形拼合显示出来呈现忽高忽低的形状，显示极其糟糕。

图9是进行了一次校正之后的信号波形，看到波形效果有了明显的改善，但是仔细观察也会发现在信号边缘仍然存在部分由于偏置带来的锯齿状误差。

图10是进行了二次校正后的信号波形，可以看出波形平整，显示效果非常好。

同时，在此将本数理统计的偏置校正方法与文献常用的正弦拟合算法做一个对比。

图11、图12分别是正弦拟合算法校正后的频谱和波形形状，通过对比不难发现，正弦拟合算法虽然能够较好的校正偏置误差，但是校正结果远不如本算法，甚至比一次校正的结果还要略差。可见，数理统计的偏置误差校正算法简单易实现并且精度非常高、效果非常好。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (1)

1.一种基于数理统计的TIADC偏置误差校正方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、将TIADC系统的输入设置为0，发送默认偏置调节控制字DefaultCtrWord＝512到TIADC系统的所有ADC_m；其中，m为通道索引号，m＝0,1,...,M-1，M为TIADC系统的并行通道数；

(2)、设置采样总点数为N＝2000，采集ADC_m的量化输出值i，数理统计各个采样点出现i的频数p_i，且∑p_i＝N；

剔除频数低于N/k的采样点，得到各通道的输出信号偏置：

其中，k为常数；

(3)、以0通道为参考通道，计算ADC_m的偏置误差ΔO_m：

ΔO_m＝O_m-O₀ (2)

(4)、发送校正控制字OffsetCtrWord_m到ADC_m，对TIADC系统进行第一次校正；

其中，step表示子ADC的偏置校准步进；

(5)、重复步骤(2)、(3)、(4)，对TIADC系统进行第二次校正；

(5.1)、重新采集ADC_m的量化输出值，利用公式(1)和(2)计算出二次校正时的偏置及偏置误差O_{m_2}、ΔO_{m_2}；

(5.2)、发送二次校正的校正控制字OffsetCtrWord_{m_2}到ADC_m，对TIADC系统进行第二次校正；