CN111917413A - 一种ti-adc通道间时序偏差校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于TI‑ADC时序偏差校准技术领域，特别提出一种TI‑ADC通道间时序偏差校准方法。本发明引入一个与TI‑ADC时钟频率相同，但具有互质交织因子的TI‑RADC来作为额外参考ADC，其中在模拟电路中将额外参考ADC的数量从1个扩展到多个并加入一个多路输入一路输出的MUX将额外参考ADC的输出用于进行时序偏差校准。本发明以极其低的电路代价和功耗代价解决了使用额外参考ADC进行时序偏差校准这一类校准技术中存在着的输入阻抗变动问题，实现简单，应用价值高。

Description

一种TI-ADC通道间时序偏差校准方法

技术领域

本发明属于TI-ADC时序偏差校准技术领域，特别提出一种TI-ADC通道间时序偏差校准方法。

背景技术

现代无线和有线通信系统的高速发展，对采样率达到几GS/s以上并具有中高分辨率的超高速模数转换器(ADC)的需求日益增加。单通道难以实现如此超高采样率，而时间交织结构ADC(TI-ADC)通过将多个低采样率的ADC并行工作，可以成倍提高采样率，因此成为超高速ADC的一种有效的实现方式。但是在实际应用中，TI-ADC中各通道间存在各种失配，比如增益偏差，失调偏差以及时序偏差，这些失配将会严重恶化TIADC的线性度。失调偏差和增益偏差可以直接通过测量TI-ADC中不同通道各自输出的平均值和均方值来获得偏差信息，而后在数字域引入系数调整即可完成校准。而时序偏差由于与输入信号频率相关，在测量上需要同时考虑到所有的通道的影响，因而是研究的难点。

时序偏差校准分为两步，第一步为时序偏差检测，第二步为时序偏差调整。其中时序偏差调整的方式主要分为两种，第一种是在模拟电路中对TI-ADC中的通道引入数控延时链(DCDL)来调节不同通道的采样沿位置，另一种则是在数字域线性插值。而时序偏差的检测则大致分为两类，一类是不引入额外的参考ADC，另一类是引入额外的参考ADC。前者直接从不同通道的输出数据间抽取与时序偏差相关的信息，典型方法如过零检测和不同通道数字域混频(digital mixing)。这类方法无需在模拟电路中引入额外电路，因而模拟电路简洁，但是却具有收敛速度慢，且不同通道的收敛过程和准确度互相关联的缺点，这一缺点在交织因子较大的情况时更加严重。而引入一个额外的参考ADC周期性的与TI-ADC 共同采样的校准方法，则是在TI-ADC各个通道的输出和参考ADC的输出间提取与时序偏差相关的信息。典型方法如互相关值计算，导数计算等。该类方法中的参考ADC需要保证能够周期性地和TI-ADC中的每个通道同时对输入信号采样，因而其工作频率或者为 TI-ADC的全时钟频率，或者是TI-ADC全时钟频率的M分频，其中M需要保证与TI-ADC 的交织因子N互质。事实上，将参考ADC工作在TI-ADC的全时钟频率是难以实现的，尤其是当N很大且采样率很高的情况下。

一种已被提出的引入额外参考ADC的时序偏差校准方法，原理如图1所示，该校准方法是计算不同通道间互相关值来获取时序偏差信息，其调整方式为在TI-ADC中选定一个基准通道(standard channel)，将该基准通道采样沿固定，而后调节TI-ADC中其余通道的采样沿位置使其对准基准通道的采样沿。图1中TI-ADC的交织因子为N，ADCi (i＝1，2，3，...，N)为TI-ADC的N个通道，TI-ADC的全工作时钟频率为F_s，则每个通道都工作在频率F_s/N。φ_i为TI-ADC中第i通道的采样沿。TI-ADC中第一通道ADC1被设定为基准通道，其采样沿固定，DCDL<i>是对应于TI-ADC中第i通道的数控延时链(DCDL)，用来控制TI-ADC中第i通道的采样沿位置。word<i>是DCDL<i>的控制字，当word<i>变大时，φ_i滞后，而当word<i>变小时，φ_i提前。dout.raw<i>是第i通道ADCi的原始输出码，包含有ADCi的全部失配信息。dout.raw<i>首先经过失调和增益校准(offset/gain calibration)去除自身的失调偏差和增益偏差，生成各通道的输出码dout<i>。每个dout<i>一方面经过多路转换器(MUX)合并为全速的数字码doutF直接输出，另一方面则用于时序偏差校准(timing skewcalibration)。校准所使用的额外参考ADC(RADC)是一个一位的单通道ADC(图1中记为1-bit RADC)，其工作时钟频率为F_s/M，其中M与N互质，采样沿为φ_r，RADC自身失调偏差将在模拟电路中进行校准。φ_r被设定为滞后ADC1采样沿一个固定的时间间隔，该时间间隔被设定为τ。τ的取值需要保证下式成立：

其中，OS_r是RADC失调校准后的最终失调，f_in.min和f_in.max分别是所要求的最小输入信号频率和最大输入信号频率。

RADC的输出为dr，dr将直接用来进行时序偏差校准。对于每个通道的时序偏差校准分为以下三步：

1.对第i通道，计算输出码dout<i>的符号位ds<i>，计算方法为：利用TI-ADC中的第i通道的输出dout<i>，在数字电路中用统计方法计算dout<i>的当前平均值

而后将每次的输入dout<i>与当前

作比较，如果

则ds<i>＝1；若

则ds<i>＝0；

其中计算

的方法是采用滑动平均的算法，首先定义一个远小于1但大于0的数μ(比如：μ＝0.000001)，同时设定

的初值为0，每次TI-ADC中的第i通道完成A/D 转换生成输出码dout<i>，都按照以下公式更新当前

的值。

2.分别计算每一个通道的符号位ds<i>与drF的乘积，而后对于TI-ADC中第i通道，将ds<i>与drF的乘积和ds<1>与drF的乘积做差并取该差的绝对值，将该绝对值记为y<i>。通过不断的滑动平均获取y<i>的均值

其中滑动平均的方法与步骤1相同，但μ的取值不需要相同；

3.利用最小均方算法(LMS算法)调整TI-ADC中第i通道的时钟沿φ_i，使

趋近于局部极小值零，进而完成对TI-ADC中第i通道的时序偏差校准。

4.当TI-ADC中除去第一通道的所有通道都完成时序偏差校准，TI-ADC的时序偏差校准完成。

图2是对应于该时序偏差校准方法的时序图，这里以N＝4，M＝3为例，额外参考ADC(RADC)周期性的与TI-ADC中所有通道共同对输入信号采样，其校准周期为12T_s，其中T_s是TI-ADC的时钟周期。现将校准周期分为CLK₁，CLK₂，...，CLK₁₂共12相位。从时序图中可以看出，在CLK₁相位时，ADC1和参考ADC共同对输入信号采样，此时输入信号的负载是ADC1和参考ADC各自对应输入阻抗的并联。而在CLK₅相位，此时仅有ADC1对输入信号进行采样，因而输入信号的负载仅仅只由ADC1的输入阻抗提供。同样的问题对 TI-ADC中所有通道都存在，这种输入阻抗周期性变动的特性将会严重恶化TI-ADC中每一通道的线性度，进而恶化TI-ADC的整体线性度。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种TI-ADC通道间时序偏差校准方法。本发明引入一个与TI-ADC时钟频率相同，但具有互质交织因子的时间交织结构参考ADC(TI-RADC)作为额外参考ADC，以此解决由于额外参考ADC欠采样工作而引入的输入阻抗变化问题。本发明非常适用于超高速，大交织因子的TI-ADC的时序偏差校准。

本发明提出一种TI-ADC通道间时序偏差校准方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)记TI-ADC的交织因子为N，ADCi为TI-ADC中的第i通道，i＝1，2，3，...，N；TI-ADC的全工作时钟频率为F_s，每个通道都工作在频率F_s/N；

φ_i为TI-ADC中第i通道的采样沿；DCDL<i>是对应于TI-ADC中第i通道的数控延时链DCDL，用于控制TI-ADC中第i通道的采样沿位置；word<i>是DCDL<i>的控制字，当 word<i>变大时，φ_i滞后，而当word<i>变小时，φ_i提前；TI-ADC中第一通道ADC1被设定为基准通道，在校准过程中word<1>的值固定不变，因此第一通道ADC1的采样沿固定；

dout.raw<i>是第i通道ADCi的原始输出码，包含有ADCi的全部失配信息；dout.raw<i>首先经过失调和增益校准去除自身的失调偏差和增益偏差，生成各通道的输出码dout<i>；所有dout<i>组成TI-ADC共N路的输出dout<1：N>，dout<1：N>一方面经过第一并转串电路MUX(1)合并为全速的数字码doutF直接输出，另一方面则连接时序偏差校准电路用于时序偏差校准；

2)设置一个1比特M路的额外参考ADC记为TI-RADC，将TI-RADC和TI-ADC的输入同时连接到模拟信号输入端对输入信号进行采样；

TI-RADC的交织因子为M，其中M与N互质，RADCj为TI-RADC的第j通道， j＝1，2，3，...，M，TI-RADC的每个通道的输出连接第二并转串电路MUX(2)的输入，MUX(2) 的输出连接时间偏差校准电路；TI-RADC的全工作时钟频率与TI-ADC相同且等于F_s， TI-RADC每个通道都工作在频率F_s/M；

φ_rj对应为TI-RADC中第j通道的采样沿，每个φ_rj相比φ₁向后延时一个相同的时间间隔τ；其中τ的取值使得下式成立：

其中

是TI-RADC第j通道经过失调校准后的最终残留失调，f_in.min和f_in.max分别是最小输入信号频率和最大输入信号频率，t_skew.max是所估计的TI-RADC的最大时序偏差；将φ_rj和φ₁之间的时间间隔记为τ_j；

TI-RADC中第j通道的输出为dr<j>，TI-RADC共M路的输出dr<1：M>直接通过第二并转串电路MUX(2)生成TI-RADC的全速输出drF用于进行时序偏差校准；

3)时序偏差校准；具体步骤如下：

3-1)对TI-ADC中的每个通道，计算该通道输出码dout<i>的符号位ds<i>，计算方法为：

利用TI-ADC中的第i通道的输出dout<i>，通过滑动平均更新dout<i>的当前平均值

而后将每次的输入dout<i>与更新后的当前

比较：如果

则 ds<i>＝1；若

则ds<i>＝0；

3-2)计算ds<i>与drF的乘积，将除第一通道外的其他通道的ds<i>与drF的乘积和ds<1>与drF的乘积做差并取该差的绝对值，将该绝对值记为y<i>，而后通过滑动平均更新y<i>的均值

3-3)利用LMS算法调整TI-ADC中第i通道的时钟沿φ_i，使得

趋近于零，进而完成TI-ADC中第i通道的时序偏差校准；

3-4)当TI-ADC中除第一通道外的所有其他通道都完成时序偏差校准时，TI-ADC的时序偏差校准完成。

本发明的特点及有益效果：

本发明采用了额外的参考ADC与TI-ADC共同对输入信号采样校准策略，但是不同之处在于，本发明引入一个与TI-ADC时钟频率相同，但具有互质交织因子的TI-RADC 来作为额外参考ADC。本发明以极其低的电路代价和功耗代价解决了使用额外参考ADC 进行时序偏差校准这一类校准技术中存在着的输入阻抗变动问题。本发明所引入的额外电路代价除了在模拟电路中将额外参考ADC的数量从1个扩展到M个并加入一个M路输入一路输出的MUX以外，数字校准不会增加任何的其他电路。因而电路代价非常小，实现非常简单。本发明最大的特点在于TI-RADC自身的时序偏差并不会对TI-ADC的时序偏差校准造成影响，因而可以在模拟电路中直接将TI-RADC的输出通过MUX转化为全速的输出而后用来进行时序偏差校准。

附图说明

图1为一种已有的使用额外参考ADC的时序偏差校准方法原理图。

图2为已有的时序偏差校准方法对应的时序图。

图3为本发明方法的原理图。

图4为本发明方法对应的时序图。

图5为本发明实施例中R_j(τ)函数示意图。

图6为本发明实施例中F(x)函数示意图。

具体实施方式

本发明提出一种TI-ADC通道间时序偏差校准方法，下面结合附图和具体实施例对本发明进一步详细说明如下。

本发明提出一种TI-ADC通道间时序偏差校准方法，原理如图3所示，包括以下步骤：

1)记TI-ADC的交织因子为N，ADCi(i＝1，2，3，...，N)为TI-ADC的第i通道(TI-ADC共有N个通道)，TI-ADC的全工作时钟频率为F_s，每个通道都工作在频率F_s/N。

φ_i为TI-ADC中第i通道的采样沿。TI-ADC中第一通道ADC1被设定为基准通道(standard channel)，其采样沿固定；DCDL<i>是对应于TI-ADC中第i通道的数控延时链(DCDL)，用来控制TI-ADC中第i通道的采样沿位置。word<i>是DCDL<i>的控制字，当 word<i>变大时，φ_i滞后，而当word<i>变小时，φ_i提前(其中第一通道DCDL的控制字 word<1>固定，其采样沿也就固定)。

dout.raw<i>是第i通道ADCi的原始输出码，包含有ADCi的全部失配信息。dout.raw<i>首先经过失调和增益校准(offset/gain calibration)去除自身的失调偏差和增益偏差，生成各通道的输出码dout<i>。所有dout<i>组成TI-ADC共N路的输出dout<1：N>， dout<1：N>一方面经过第一并转串电路MUX(1)合并为全速的数字码doutF直接输出，另一方面则连接时序偏差校准电路用于时序偏差校准(timing skew calibration)。

2)设置一个1比特M路的额外参考ADC记为TI-RADC，将TI-RADC和TI-ADC的输入同时连接到模拟信号输入端对对输入信号进行采样。TI-RADC的交织因子为M，其中 M与N互质，RADCj(j＝1，2，3，...，M)为TI-RADC的第j通道(TI-RADC共有M个通道)， TI-RADC的每个通道的输出连接第二并转串电路(MUX(2))的输入，而MUX(2)的输出连接到时间偏差校准电路(图3中Timing skew calibration模块)。TI-RADC的全工作时钟频率与 TI-ADC相同且等于F_s，TI-RADC每个通道都工作在频率F_s/M。φ_rj对应为TI-RADC中第 j通道的采样沿，在实际芯片制造过程中，由于TI-RADC自身同样存在时序偏差，因此φ_rj是不确定且各不相同，但是在电路设计中可以将所有的φ_rj均相比φ₁向后延时一个相同的时间间隔τ。其中τ的取值需要保证下式成立：

其中

是TI-RADC第j通道经过失调校准后的最终残留失调，f_in.min和f_in.max分别是所要求的最小输入信号频率和最大输入信号频率，t_skew.max是所估计的TI-RADC的最大时序偏差。这里将φ_rj和φ₁之间的时间间隔记为τ_j。

TI-RADC中第j通道的输出为dr<j>，所有dr<j>组成TI-RADC共M路的输出，dr<1：M>直接通过第二并转串电路(MUX(2))生成TI-RADC的全速输出drF。而后drF被用来进行时序偏差校准。

3)时序偏差校准；具体步骤如下：

3-1)对TI-ADC中的每个通道，计算该通道输出码dout<i>的符号位ds<i>，计算方法为：

利用TI-ADC中的第i通道的输出dout<i>，在数字电路中用统计方法不断更新dout<i> 的平均值

而后将每次的输入dout<i>与当前

作比较，如果

则ds<i>＝1；若

则ds<i>＝0；

其中更新

的方法是采用滑动平均的算法，首先定义一个远小于1但大于0的数μ(比如：μ＝0.000001)，同时设定

的初值为0，每次TI-ADC中的第i通道完成A/D 转换生成输出码dout<i>，都按照以下式更新

的值。

其中，

代表第n次更新后的

代表第n+1次更新后的

每输入一个新的dout<i>就更新一次

每次更新后，将最新一次更新得到的

作为当前

3-2)计算ds<i>与drF的乘积，将除第一通道外的其他通道的ds<i>与drF的乘积和ds<1>与drF的乘积做差并取该差的绝对值，将该绝对值记为y<i>(其中，第一通道不计算该差值)，而后采用步骤3-1)中的滑动平均方法通过不断的滑动平均更新y<i>的均值

其中滑动平均的方法与步骤3-1)相同，但μ的取值可以相同。

3-3)利用LMS算法调整TI-ADC中第i通道的时钟沿φ_i，使得

趋近于零，进而完成TI-ADC中第i通道的时序偏差校准；

3-4)当TI-ADC中除第一通道外的所有其他通道都完成时序偏差校准时，TI-ADC的时序偏差校准完成。

图4是对应于本发明所提出校准技术的时序图，这里以N＝4，M＝3为例，TI-RADC中的每一个通道都周期性的和TI-ADC中每一个通道同时对输入信号采样，且TI-ADC中每个通道的每一次采样，都伴随有TI-RADC中一个通道对输入信号的采样，极大缓解了输入阻抗变动的问题。如果TI-RADC中每个通道的输入阻抗被设计的十分匹配，那么将直接可以忽略由于输入阻抗变化而导致的非线性问题。

以下本发明的原理进行证明。

将在数字校准电路中，y<i>不断统计平均的结果记为E[y<i>]。那么E[y<i>]可以写作如下表达式：

E[y<i>]＝E[|drF(ds<i>-ds<1>)|] (5 )

而drF的输出其实是由TI-RADC中M个通道各自的输出组成，因此可以将(3)中表达式变形为：

这样，E[y<i>]就相当于是TI-RADC中不同通道与TI-ADC中ADCi和ADC1分别对应的互相关值之差的算术平均。假设ADCi和ADC1之间的采样间隔记为x，那么与统计量 E[y<i>]的值相对应的数学量F(x)为：

F(x)是关于x的单变量函数，其中函数R_j(τ)为TI-ADC中子ADC通道与TI-RADC中第j通道间的互相关函数，其函数图像如图5所示，。函数F(x)的图像则如图6所示，由于

对所有τ_j成立。可以看出x＝0是F(x)的局部唯一极小值点，因而，当F(x) 趋近于零时，x趋近于0。也就是说当数字校准电路不断的调整TI-ADC中各个通道的采样沿，使得E[y<i>]趋于0时，ADCi的采样沿收敛到ADC1的采样沿，时序偏差校准完成。

Claims (1)

1.一种TI-ADC通道间时序偏差校准方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)记TI-ADC的交织因子为N，ADCi为TI-ADC中的第i通道，i＝1，2，3，...，N；TI-ADC的全工作时钟频率为F_s，每个通道都工作在频率F_s/N；

φ_i为TI-ADC中第i通道的采样沿；DCDL<i>是对应于TI-ADC中第i通道的数控延时链DCDL，用于控制TI-ADC中第i通道的采样沿位置；word<i>是DCDL<i>的控制字，当word<i>变大时，φ_i滞后，而当word<i>变小时，φ_i提前；TI-ADC中第一通道ADC1被设定为基准通道，在校准过程中word<1>的值固定不变，因此第一通道ADC1的采样沿固定；

dout.raw<i>是第i通道ADCi的原始输出码，包含有ADCi的全部失配信息；dout.raw<i>首先经过失调和增益校准去除自身的失调偏差和增益偏差，生成各通道的输出码dout<i>；所有dout<i>组成TI-ADC共N路的输出dout<1：N>，dout<1：N>一方面经过第一并转串电路MUX(1)合并为全速的数字码doutF直接输出，另一方面则连接时序偏差校准电路用于时序偏差校准；

2)设置一个1比特M路的额外参考ADC记为TI-RADC，将TI-RADC和TI-ADC的输入同时连接到模拟信号输入端对输入信号进行采样；

TI-RADC的交织因子为M，其中M与N互质，RADCj为TI-RADC的第j通道，j＝1，2，3，...，M，TI-RADC的每个通道的输出连接第二并转串电路MUX(2)的输入，MUX(2)的输出连接时间偏差校准电路；TI-RADC的全工作时钟频率与TI-ADC相同且等于F_s，TI-RADC每个通道都工作在频率F_s/M；

φ_rj对应为TI-RADC中第j通道的采样沿，每个φ_rj相比φ₁向后延时一个相同的时间间隔τ；其中τ的取值使得下式成立：

其中

是TI-RADC第j通道经过失调校准后的最终残留失调，f_in.min和f_in.max分别是最小输入信号频率和最大输入信号频率，t_skew.max是所估计的TI-RADC的最大时序偏差；将φ_rj和φ₁之间的时间间隔记为τ_j；

TI-RADC中第j通道的输出为dr<j>，TI-RADC共M路的输出dr<1：M>直接通过第二并转串电路MUX(2)生成TI-RADC的全速输出drF用于进行时序偏差校准；

3)时序偏差校准；具体步骤如下：

3-1)对TI-ADC中的每个通道，计算该通道输出码dout<i>的符号位ds<i>，计算方法为：

利用TI-ADC中的第i通道的输出dout<i>，通过滑动平均更新dout<i>的当前平均值

而后将每次的输入dout<i>与更新后的当前

比较：如果

则ds<i>＝1；若

则ds<i>＝0；

3-2)计算ds<i>与drF的乘积，将除第一通道外的其他通道的ds<i>与drF的乘积和ds<1>与drF的乘积做差并取该差的绝对值，将该绝对值记为y<i>，而后通过滑动平均更新y<i>的均值

3-3)利用LMS算法调整TI-ADC中第i通道的时钟沿φ_i，使得

趋近于零，进而完成TI-ADC中第i通道的时序偏差校准；

3-4)当TI-ADC中除第一通道外的所有其他通道都完成时序偏差校准时，TI-ADC的时序偏差校准完成。

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