CN109379080A - 用于时间交替采样的时间误差自适应消除方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于时间交替采样的时间误差自适应消除方法，对于M个通道的采样信号，首先将第1个通道的本周期和下一周期的信号作为参考信号构成参考信号集合，对第M/2通道的采样信号进行时间误差自适应校正，然后将校正后的第M/2通道的采样信号加入参考信号集合，再对其他采样信号进行校正，如此循环，直到所有采样信号均完成校正。本发明针对多通道采样信号之间的时间失配误差，采用时间误差自适应校正来动态消除时间误差，有助于信号的准确还原。

Description

用于时间交替采样的时间误差自适应消除方法

技术领域

本发明属于时间交替采样技术领域，更为具体地讲，涉及一种用于时间交替采样的时间误差自适应消除方法。

背景技术

随着现代通信、智能汽车、航空航天探测、人工智能等相关电子信息领域的高速发展，超高频信号的应用迅速增长，为了能够准确识别和测量这些高速信号，对数据采集系统的采样率提出了更高的要求。由于现有的单片ADC(Analog-to-digital converter，模数转换器)方案受到材料、工艺等多方面限制，难以满足高速采集的需求。因此并行采集技术作为一种对任意信号的实时采集技术得到了广泛的研究，这其中的时间交替采样技术就是一种有效提高采样速率的手段。

时间交替采样(Time-interleaved analog-to-digital conversion，TIADC)系统由M个通道构成，多片ADC以并行方式交替采样，在多相采样时钟的驱动下，每片ADC对信号x(t)采样，并将各通道的采样数据x_i[n]发送给数据拼合模块进行数据重组，i＝0,1,…,M-1，获得原始信号的重构y[n]。重构以后信号的采样率突破了单片ADC的采样率，实现了M倍的提升。无论是从无线通信系统到时域测量仪器，还是从高速ADC芯片到高性能接收机，时间交替采样技术都有着极其广泛的应用价值。

然而，时间交替采样并行方案虽然实现了采样率提升，但是由于ADC器件参数、设计过程中的布局布线等非一致特性，各通道之间会产生通道失配误差，最直接的表现是重构后的数字信号存在增益误差、偏置误差和时间误差。为确保对原始信号的准确重现，通道失配误差需要被消除。在现有的失配误差校正方法中，对于增益误差和偏置误差较为容易，但是时间误差是一个棘手的问题，这是时间交替采样技术的一个主要瓶颈。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于时间交替采样的时间误差自适应消除方法，针对多通道采样信号之间的时间失配误差，采用时间误差自适应校正来动态消除时间误差，有助于信号的准确还原。

为实现上述发明目的，本发明用于时间交替采样的时间误差自适应消除方法包括以下步骤：

S1：记用于进行时间交替采样的ADC的数量为M，其中M＝2^D，D为正整数，M片ADC采样得到M个通道的采样信号x_i[n]，i表示采样信号序号，i＝0,1,…,M-1，n表示采样时刻；

S2：初始化参考信号集合B＝{x₀[n],x₀[n+1]}；

S3：记当前参考信号集合B中的参考信号数量为Q，设置参考信号x₀[n+1]对应的采样信号序号为M，将参考信号集合B中各个参考信号以对应的采样信号序号进行从小到大排序，记第q个参考信号对应的采样信号序号为I_q，q＝0,1,…,Q-1；

S4：根据以下公式计算出本次进行时间误差自适应校正的Q-1个采样信号的序号f_j：

其中，j＝0,1,…,Q-2。

采样信号对应的两个参考信号分别为和当I_j+1＝M时，

S5：对于步骤S4确定的Q-1个采样信号，分别进行时间误差自适应校正，时间误差自适应校正的具体步骤包括：

S5.1：记当前所需进行时间误差自适应校正的采样信号为x[n]，其两路参考信号分别记为x_ref1[n]和x_ref2[n]，其中n＝1,2,…,N，N表示信号长度；

S5.2：初始化迭代次数k＝1，时间误差估计结果r(0)＝0；

S5.3：根据以下公式分别计算出误差序列e₁[n]和e₂[n]：

e₁[n]＝x[n]-x_ref1[n]

e₂[n]＝x[n]-x_ref2[n]

S5.4：根据以下公式计算得到本次迭代的代价函数

S5.5：采用以下公式进行时间误差估计：

其中，r(k)、r(k-1)分别表示第k次、第k-1次的时间误差估计结果，μ表示预设的调节步进，μ的取值范围为(0,1)；

S5.6：根据以下公式计算得到相位修正值R(k)：

R(k)＝R(0)-[r(k)/S]

其中，R(0)表示采样信号x[n]所对应的采样时钟相位初始值，S表示预设的调节步进延时，[]表示取整；

根据得到的相位修正值R(k)对采样信号x[n]所对应的ADC的采样时钟相位进行修正；

S5.7：判断是否达到迭代结束条件，如果是，则校正结束，否则进入步骤5.8；

S5.8：令k＝k+1，返回步骤S5.3；

S6：将步骤S5中经过时间误差自适应校正的Q-1个采样信号加入参考信号集合B中；

S7：判断当前参考信号集合B中的参考信号数量是否等于M+1，如果是，时间误差消除结束，否则返回步骤S3。

本发明用于时间交替采样的时间误差自适应消除方法，对于M个通道的采样信号，首先将第1个通道的本周期和下一周期的信号作为参考信号构成参考信号集合，对第M/2通道的采样信号进行时间误差自适应校正，然后将校正后的第M/2通道的采样信号加入参考信号集合，再对其他采样信号进行校正，如此循环，直到所有采样信号均完成校正。本发明针对多通道采样信号之间的时间失配误差，采用时间误差自适应校正来动态消除时间误差，有助于信号的准确还原。

附图说明

图1是双通道TIADC的采样波形示例图；

图2是本发明用于时间交替采样的时间误差自适应消除方法的具体实施方式流程图；

图3是本发明中时间误差自适应校正算法的流程图；

图4是本实施例中参考信号设置方案示意图。

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。

为了更好地说明本发明的技术方案，首先以双通道时间交替采样为例对本发明的技术原理进行简要说明。

图1是双通道TIADC的采样波形示例图。如图1所示，x(t)是连续的模拟信号，t表示信号时刻，两片采样率为f_s的ADC对该信号按照时间交替采样方式进行采样，单ADC连续样点的采样间隔T_s＝1/f_s。以第一片ADC的采样结果为参考信号，令该ADC的初始相位为Φ₀产生信号x₀[n]，第二片ADC的初始相位为Φ₁产生采样信号x₁[n]。为便于对算法理解，标记参考信号x_ref1[n]＝x₀[n]和x_ref2[n]＝x₀[n+1]。理想情况下x₁的采样时刻是参考信号x_ref1和x_ref2的采样时刻中点，图中两片ADC的时间间隔为Δt＝T_s/2，即相位差Φ₁-Φ₀＝180°。

定义两个新的序列e₁[n]＝x₁[n]-x_ref1[n]和e₂[n]＝x₁[n]-x_ref2[n]，新的序列为x₁与两参考信号的差值。在理想情况下即不存在时间误差时，如下等式关系成立

E(|e₁|)＝E(|e₂|)

其中，E()表示求取平均值。

而当采样点为非理想时刻时，有E(|e₁|)≠E(|e₂|)。

本发明基于以上论述，提出了一种用于时间交替采样的时间误差自适应消除方法。图2是本发明用于时间交替采样的时间误差自适应消除方法的具体实施方式流程图。如图2所示，本发明用于时间交替采样的时间误差自适应消除方法的具体步骤包括：

S201：确定时间交替采样相关参数：

记用于进行时间交替采样的ADC的数量为M，其中M＝2D，D为正整数，M片ADC采样得到M个通道的采样信号x_i[n]，i表示采样信号序号，i＝0,1,…,M-1，n表示采样时刻。

S202：初始化参考信号集合：

本发明选择以采样信号x₀[n]作为基准进行时间误差消除，而根据本发明的技术原理可知，一个采样信号进行时间误差消除时，需要两个参考信号，基于此，初始化参考信号集合B＝{x₀[n],x₀[n+1]}。

S203：获取参考信号集合参数：

记当前参考信号集合B中的采样信号数量为Q，设置参考信号x₀[n+1]对应的采样信号序号为M，将参考信号集合B中各个参考信号以对应的采样信号序号进行从小到大排序，记第q个参考信号对应的采样信号序号为I_q，q＝0,1,…,Q-1。显然第Q个参考信号即为x₀[n+1]。

S204：确定参考信号：

本发明对采样信号采用分批次进行时间误差自适应校正，每次校正时，以当前参考信号中所包含的采样信号来确定对哪些未进行时间误差自适应校正的采样信号进行处理。对当前参考信号集合B而言，需要进行时间误差自适应校正的采样信号数量为Q-1，首先根据以下公式计算出本次进行时间误差消除的采样信号的序号f_j：

其中，j＝0,1,…,Q-2。

该采样信号对应的两个参考信号分别为和当I_j+1＝M时，

S205：时间误差自适应校正：

对于步骤S204确定的Q-1个采样信号，分别进行时间误差自适应校正。图3是本发明中时间误差自适应校正算法的流程图。如图3所示，本发明中时间误差自适应校正算法的具体步骤包括：

S301：信号配置：

记当前所需进行时间误差自适应校正的采样信号为x[n]，其两路参考信号分别记为x_ref1[n]和x_ref2[n]，其中n＝1,2,…,N，N表示信号长度。一般来说，采样信号和参考信号都使用的对应信号最新的N个采样值所构成的序列。

S302：初始化迭代次数k＝1，时间误差估计结果r(0)＝0。

S303：计算误差序列：

根据以下公式分别计算出误差序列e₁[n]和e₂[n]：

e₁[n]＝x[n]-x_ref1[n]

e₂[n]＝x[n]-x_ref2[n]

S304：计算代价函数：

根据以下公式计算得到本次迭代的代价函数

S305：时间误差估计：

采用以下公式进行时间误差估计：

其中，r(k)、r(k-1)分别表示第k次、第k-1次的时间误差估计结果，μ表示预设的调节步进，μ的取值范围为(0,1)，当μ较大时收敛速度快，但会损失一定精度，当μ较小时估计精度高但收敛速度慢，在实际应用中可以根据需要来设置高节步进μ的具体取值。

S306：修正ADC采样时钟相位：

根据以下公式计算得到相位修正值R(k)：

R(k)＝R(0)-[r(k)/S]

其中，R(0)表示采样信号x[n]所对应的ADC的采样时钟相位初始值，S表示预设的调节步进延时，[]表示取整。

根据相位修正值R(k)对采样信号x[n]所对应的ADC的采样时钟相位进行修正。时钟相位修正的具体流程需要根据ADC的具体配置来确定，当ADC配置有内部相位调节器时，直接对其相位寄存器设置即可，如果没有相位调节器，则需要通过调整ADC时钟源的相位进行相位调节。

S307：判断是否达到迭代结束条件，如果是，则校正结束，否则进入步骤S308。

迭代结束条件通常分为两种，一种是判断时间误差估计结果是否收敛，即是否满足ε表示预设阈值，如果收敛，则校正结束；一种是判断迭代次数是否达到预设的最大迭代次数，如果达到，则校正结束。

S308：令k＝k+1，返回步骤S303。

S206：更新参考信号集合：

由于本次进行时间误差消除的Q-1个采样信号中经过步骤S206的时间误差自适应校正后，已经实现了时间误差消除，可以作为参考信号进行使用，因此将本次进行时间误差消除的Q-1个采样信号加入参考信号集合B中。

S207：判断当前参考信号集合B中的参考信号数量是否等于M+1，也就是是否所有的采样信号都完成了时间误差自适应校正，如果是，则说明时间误差消除结束，否则返回步骤S203。

实施例

为了更好地说明本发明的技术方案，采用一个具体实例对本发明进行详细说明。

本实施例中设置4片ADC进行时间交替采样，即存在4个通道的采样信号x₀[n]、x₁[n]、x₂[n]、x₃[n]，在一个采样周期内4个采样信号的相位分别为0°，90°，180°，270°f₁＝(0+2)/2＝1。

初始化参考信号集合B＝{x₀[n],x₀[n+1]}，可见此时参考信号集合B中的参考信号数量为2，2个参考信号对应的采样信号序号分别为I₁＝0、I₂＝4。那么第1次进行时间误差自适应校正时，只需要对1个采样信号进行校正，其采样信号序号f₁＝(0+4)/2＝2，即需要校正的采样信号为x₂[n]，其参考信号为x₀[n]和x₀[n+1]。

第1次时间误差自适应校正后，将x₂[n]加入参考信号集合B，对参考信号按照采样信号序号进行排序后，可知此时B＝{x₀[n],x₂[n],x₀[n+1]}，参考信号数量为3，3个参考信号对应的采样信号序号分别为I₁＝0、I₂＝2、I₃＝4。此时需要对2个采样信号进行校正，其采样信号序号分别为、f₂＝(2+4)/2＝3，即需要校正的采样信号为x₁[n]、x₃[n]，采样信号x₁[n]的参考信号为x₀[n]和x₂[n]，采样信号x₃[n]的参考信号为x₂[n]和x₀[n+1]。

图4是本实施例中参考信号设置方案示意图。如图4所示，x₀[n]作为初始参考信号，不需要进行校正。采样信号x₂[n]的参考信号为x₀[n]和x₀[n+1]，采样信号x₁[n]的参考信号为x₀[n]和x₂[n]，采样信号x₃[n]的参考信号为x₂[n]和x₀[n+1]。

综上可知，在本实施例中，首先根据参考信号对采样信号x₂[n]进行时间误差自适应校正，然后再根据对应的参考信号对采样信号x₁[n]和x₃[n]分别进行时间误差自适应校正，从而消除时间交替采样中的时间误差。

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)

1.一种用于时间交替采样的时间误差自适应消除方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：记用于进行时间交替采样的ADC的数量为M，其中M＝2^D，D为正整数，M片ADC采样得到M个通道的采样信号x_i[n]，i表示采样信号序号，i＝0,1,…,M-1，n表示采样时刻；

S2：初始化参考信号集合B＝{x₀[n],x₀[n+1]}；

S3：记当前参考信号集合B中的参考信号数量为Q，设置参考信号x₀[n+1]对应的采样信号序号为M，将参考信号集合B中各个参考信号以对应的采样信号序号进行从小到大排序，记第q个参考信号对应的采样信号序号为I_q，q＝0,1,…,Q-1；

S4：根据以下公式计算出本次进行时间误差自适应校正的Q-1个采样信号的序号f_j：

其中，j＝0,1,…,Q-2。

采样信号对应的两个参考信号分别为和当I_j+1＝M时，

S5：对于步骤S4确定的Q-1个采样信号，分别进行时间误差自适应校正，时间误差自适应校正的具体步骤包括：

S5.1：记当前所需进行时间误差自适应校正的采样信号为x[n]，其两路参考信号分别记为x_ref1[n]和x_ref2[n]，其中n＝1,2,…,N，N表示信号长度；

S5.2：初始化迭代次数k＝1，时间误差估计结果r(0)＝0；

S5.3：根据以下公式分别计算出误差序列e₁[n]和e₁[n]：

e₁[n]＝x[n]-x_ref1[n]

e₂[n]＝x[n]-x_ref2[n]

S5.4：根据以下公式计算得到本次迭代的代价函数

S5.5：采用以下公式进行时间误差估计：

其中，r(k)、r(k-1)分别表示第k次、第k-1次的时间误差估计结果，μ表示预设的调节步进，μ的取值范围为(0,1)；

S5.6：根据以下公式计算得到相位修正值R(k)：

R(k)＝R(0)-[r(k)/S]

其中，R(0)表示采样信号x[n]所对应的ADC的采样时钟相位初始值，S表示预设的调节步进延时，[]表示取整；

根据相位修正值R(k)对采样信号x[n]所对应的ADC的采样时钟相位进行修正；

S5.7：判断是否达到迭代结束条件，如果是，则校正结束，否则进入步骤5.8；

S5.8：令k＝k+1，返回步骤S5.3；

S6：将步骤S5中经过时间误差自适应校正的Q-1个采样信号加入参考信号集合B中；

S7：判断当前参考信号集合B中的参考信号数量是否等于M+1，如果是，时间误差消除结束，否则返回步骤S3。