CN111865312B - 一种数字带宽交替系统模数本振同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字带宽交替系统模数本振同步方法，主要包括三个步骤：1)、模拟本振信号与采样钟的同源处理；2)、模数本振信号随机同步误差的消除；3)、模数本振信号固定相位差的消除；当数字带宽交替系统完成三个步骤后，能够实现模数本振同步处理。

Description

一种数字带宽交替系统模数本振同步方法

技术领域

本发明属于信号处理技术领域，更为具体地讲，涉及一种数字带宽交替系统模数本振同步方法。

背景技术

现代电子系统飞速发展，信号的频率越来越高，带宽越来越宽，对采集系统的指标提出了更高的要求。传统的TIADC结构只能突破单片ADC的转换速率限制，无法在提高采样率的同时提升输入带宽。近年提出的数字带宽交替技术可以突破性地同时提高采集系统的带宽和采样率，成为了新兴的重要研究方向。

数字带宽交替系统利用模拟滤波器将信号带宽分解成若干频率子带，其中，高频子带借助模拟混频技术将高频带信号下变频至低频带(基带)后送入ADC 采样，并在数字后端采用数字上变频技术将基带信号还原至原始频带，在模拟下变频以及数字上变频的过程中，模拟本振与数字本振信号之间的相位偏差将会引入额外的误差。特别是对于高速采集系统，往往是按照采集-信号处理的串行结构，因此在数字上变频的过程中，数字本振初相选择不当将引入子带间的随机相位误差，使得数字带宽交替系统无法完成输入信号的完美重构。此外，由于系统上电时刻的随机性，模拟本振信号和数字本振信号之间的相位关系都会发生改变，如果不加以控制，模数本振信号之间的相位差将会严重影响后端的子带一致性补偿。因此，如何实现数字带宽交替采集系统中的模数本振信号同步成为了信号完美重构的前提，同时也是该系统的关键点和难点。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种数字带宽交替系统模数本振同步方法，解决数字带宽交替采集系统中的模数本振信号频率及相位偏差问题。

为实现上述发明目的，本发明一种数字带宽交替系统模数本振同步方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、模拟本振与ADC采样时钟的同源处理

将数字带宽交替系统的同一参考晶振输出的时钟同时输入至ADC采样时钟的锁相环和模拟本振发生模块，作为两者的参考时钟，使模拟本振与ADC采样时钟同源，且同源后的模拟本振与ADC采样时钟之间相位固定；

(2)、模拟本振与数字本振之间随机相位误差消除

(2.1)、引入一个模为S的计数器，该计数器工作在ADC的数据同步时钟 DCLK下，且与ADC采样时钟和模拟本振同源；其中，计数器的模值 S＝lcm(K,N)/N，lcm(·)为最小公倍数，N＝f_s/f_DCLK，K＝lcm(f_s,f_l)/f_l，f_s为数字带宽交替系统的采样率，f_l为模拟本振的频率，f_DCLK为ADC数据同步时钟的频率；

(2.2)、在数字带宽交替系统开机后将计数器的计数值复位至0；

(2.3)、计数器复位结束后，计数器开始循环计数，计数器的第n+1个计数值C(n+1)按照迭代公式C(n+1)＝mod{C(n)+N,K}进行，其中，mod{·}为求模运算；

(2.4)、当数字带宽交替系统开始采集时，将数字带宽交替系统中的存储模块的写使能的上升沿锁存，并根据此锁存信号将当前时刻下的计数器的值C(n) 进行锁存，记第p次采集锁存的计数值为L(p)；

(2.5)、将锁存的L(p)按照公式

转换成对应的数字本振初相值

其中，上标c表示计数器counter，下标d表示数字本振digital localoscillator；将

作为第p次采集的数字本振初相进行数字上变频操作，从而消除模拟本振与数字本振之间的随机相位误差；

(3)、模拟本振与数字本振之间固定相位误差消除

(3.1)、选取频率位于两个子带频率交叠带内的正弦测试信号输入至数字带宽交替系统中；

(3.2)、两个频率子带同步对正弦测试信号进行采集，然后在数字端对两个子带的采集信号进行上采样以及抗混叠滤波操作；

(3.3)、根据数字本振初相值

对第二个子带抗混叠滤波后的信号进行数字上变频以及抗镜像滤波操作；

(3.4)、利用快速傅里叶变换分别计算第一个子带抗混叠滤波后的正弦信号以及第二个子带抗镜像滤波后的正弦信号的初相，分别记作θ₁以及θ₂；

(3.5)、计算两个子带采集到正弦波之间的初相差Δθ＝θ₁-θ₂；

(3.6)、完成Δθ的测量后，移除频率位于交叠带内的正弦测试信号；

(3.7)、在根据(2.5)中计数器生成的数字本振初相值

的基础上增加Δθ，将其得到的相位值作为每次数字上变频的数字本振初相值θ_d(p)，即

进而完成模拟/数字本振之间的固定相位差消除，至此，完成模拟与数字本振之间的同步。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明一种数字带宽交替系统模数本振同步方法，主要包括三个步骤：1)、模拟本振信号与采样钟的同源处理；2)、模数本振信号随机同步误差的消除；3)、模数本振信号固定相位差的消除；当数字带宽交替系统完成三个步骤后，能够实现模数本振同步处理。

同时，本发明一种数字带宽交替系统模数本振同步方法还具有以下有益效果：

(1)、本发明利用ADC采样钟与模拟本振同源后的同步关系，设计同源计数器以及锁存器的方式实现数字带宽交替采样系统中模拟本振与数字本振之间的同步。

(2)、本发明无需增加额外的硬件开销即可实现数字带宽交替采样系统中模拟本振与数字本振之间的同步。

(3)、本发明仅需要利用单音正弦信号作为激励即可实现模数本振之间的固定相位差消除，无需生成复杂的多音信号作为激励。

附图说明

图1是本发明一种数字带宽交替系统原理图；

图2是采样钟与同源/非同源本振信号示意图；

图3是模拟本振信号与ADC采样钟的同源处理原理图；

图4是数字带宽交替系统写使能开启时刻引入的随机同步示意图；

图5是基于同步时间戳的模数本振同步装置原理图；

图6是模拟/数字本振信号固定相位差示意图。

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。

实施例

在本实施例中，如图1所示，如图1所示，数字带宽交替采集系统利用模拟滤波器组将信号分为不同的频率子带，高频子带信号与模拟本振信号进行混频后滤波，将频率下变频到低频带内，利用多片ADC分别对基带和下变频后的频率子带进行采样，最后在数字端通过数字上采样、上变频及滤波等数字处理方法还原高频子带信号的真实频率并重构采样信号。在系统中对于高频子带的信号，需要经过与模拟本振信号混频、ADC采样、数字本振信号混频的频率搬移过程，在此过程中产生的模拟与数字本振信号的相位差会影响后端数据重构的结果。对于频率位于交叠带内的单音信号而言，由于模数本振信号同步问题，输入的信号同时送入两子带进行采集后，数字端进行拼合前的两子带信号频率相同但相位差具有随机性，导致拼合波的波形幅度无法稳定，严重影响后端的子带一致性补偿。

对于系统中模数本振同步的问题，通过输入交叠带内一固定频点的正弦单音信号，采样并记录两子带之间信号的相位差来进行验证。设数字带宽交替系统的采样率为f_S，模拟本振的频率为f_l，下面对本发明一种数字带宽交替系统模数本振同步方法进行详细说明，具体包括以下步骤：

S1、模拟本振与ADC采样时钟的同源处理

模拟本振信号与采样钟的同源性是模数本振同步的大前提，同源的采样钟与模拟本振信号之间具有固定的相位关系，如图2所示，同源的模拟本振和采样钟之间具有稳定的相位关系，在同源的情况下，任意一个采样钟的上升沿 (一个采样点)对应的本振相位有且仅有T_num种，T_num为f_S/f_L进行约分到最简分数时的分子，即为以f_S采样率对模拟本振采样后序列为整周期的最小值。以本系统为例，系统采样率为80GSPS，模拟本振信号频率为10.5GHz，T_num＝160， ADC量化后的采样点可能对应160种模拟本振相位，因此在后端数字上变频的过程中需要确定数字本振的初相，保证数字本振信号与模拟本振信号相位的一致性。

而未同源的模拟本振信号与采样钟之间存在一个时变的频率差Δf(t)，导致两者之间的相位关系不稳定，此时，任意一个采样钟的上升沿对应的模拟本振信号相位有无穷多种可能，如图2所示，这为后端数字本振信号相位的选择带来了极大的困难。因此，在硬件方案设计时需保证模拟本振信号与采样钟的同源性。

本系统采用的同源处理如图3所示，将数字带宽交替系统的参考晶振给锁相环以及本振发生模块提供参考时钟，锁相环生成ADC采样阵列(包含多个子带的ADC)所需要的工作时钟，使模拟本振与ADC采样时钟同源，且同源后的模拟本振与ADC采样时钟之间相位固定，由于锁相环和本振发生模块具有相同的参考时钟，因此通过该方案可以确保采样钟与模拟本振信号的同源性。

S2、随机相位误差消除

由于系统资源以及信号速率的限制，采集系统往往是采集-存储-处理-显示的串行非实时结构，因此信号处理过程实际上是针对一次采集过程中存储的采样点进行处理。数字上变频过程在基于这种串行处理结构时，只需要保每一次采集过程中，数字本振信号的初始相位值与当前采集存储的数据中第一个采样点对应的模拟本振信号相位值一致，便可以完成模数本振信号同步的过程。在数据采集的过程中，存储器写使能开启的时间决定了采集过程存储的起始采样时刻，即决定了对应模拟本振信号的初相。对于系统中的串行架构，由于软件读取以及信号处理等原因，导致存储器写使能信号的开启时间随机，即对应着模拟本振随机的相位，这种存储器写使能的随机性入引入了模拟本振信号和数字本振信号的随机同步误差。因此，通过增加计数器来标定写使能的开启时刻，确定采集存储第一个采样点对应的模拟本振信号相位值，从而确定数字本振信号的初相值，消除模拟数字本振信号随机同步误差。下面我们对随机相位误差消除的具体过程进行描述，具体为：

S2.1、引入一个模为S的计数器，该计数器工作在ADC的数据同步时钟 DCLK下，且与ADC采样时钟和模拟本振同源；其中，计数器的模值 S＝lcm(K,N)/N，lcm(·)为最小公倍数，N＝f_s/f_DCLK，K＝lcm(f_s,f_l)/f_l，f_s为数字带宽交替系统的采样率，f_l为模拟本振的频率，f_DCLK为ADC数据同步时钟的频率；

S2.2、在数字带宽交替系统开机后将计数器的计数值复位至0；

S2.3、计数器复位结束后，计数器开始循环计数，计数器的第n+1个计数值 C(n+1)按照公式C(n+1)＝mod{C(n)+N,K}进行，其中，mod{·}为求模运算；

S2.4、当数字带宽交替系统开始采集时，将数字带宽交替系统中的存储模块的写使能的上升沿锁存，并根据此锁存信号将当前时刻下的计数器的值C(n)进行锁存，记第p次采集锁存的计数值为L(p)；

S2.5、将锁存的L(p)按照公式

转换成对应的数字本振初相值

其中，上标c表示计数器counter，下标d表示数字本振digital localoscillator；将

作为第p次采集的数字本振初相进行数字上变频操作，从而消除模拟本振与ADC采样时钟之间的随机相位误差；

在本实施例中，ADC输出的并行256路采样数据是在慢速的数据同步时钟312.5MHz进行处理的，则可以得到

C(n+1)＝[C(n)+256]％160

N/T_num＝256/160＝8/5即S＝5，写使能信号到来的时刻可能是图4中①②③④⑤中的任何时刻，对应着模拟本振信号的0、96、32、128、64五种相位点，利用计数器采用基于同步时间戳的模数本振同步装置来消除模数本振信号随机同步误差。

如图5所示，基于同步时间戳的模数本振同步装置引入了模为5的环形计数器，通过在数据同步时钟下循环计数来对应不同的写使能开启时刻，计数器的值通过译码器转换为对应的数字本振初相值，锁存写使能的上升沿，并将译码器的输出作为数字本振的初相值发往数字混频模块。通过增加同步时间戳的方式记录写使能的开启时刻，从而消除由于写使能开启时刻随机引入的模数本振信号随机同步误差。

S3、固定相位误差消除

在消除了模拟/数字本振信号之间的随机误差后，模拟本振和数字本振信号之间由于计数器偏移、模拟电路时延、ADC同步复位信号，电路工作温度等等多种因素导致了模拟本振信号和数字本振信号之间仍然存在一个固定的相位差，这个相位差每次复位系统(重启)时会发生改变，但是一旦系统稳定，这个相位差值不会发生改变。为了不影响后续的校正过程，需要每次记录这个相位差的变化，以本系统为例，模数本振信号固定相位差如图6所示。下面我们对固定相位误差消除过程进行详细描述：

S3.1、选取频率位于两个子带频率交叠带内的正弦测试信号输入至数字带宽交替系统中；

S3.2、两个频率子带同步对正弦测试信号进行采集，然后在数字端对两个子带的采集信号进行上采样以及抗混叠滤波操作；

S3.3、根据数字本振初相值

对第二个子带抗混叠滤波后的信号进行数字上变频以及抗镜像滤波操作；

S3.4、利用快速傅里叶变换分别计算第一个子带抗混叠滤波后的正弦信号以及第二个子带抗镜像滤波后的正弦信号的初相，分别记作θ₁以及θ₂；

S3.5、计算两个子带采集到正弦波之间的初相差Δθ＝θ₁-θ₂；

S3.6、完成Δθ的测量后，移除频率位于交叠带内的正弦测试信号；

S3.7、在根据(2.5)中计数器生成的数字本振初相值

的基础上增加Δθ，将其得到的相位值作为每次数字上变频的数字本振初相值θ_d(p)，即

进而完成模拟/数字本振之间的固定相位差消除，至此，完成模拟与数字本振之间的同步。

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)

1.一种数字带宽交替系统模数本振同步方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、模拟本振与ADC采样时钟的同源处理

将数字带宽交替系统的同一参考晶振输出的时钟同时输入至ADC采样时钟的锁相环和模拟本振发生模块，作为两者的参考时钟，使模拟本振与ADC采样时钟同源，且同源后的模拟本振与ADC采样时钟之间相位固定；

(2)、模拟本振与数字本振之间随机相位误差消除

(2.1)、引入一个模为S的计数器，该计数器工作在ADC的数据同步时钟DCLK下，且与ADC采样时钟和模拟本振同源；其中，计数器的模值S＝lcm(K,N)/N，lcm(·)为最小公倍数，N＝f_s/f_DCLK，K＝lcm(f_s,f_l)/f_l，f_s为数字带宽交替系统的采样率，f_l为模拟本振的频率，f_DCLK为ADC数据同步时钟的频率；

(2.2)、在数字带宽交替系统开机后将计数器的计数值复位至0；

(2.3)、计数器复位结束后，计数器开始循环计数，计数器的第n+1个计数值C(n+1)按照迭代公式C(n+1)＝mod{C(n)+N,K}进行，其中，mod{·}为求模运算；

(2.4)、当数字带宽交替系统开始采集时，将数字带宽交替系统中的存储模块的写使能的上升沿锁存，并根据此锁存信号将当前时刻下的计数器的值C(n)进行锁存，记第p次采集锁存的计数值为L(p)；

(2.5)、将锁存的L(p)按照公式

转换成对应的数字本振初相值

其中，上标c表示计数器，下标d表示数字本振；将

作为第p次采集的数字本振初相进行数字上变频操作，从而消除模拟本振与数字本振之间的随机相位误差；

(3)、模拟本振与数字本振之间固定相位误差消除

(3.1)、选取频率位于两个子带频率交叠带内的正弦测试信号输入至数字带宽交替系统中；

(3.2)、两个频率子带同步对正弦测试信号进行采集，然后在数字端对两个子带的采集信号进行上采样以及抗混叠滤波操作；

(3.3)、根据数字本振初相值

对第二个子带抗混叠滤波后的信号进行数字上变频以及抗镜像滤波操作；

(3.4)、利用快速傅里叶变换分别计算第一个子带抗混叠滤波后的正弦信号以及第二个子带抗镜像滤波后的正弦信号的初相，分别记作θ₁以及θ₂；

(3.5)、计算两个子带采集到正弦波之间的初相差Δθ＝θ₁-θ₂；

(3.6)、完成Δθ的测量后，移除频率位于交叠带内的正弦测试信号；

(3.7)、在根据(2.5)中计数器生成的数字本振初相值

的基础上增加Δθ，将其得到的相位值作为每次数字上变频的数字本振初相值θ_d(p)，即

进而完成模拟/数字本振之间的固定相位差消除，至此，完成模拟与数字本振之间的同步。

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