CN109361389A - 一种分时交替模数转换器多通道失配误差校准方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种分时交替模数转换器多通道失配误差校准的方法及系统，包括采样模块、检测模块、校准模块和复用模块；采集分时交替模数转换器的各通道采样数据；选择多通道中的一个作为基准通道，其他为被校准通道；检测基准通道采样数据和被校准通道校准数据之间的时间直流偏置以及增益误差估计向量；对被校准通道采用多级逐步校准的方式进行校准；对检测模块和校准模块进行复用。采用本发明提供的方法将多通道拆分成两两校准的多级校准结构，能够保证校准性能的同时，节省硬件资源。

Description

一种分时交替模数转换器多通道失配误差校准方法和系统

技术领域

本发明涉及信号处理领域，尤其涉及一种分时交替模数转换器多通道失配误差校准方法和系统。

背景技术

高速ADC(Analog to Digital Converter，数模转换器)是高性能信号处理系统的关键部件，在大带宽通信系统、仪器仪表、雷达等复杂系统中均有应用，其性能主要有采样速率和采样有效位数两个指标。

分时交替模数转换器TIADC(Time Interleaved Analog to Digital Converter)是一种并行交替型ADC，为了提高采样率，一方面可以提高设计能力加快单通道采样速率，另一方面可以增加TIADC的通道数。增加通道数是快速提高采样率的现阶段的可行方案，但由于多通道之间存在时间失配、直流偏置和增益误差，影响了TIADC的性能。现有技术中提供的校准算法结构，每个结构都有自己的优缺点，并没有较好的通用结构出现。本申请提供了一种TIADC多通道失配误差校准方法和系统，能够保证校准性能的同时，对校准模块和检测模块进行复用，节省硬件资源。

发明内容

有鉴于此，本申请提供了一种分时交替模数转换器多通道失配误差校准方法和系统，能够校准多通道TIADC失配误差，同时能够节省校准和检测硬件资源。

本申请采用的技术方案是：一种TIADC多通道失配误差校准系统，包括：采样模块、检测模块、校准模块和复用模块；

采样模块，用于采集分时交替模数转换器TIADC的各通道采样数据；多通道TIADC包括M个采样时刻交错的ADC通道，选择其中之一作为基准通道，其他通道作为被校准通道；

检测模块，用于检测基准通道采样数据和被校准通道校准数据之间的时间直流偏置以及增益失配误差，计算出失配误差估计向量；

所述失配误差估计向量包括时间失配、直流偏置和增益误差；

校准模块，用于对所述被校准通道的采样数据进行校准；

复用模块，用于对校准模块和/或检测模块的复用进行控制。

输入信号Vin进入ADC后，分别进入基准通道和被校准通道；

基准通道的采样数据输入检测模块；

被校准通道的采样数据和失配误差估计向量经校准模块校准后输出校准数据；

基准通道的采样数据和被校准通道的校准数据经检测模块输出失配误差估计向量，所述失配误差估计向量再作为校准模块的输入值输入校准模块参与校准计算。

采用多级逐步校准的方式对所述被校准通道进行校准，通道数M为2的N次幂，校准级数为N，每级同时进行校准，前级校准完成后进行后级校准。被校准通道校准后作为基准通道用以校准其他被校准通道，所述被校准通道均分别与基准通道进行误差校准；

校准过程遵循等效相邻基准信道原则：被校准通道与基准通道之间，在采样时间上一定呈现等时间差关系。因此，所述多级逐步校准的方式过程中，每级被校准通道的选择，都遵循所述等效相邻基准信道原则。

复用模块实现检测模块和/或校准模块的复用控制，包括：

第一种实现方式，所述复用模块控制数据流在上一级校准完成后，保留上一级的校准参数，将数据流接入下一级进行校准，完成校准资源的复用控制；

其中，对于静态应用场景，复用模块对检测模块和校准模块进行复用，检测模块和校准模块数均为M/2；

对于动态应用场景，复用模块对检测模块进行复用，检测模块数为M/2。

第二种实现方式，所述复用模块保留每级校准参数，控制每级校准操作的数据流切换；

其中，对于静态应用场景，复用模块对检测模块和校准模块进行复用，检测模块和校准模块数均为1；

对于动态应用场景，复用模块对检测模块进行复用，检测模块数为1。

本申请提供了一种分时交替模数转换器多通道失配误差校准的方法，包括：

采集多通道TIADC的各通道采样数据；所述多通道TIADC包括M个采样时刻交错的ADC通道，选择其中之一作为基准通道，其他通道作为被校准通道；

检测基准通道采样数据和被校准通道校准数据之间的时间直流偏置以及增益失配误差，计算出失配误差估计向量；

被校准通道的采样数据和所述失配误差估计向量输入校准模块进行校准；

基准通道的采样数据和被校准通道的校准数据输入检测模块，输出失配误差估计向量，所述失配误差估计向量作为校准模块的输入值输入校准模块参与校准计算。

采用多级逐步校准的方式对所有被校准通道进行校准；所述被校准通道校准后作为基准通道校准其他被校准通道；所述被校准通道均分别与基准通道进行误差校准。

校准过程遵循等效相邻基准信道原则：被校准通道与基准通道之间，在采样时间上一定呈现等时间差关系。因此，所述多级逐步校准的方式过程中，每级被校准通道的选择，都遵循所述等效相邻基准信道原则。

多通道通道数M为2的幂次方，校准级数为N，每级同时进行校准，前级校准完成后进行后级校准。

对检测模块和校准模块的复用控制，包括：

第一种实现方式，控制数据流在上一级校准完成后，保留上一级的校准参数，将数据流接入下一级进行校准，；

其中，对于静态应用场景，对检测模块和校准模块进行复用，检测模块和校准模块数均为M/2；

对于动态应用场景，对检测模块进行复用，检测模块数为M/2。

第二种实现方式，控制每级校准操作的数据流切换，保留每级校准参数；

对于静态应用场景，复用模块对检测模块和校准模块进行复用，检测模块和校准模块数均为1；

对于动态应用场景，复用模块对检测模块进行复用，检测模块数为1。

本发明取得的有益效果是：

1、将多通道个数设计成2的幂次方，便于两两校准的拆分，简化了电路设计，使得此方法的可扩展性大大加强。

2、第一种实现方式兼顾了每级校准并行计算和复用资源的优势。

3、第二种实现方式支持单一校准模块和检测模块的完全复用，极大节省了硬件资源，适合对校准时间要求不高但对硬件成本要求较高的场合。

为了上述以及相关的目的，一个或多个实施例包括后面将详细说明并在权利要求中特别指出的特征。下面的说明以及附图详细说明某些示例性方面，并且其指示的仅仅是各个实施例的原则可以利用的各种方式中的一些方式。其它的益处和新颖性特征将随着下面的详细说明结合附图考虑而变得明显，所公开的实施例是要包括所有这些方面以及它们的等同。

附图说明

图1是本发明提供的一种TIADC多通道失配误差校准系统图；

图2是本发明提供的TIADC双通道失配误差校准结构示意图；

图3是本发明实施例提供的TIADC多通道多级逐步失配误差校准模块的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种TIADC多通道多级逐步失配误差校准系统复用结构示意图；

图5是本发明实施例提供的一种TIADC多通道多级逐步失配误差校准系统，校准模块和检测模块的完全复用的结构示意图。

具体实施方式

以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的组件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，本发明的这些实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。

实施例一

TIADC多个通道之间的采样不可能做到完全均匀，即各个通道出现通道失配，TIADC采集系统通道失配主要来自三种误差：时间失配、直流偏置和增益误差，为保证TIADC的性能，需要将多通道的采样数据失配误差进行校准。

图1是本发明的实施例中TIADC多通道多级误差校准系统示意图。如图1所示，该系统包括：采样模块、校准模块、检测模块和复用模块。

图2是TIADC双通道校准结构：

输入信号Vin进入ADC后，分两路进入通道ADC1和ADC2，其中，ADC1和ADC2可互为基准通道或被校准通道，以ADC1为基准通道，ADC2为被校准通道为例：

基准通道ADC1的采样数据为y1，输入检测模块；

被校准通道ADC2的采样数据为y2，采样数据y2和失配误差估计向量△经校准模块校准后输出校准数据y2_out；

失配误差估计向量△作为校准模块的输入值输入校准模块参与校准计算。

其中，所述失配误差估计向量△包括时间失配、直流偏置和增益误差三种误差；在检测模块中，检测基准通道采样数据和被校准通道校准数据之间的时间直流偏置以及增益失配误差，计算出失配误差估计向量，具体为：增益误差G和直流偏置D，计算方法为：其中μ和ξ为回归步进。

对于时间失配误差△t的计算：基准通道的采样数据y1和被校准通道的校准数据y2_out进入误差检测模块，先计算每个样点的误差值△u，然后此误差值△u经过积分运算得到可平稳反映误差水平的时间失配误差检测值miss；

其中，第一寄存器用于存储时间失配误差估计值的最大值High△t和对应运算得到的时间失配误差检测值；第二寄存器用于存储时间失配误差估计值的最小值Low△t和对应运算得到的时间失配误差检测值；比较第一寄存器和第二寄存器中的miss值的大小，比较结果控制更新用计算得到的时间失配误差检测值miss和△t替换掉两个寄存器中miss值较大的寄存器中的数值。

检测模块采用回归迭代算法，循环往复经计算得到最合适的失配误差估计向量△值，此值被存储到寄存器中，在TIADC正常工作时作为校准参数。

TIADC多通道失配误差校准结构如图3所示，以通道数32条为例说明：其中，通道数32为2的5次方。TIADC系统的基本工作原理是利用M个相同的、采样速率为f的ADC以一个固定的时间间隔依次对同一个输入信号进行并行采样，相邻两个子ADC之前的采样时间间隔为Ts＝1/fs，相位差值为2π/M，最后把子ADC的采样输出合起来作为整个并行ADC的输出。由于整个系统的采样速率为fs，其中fs＝Mf，因此，这种时间交替并行采样结构使得系统的采样速率提高了M倍，达到了高速采样的目的。

32个通道按照fs/32的时钟相互错开1/fs进行采样，采样数据为y1、y2到y32；32通道校准级数为5级，每级可以同时进行校准，后级依赖前级的校准，须前级校准完成后才能进行下一级的校准。

校准过程遵循等效相邻基准信道原则：被校准通道与基准通道之间，在采样时间上一定呈现等时间差关系；因此，在每级被校准通道的选择中，也遵循所述相邻基准信道原则。

以1通道作为基准通道，第一级被校准校准的通道为17通道，第17通道的采样时刻距离基准通道1的采样时刻为16个时间间隔Ts，且距离下一次基准通道1的采样时刻也为16个时间间隔Ts。校准后的通道可作为基准通道校准其他被校准通道，第一级中17通道的校准结果为y17’，因此y17’可作为基准通道进行第二级的校准。在第二级的校准中，被校准通道为9通道和25通道，基准通道为1通道和校准后的17通道；基准通道1通道和被校准通道9通道的采样时间间隔为8个Ts,被校准通道9通道的采样时刻和基准通道17通道的采样时刻为8个时间间隔Ts；基准通道17通道和被校准通道25通道的采样时间间隔为8个Ts,被校准25通道和下一次基准通道1通道的采样时间间隔为8个Ts，这样，校准过程遵循等效相邻基准信道原则。采取两两校准的方式用两个基准通道校准两个被校准通道，这样第二级的校准过程中同时被校准的通道数为2。以此类推，第三级被校准通道数为4，后级较准依赖前一级的校准结果，每一级校准的通道数都翻倍，采用这种多级逐步校准的方式对所有被校准通道进行校准，直至所有的被校准通道都校准完成。32通道中，校准级数为5。

从图3中可以看出，检测模块(detect)和校准模块(calibrate)总数均为1+2+4+8+16＝31，对于M＝2^N个通道的TIADC，所述detect&calibrate模块总数均是但是注意到并不是所有模块都是同时工作，因此，对detect&calibrate进行复用，以节省硬件资源。

图4为32通道校准系统的复用方案：复用模块在后一级校准时，对前级的detect&calibrate模块进行复用。

对于静态校准场景，即所有数据已经采集完成，需进行本地校准。复用模块控制detect&calibrate模块的复用，detect和calibrate模块总数为通道总数的一半。具体的，第一级中使用编号为1的detect&calibrate模块，第二级校准时对编号为1的detect&calibrate模块重复使用，同时增加了编号为2的detect&calibrate模块，第三级中对编号为1和2的detect&calibrate模块重复使用，同时增加编号为3和4的detect&calibrate模块，如此最后一级第5级的校准过程，重复使用前4级中所有的detect&calibrate模块，需要的detect&calibrate模块数为16，即整个校准过程所需要的detect&calibrate模块总数为16。由此可见，检测和校准电路模块总数为通道总数的一半，节省了硬件资源。

具体复用控制由复用模块来实现，复用模块控制数据流在上一级校准完成后，保留上一级的校准参数(失配误差误差估计向量△)，将数据流接入下一级进行校准，完成复用控制。对于detect&calibrate模块的复用，可以是在最后一级前的每级都使用新增加的detect&calibrate模块，仅最后一级中对前面所有使用过的detect&calibrate模块进行复用，具体复用的安排方式不作限定。

对detect&calibrate模块进行复用后，电路仍使用并行计算方式，保证校准速度的同时节省了硬件资源。

需要说明的是，对于动态校准场景：复用模块仅控制检测模块detect的复用，检测模块总数为通道总数的一半。由于动态校准并没有提前存储采集数据，校准是在采样的同时进行的，因此，每个被检测通道都需要一个校准模块，校准模块无法进行复用。因此，对于动态校准过程中，复用的只有检测模块，以及参数寄存器。每次检测完成后，把正确的校准参数保存到对应被检测通道的参数寄存器上，由寄存器的值指导校准模块进行通道校准。

实施例二

本实施例中提供了检测模块和校准模块复用的另一种方式，其他的检测校准和实施例一中的相同，在此不再赘述。

对于静态校准场景，复用模块控制detect&calibrate模块的复用，detect&calibrate模块总数为1。单硬件检测模块和校准模块复用于所有校准过程的系统，如图5所示，校准的全部过程，共用一个detect&calibrate模块。

复用模块控制每级校准操作的数据流切换和校准参数的保留。数据流切换方法，具体为：校准级数为31，第一级，输入通道1/17数据，输出通道17的校准数据；第二级，输入通道1/9/17数据，输出通道9的校准数据；第三级，输入通道1/25/17数据，输出通道25的校准数据；第四级，输入通道1/5/9通道数据，输出通道5数据的校准数据；如此，直至所有31个被校准通道校准完成。

每一级校准中，复用模块安排数据流进行校准操作，校准完成后复用模块记录该级节点的校准参数，节点是指校准的复用顺序时间点和此时校准的通道序号，例如第二级中校准的节点第9通道为对检测模块和校准模块的第2次复用，此节点包括9通道、对检测模块和校准模块的第2次复用，所述校准参数为失配误差估计向量△，同时切换编号1模块的数据流输入和输出到下一对通道数据上。

全部校准过程使用一个detect&calibrate模块，能够节省大量的硬件资源，但是由于校准操作由并行变成了串行，也增加了处理时间，对于采样率达到若干Gbps的ADC来说，校准时间也仅仅在秒级。此方案可应用于对校准时间要求不是很高的场景下。

对于动态校准场景：复用模块仅控制检测模块detect的复用，检测模块总数为1。

本发明的关键技术点是：

1、对多通道数设计采用2的幂次方个数。

2、将多通道分拆成两两校准的多级校准结构。

3、利用等效相邻通道原则进行多通道分级校准。

4、多级校准模块和检测模块的复用方法。

本领域技术人员可以明白，这里结合所公开的实施例描述的各种示例性的方法步骤和装置单元均可以电子硬件、软件或二者的结合来实现。为了清楚地示出硬件和软件之间的可交换性，以上对各种示例性的步骤和单元均以其功能性的形式进行总体上的描述。这种功能性是以硬件实现还是以软件实现依赖于特定的应用和整个系统所实现的设计约束。本领域技术人员能够针对每个特定的应用，以多种方式来实现所描述的功能性，但是这种实现的结果不应解释为背离本发明的范围。

结合上述公开的实施例所描述的方法的步骤可直接体现为硬件、由处理器执行的软件模块或者这二者的组合。软件模块可能存在于RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、移动磁盘、CD-ROM或者本领域熟知的任何其他形式的存储媒质中。一种典型存储媒质与处理器耦合，从而使得处理器能够从该存储媒质中读信息，且可向该存储媒质写信息。在替换实例中，存储媒质是处理器的组成部分。处理器和存储媒质可能存在于一个ASIC中。该ASIC可能存在于一个用户站中。在一个替换实例中，处理器和存储媒质可以作为用户站中的分立组件存在。

根据所述公开的实施例，可以使得本领域技术人员能够实现或者使用本发明。对于本领域技术人员来说，这些实施例的各种修改是显而易见的，并且这里定义的总体原理也可以在不脱离本发明的范围和主旨的基础上应用于其他实施例。以上所述的实施例仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (13)

1.一种分时交替模数转换器多通道失配误差校准系统，其特征在于，包括：采样模块、检测模块、校准模块和复用模块；

采样模块，用于采集分时交替模数转换器TIADC的各通道采样数据；多通道分时交替模数转换器TIADC包括M个采样时刻交错的ADC通道，选择其中之一作为基准通道，其他通道作为被校准通道；

检测模块，用于检测基准通道采样数据和被校准通道校准数据之间的时间直流偏置以及增益失配误差，计算出失配误差估计向量；

校准模块，用于对所述被校准通道的采样数据进行校准；

复用模块，用于对校准模块和/或检测模块的复用进行控制。

2.如权利要求1所述的分时交替模数转换器多通道失配误差校准系统，其特征在于，被校准通道校准后作为基准通道用以校准其他被校准通道，所述被校准通道均分别与基准通道进行误差校准。

3.如权利要求1所述的分时交替模数转换器多通道失配误差校准系统，其特征在于，

输入信号Vin进入ADC后，分别进入基准通道和被校准通道；

基准通道的采样数据输入检测模块；

被校准通道的采样数据和所述失配误差估计向量经校准模块校准后输出校准数据；

基准通道的采样数据和被校准通道的校准数据经检测模块输出失配误差估计向量，所述失配误差估计向量再作为校准模块的输入值输入校准模块参与校准计算。

4.如权利要求1所述的分时交替模数转换器多通道失配误差校准系统，其特征在于，采用多级逐步校准的方式对所述被校准通道进行校准，通道数M为2的N次幂，校准级数为N，每级同时进行校准，前级校准完成后进行后级校准。

5.如权利要求4所述的分时交替模数转换器多通道失配误差校准系统，其特征在于，所述多级逐步校准的方式遵循等效相邻基准信道原则：被校准通道与基准通道之间，在采样时间上呈现等时间差关系。

6.如权利要求1所述的分时交替模数转换器多通道失配误差校准系统，其特征在于，所述复用模块控制数据流在上一级校准完成后，保留上一级的校准参数，将数据流接入下一级进行校准，完成校准资源的复用控制。

7.如权利要求6所述分时交替模数转换器多通道失配误差校准系统，其特征在于，

对于静态应用场景，对检测模块和校准模块进行复用，检测模块和校准模块数均为M/2；

对于动态应用场景，对检测模块进行复用，检测模块数为M/2。

8.如权利要求1所述的分时交替模数转换器多通道失配误差校准系统，其特征在于，所述复用模块控制每级校准操作的数据流切换，保留每级的校准参数；

对于静态应用场景，对检测模块和校准模块进行复用，检测模块和校准模块数均为1；

对于动态应用场景，对检测模块进行复用，检测模块数为1。

9.一种分时交替模数转换器多通道失配误差校准的方法，其特征在于，包括：

采集多通道TIADC的各通道采样数据；所述多通道TIADC包括M个采样时刻交错的ADC通道，选择其中之一作为基准通道，其他通道作为被校准通道；

所述被校准通道校准后作为基准通道校准其他被校准通道；

采用多级逐步校准的方式对所有被校准通道进行校准；

进行校准模块和/或检测模块的复用控制。

10.如权利要求9所述的分时交替模数转换器多通道失配误差校准的方法，其特征在于，所述多级逐步校准的方式遵循等效相邻基准信道原则：被校准通道与基准通道之间，在采样时间上呈现等时间差关系；

检测基准通道采样数据和被校准通道校准数据之间的时间直流偏置以及增益失配误差，计算出失配误差估计向量；

被校准通道的采样数据和所述失配误差估计向量输入校准模块进行校准，输出校准数据；

基准通道的采样数据和被校准通道的校准数据输入检测模块，输出所述失配误差估计向量，所述失配误差估计向量作为校准模块的输入值输入校准模块参与校准计算。

11.如权利要求9所述的分时交替模数转换器多通道失配误差校准的方法，其特征在于，多通道通道数M为2的幂次方，校准级数为N，每级同时进行校准，前级校准完成后进行后级校准。

12.如权利要求9所述的分时交替模数转换器多通道失配误差校准的方法，其特征在于，控制数据流在上一级校准完成后，保留上一级的校准参数，将数据流接入下一级进行校准，控制校准模块和/或检测模块的复用；

对于静态应用场景，对检测模块和校准模块进行复用，检测模块和校准模块数均为M/2；

对于动态应用场景，对检测模块进行复用，检测模块数为M/2。

13.如权利要求9所述的分时交替模数转换器多通道失配误差校准的方法，其特征在于，控制每级校准操作的数据流切换，保留每级的校准参数，控制校准模块和/或检测模块的复用；

对于静态应用场景，对检测模块和校准模块进行复用，检测模块和校准模块数均为1；

对于动态应用场景，对检测模块进行复用，检测模块数为1。