CN109150180A - 一种双通道时间交织adc采样时间失配的校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双通道时间交织ADC采样时间失配的校正方法，包括下列步骤：对TI‑ADC采样后的输出信号做快速傅里叶变换导频提取：根据发送端的设置，对相应位置的导频进行提取，用P表示导频集；将乘以已知理想导频的共轭X^*(n)得到得到期望将做差，得到获得第n个子载波预测的采样时间误差；获得采样时间误差将每次得到的采样时间误差实时反馈到插值器中，利用三次样条差值的算法，拟合理想曲线，算出当前校正后时间交织ADC的输出信号大小。

Description

一种双通道时间交织ADC采样时间失配的校正方法

技术领域：

本发明属于信号处理技术领域，更具体地说涉及一种时间交织模数转换器(TI-ADC)， 特别是涉及用于多载波信号传输中时间交织ADC采样时间失配的实时在线补偿方法。

背景技术：

现代社会是信息社会，信息的传播和处理技术都在飞速发展。信息的传播很多是通过模 拟信号来实现的，比如无线电信号。而信息的处理则多采用数字化技术，这就需要一种设备 来将模拟信号转化成数字信号，模数转换器(ADC)就是这样的设备。对于模数转换器而 言，位数(即分辨率)和采样率是极为关键的指标。具有更高位数的模数转换器的量化误差 更低，能表示出更小的幅度差异，具有更高的精度。按照奈奎斯特采样定理，具有更高采样 率的模数转换器能采集具有更高频率的模拟输入信号。在实际应用中，为保证系统更好的性 能，通常采样率为输入模拟信号的带宽的2倍以上。系统可以采集的输入模拟信号的带宽越 宽，传输信号的能力越强。因此高采样率的模数转换器对提高系统性能具有重要意义。但是 采样率越高，功耗、成本越高，，精度低。在宽带软件无线电系统中，为了给后端的数字信 号处理部分留有足够裕量，前端的模数转换器要具有尽可能高的位数。因此，研究利用现有 低速率、高位数的模数转换器组成高采样率模数转换系统的方法具有重要的现实意义。

提高采样率目前主要有两种方法，基于光技术的时间扩展模数转换法和时间交替采样法。 其中，时间交替采样法的是一种低成本、低功耗的实现方案，有较高的实际应用价值。时间 交替采样法在提高采样率的同时引入了通道失配，通道失配产生了偏置误差、增益误差和采 样时间误差，这些误差引入的噪声降低模数转换系统的信噪比。为了降低这些误差对采样信 号的影响，有必要对通道失配产生的偏置误差、增益误差和采样时间误差进行估计和补偿。 在这些失配中，采样时间失配比偏置偏移和增益失配更难以检测和补偿。所以，在时间交织 ADC中对采样时间失配进行校准成为了很多研究的主要内容。

目前有很多针对时间交织ADC采样时间失配的校准方法，它们可以分为两类：混合信 号和全数字校准。在混合信号校准中，采样时间误差在数字域进行估计，并通过调整子ADC 时钟相位进行校正。而在全数字校准中，通过数字信号处理同时对采样时间误差进行估计和 校正。数字校准不受工艺、电压和温度(PVT)变化的影响，非常适合CMOS技术，因此会比混合域更具吸引力。

[1]Goodman J,Miller B,Herman M,et al.Polyphase Nonlinear Equalizationof Time-Interleaved Analog-to-Digital Converters[J].IEEE Journal of SelectedTopics in Signal Processing,2009,3(3):362-373.

[2]Tertinek S,Vogel C.Reconstruction of Nonuniformly SampledBandlimited Signals Using a Differentiator–Multiplier Cascade[J].IEEETransactions on Circuits&Systems I Regular Papers,2008,55(8):2273-2286.

[3]Johansson H.A Polynomial-Based Time-Varying Filter Structure forthe Compensation of Frequency-Response Mismatch Errors in Time-InterleavedADCs[J].IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing,2009,3(3):384-396.

[4]Prendergast R S,Levy B C,Hurst P J.Reconstruction of band-limitedperiodic nonuniformly sampled signals through multirate filter banks[J].Circuits&Systems I Regular Papers IEEE Transactions on,2003,51(8):1612-1622.

[5]Han L D,Jabbour C,Desgreys P,et al.Estimation techniques fortiming mismatch in time-interleaved analog-to-digital converters:Limitationsand solutions[C]//IEEE International Conference on Electronics,Circuits andSystems.IEEE,2017:297-300.

发明内容：

本发明的目的是提供一种适用于多载波输入信号的双通道时间交织ADC校正方法，利 用发送端插入的导频，提取时间偏差信息，并用数字插值的方法校正时间偏差，具有复杂度 低，可以实时在线校正时间实施的优点。本发明的技术方案如下：

1.一种双通道时间交织ADC采样时间失配的校正方法，包括下列步骤：

1)对TI-ADC采样后的输出信号做快速傅里叶变换，用表示；

2)导频提取：根据发送端的设置，对相应位置的导频进行提取，用P表示导频集，提取的已知理想导频X(n)在集合P中；

3)将乘以已知理想导频的共轭X^*(n)得到

4)对做期望得到

5)将与做差，得到N表示信号离散谱中最大的位置；

6)对取角度，获得第n个子载波预测的采样时间误差；

7)在一定数量多载波符号中，由导频集P预测的所有采样时间误差做平均，可获得采样时间误差

8)将每次得到的采样时间误差实时反馈到插值器中，利用三次样条差值的算法，拟合 理想曲线，算出当前校正后时间交织ADC的输出信号大小；

9)重复上述步骤直至误差值收敛到固定值，实现信号的校正。

实验得出的预测采样时间失配误差是较为准确的，在不同大小的时间失配误差Δτ下， 通过比较校正前后的误差向量幅度(EVM)后，可以得出经过本算法对信号具有有效的校 正效果。在此基础上，可以做更多通道适用于多载波信号的TI-ADC时间失配误差的校正工 作。

附图说明：

通过附图，可以使本发明的实施步骤及优点更加凸显，也更加有利于使用者的理解与操 作。

图1为可以应用本发明的实际离散多载波(DMT)系统模型；

图2为本发明适用的含有采样时间失配的双通道时间交织ADC模型图；

图3为本发明时间误差识别部分的自适应算法框架；

图4为时间失配误差Δτ为不同大小时，经过校正后收敛的效果图；

图5为时间失配误差Δτ为不同大小时，校正前后的EVM比较图。

具体实施方案：

为使本发明的方案更加清楚明了，便于实施，同时凸显本发明的优点及目的，对实施方 案作详细的阐述与说明。

101：考虑的系统模型

在发送端DMT信号形成前，如图1所示，在发送端，理想输入信号先经过串并变换将串行的数据流转换成并行的方式，再通过星座映射转成复信号，随后插入导频。接着通过艾尔米特对称变换，保证通过反傅里叶变换(IFFT)后的信号为实信号。添加循环前缀后， 最终经过并串变换、模数转换器(DAC)和低通滤波器将离散的数据转换成连续的信号发 送到信道。

在接收端，双通道时间交织ADC接收信号。如图2所示，两个并行的ADC交替采样 同一输入信号，每个子通道采样间隔是2T_s，第二个子通道采样时钟相位相对第一个子通道的时钟相位延迟T_s，最后用一个多路选择器(MUX)模块将两个子通道的输出交替输出， 这样就相当于在分辨率不变的情况下将ADC的采样率提高了2倍。但由于通道间存在采样 时间失配现象，这会在输出信号中增加一些混叠信号，进而降低时间交织ADC的性能，用 Δτ表示第二通道的采样时间误差。

102：FFT变换

双通道时间交织ADC的输出经过FFT转换到频域，忽略噪声，仅考虑第一奈奎斯特带 宽时频域表达式为：

103：导频提取

根据发送端的设置方式，很容易从星座图上观察到幅度为最大的实数就是导频，对相应 位置的导频进行提取。

104:预测采样时间误差算法

根据获取的导频信号做一系列运算，如图3所示，由于导频信息X(n)已知，详细的运 算步骤包括：

1.将乘以导频的共轭X*(n)得到

其中|X(n)|²表示X(n)的能量大小，决定于M-QAM调制中的M。

2.对做期望得到

根据信号间的相关性，可简化为

3.接着把与做差，得到

4.对取角度，由第n个子载波预测的采样时间误差可表示为：

5.在一定数量多载波符号中，由导频集P预测的所有采样时间误差做平均，可获得采样 时间误差

6.最终获得采样时间误差的迭代公式，表示为：

其中，μ为迭代步长。

105：采样时间误差的校正

将每次得到的采样时间误差实时反馈到插值器中，利用三次样条差值的算法，根据三个 必要条件：插值节点、插值节点对应的函数值和所需插值位置。实际具体校正过程为：为了 获得可以进行插值的节点集x₀,x₁,......x_n，每次循环都需要缓存更新后的多个实序列值 y₀,y₁,......y_n，将识别模块估计得到的定时误差插入所需位置后，由二通道的特点，每隔一 个位置交替添加定时偏差值，最后根据新的序列位置x₀+Δτ,x₁,......x_n+Δτ和缓存的序列值 y₀,y₁,......y_n对应求得三次样条函数，进而得到x_i位置的校正输出，实现校正过程。

106：实验结果

重复上述预测和校正步骤直至误差值收敛到固定值，从而完成双通道时间交织ADC中 采样时间误差的校准。如图4所示，存在不同的采样时间误差时，该校准方法都可以将它们 收敛到一个固定值，与理想误差相比，误差率在2％内。如图5所示，在信噪比较低时，校 正后的EVM趋近理想的EVM，在信噪比中高区域，校正后的EVM比未校正的EVM平均 提高了30dB。

本发明对TI-ADC系统采样时间失配的实时校正算法，通过实验证明了其正确性，并取 得了优异的效果。由于本算法可以适用于多载波信号的实际传输，在本发明的基础之上可以 将算法拓展到更多通道。

Claims (1)

1.一种双通道时间交织ADC采样时间失配的校正方法，包括下列步骤：

1)对TI-ADC采样后的输出信号做快速傅里叶变换，用表示；

2)导频提取：根据发送端的设置，对相应位置的导频进行提取，用P表示导频集，提取的已知理想导频X(n)在集合P中；

3)将乘以已知理想导频的共轭X^*(n)得到

4)对做期望得到

5)将与做差，得到N表示信号离散谱中最大的位置；

6)对取角度，获得第n个子载波预测的采样时间误差；

7)在一定数量多载波符号中，由导频集P预测的所有采样时间误差做平均，可获得采样时间误差

8)将每次得到的采样时间误差实时反馈到插值器中，利用三次样条差值的算法，拟合理想曲线，算出当前校正后时间交织ADC的输出信号大小；

9)重复上述步骤直至误差值收敛到固定值，实现信号的校正。