CN113114241B - 一种时间交替架构采集系统中频响失配误差的校正方法 - Google Patents

一种时间交替架构采集系统中频响失配误差的校正方法 Download PDF

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CN113114241B CN202110261020.4A CN202110261020A CN113114241B CN 113114241 B CN113114241 B CN 113114241B CN 202110261020 A CN202110261020 A CN 202110261020A CN 113114241 B CN113114241 B CN 113114241B
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Abstract

本发明公开了一种时间交替架构采集系统中频响失配误差的校正方法，先指定校正模块内FFT的长度、FFT的帧数以及校正级数，并设置总采样点数以匹配FFT长度和帧数，每一级校正模块的结构均相同；之后利用点频法测量每一个通道的离散频响，并利用曲线拟合使离散频响点数与FFT点数相同；对于某一级校正过程，信号首先进行复制，并在计数器的控制下形成两组不同的有效数据通过两个FFT模块，每个FFT以帧为单位依次求取有效数据的频谱，之后该频谱与每个通道的离散频响依次相乘获得每一个通道每一帧的误差数据；各通道误差数据按照时间交替的顺序依次组合得到该组FFT的误差数据；两组FFT的误差数据被对应的上级校正结果和对应的原始采样结果之和减去，得到两组预校正数据；最后两组预校正数据在计数器的控制下按顺序组合成为最终校正输出。

Description

一种时间交替架构采集系统中频响失配误差的校正方法
技术领域
本发明属于时域测试技术领域，更为具体地讲，涉及一种时间交替架构采集系统中频响失配误差的校正方法。
背景技术
时间交替(TI)架构被广泛用于各种高速宽带采集系统中。利用M个采样率为fs/M的ADC在一定时间间隔下交替采样，可以获得系统采样率为fs的数据采集系统。将每个采样通道中量化器前端的所有模拟电路看作为一个整体，若该整体的频响对于每一个采样通道都是相同的，那么该系统就能够等效为一个频响为该整体频响，采样率为fs的单ADC数据采集系统。
然而基于TI架构的实际采集系统中，各个量化器前端电路的参数不可能保证完全一致。功分器，电路板的布局布线，ADC内部参数的不一致等因素均会导致各个采样通道量化器进行量化的信号不完全相同，这种量化上的差异会在最终数据拼合时不可避免地产生误差，在频域中表现为生成额外的误差谱。从根本上说，这种量化上的差异是由各个采样通道间的频响失配导致的，为了能够使最终的拼合结果尽可能地接近理想单ADC数据采集系统的输出，必须要对频响失配误差进行校正。
传统的频响失配校正多关注于固定误差问题，即假设误差系数在整个频段内保持不变，例如专利CN106209103A利用频谱进行误差估计，并利用ADC内置校正单元进行误差校正，而专利CN107147392A使用自适应分数延时滤波器进行幅度和时间误差的校正，其共同的特征在于误差与频率非相关。
在近几年的研究中，随着采样率和带宽的进一步提升，频响失配已经不能认为是固定误差。在误差估计方法上，专利CN108923784A以及专利CN108809308A分别从幅度和时间上对整个带宽内的误差进行了估计，获得了很好的效果。在误差校正方法上，专利US7978104利用频域多项式逼近采样通道的频响，但这种方法仅适用于频响规则的情况。专利CN110557122A利用多个级联滤波器组进行频响非一致性误差的校正，但其在实现时一是由于资源消耗问题难以适用于4通道以上的时间交替采集系统；二是由于IIR滤波器的FPGA实现结构无法做到实时数据分析，会导致连续采样过程中采样数据的累积。
综上，目前尚未有一种简单通用的方法，能够在对时间交替架构数据采集系统频响失配误差进行校正的情况下，同时保证该校正系统消耗资源小，适用面广，实时性高，因此设计一种在任意通道，连续数据输入的情况下可以快速实现对频响失配误差校正的方法就显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种时间交替架构采集系统中频响失配误差的校正方法，基于级联重叠FFT，以实现在任意通道数和连续数据输入的情况下，仍能够对频响失配误差进行高精度地校正。
为实现上述发明目的，本发明一种时间交替架构采集系统中频响失配误差的校正方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、设置TI采集系统的相关参数；
设置TI采集系统通道数为M，总采样率为fs；在进行校正前，设置TI采集系统中校正模块的每一帧FFT的点数为N，N满足N/M/4为整数；设置TI采集系统的总采集数据量为N*L，L表示校正过程中最大FFT帧数，若实际采集数据不满足N*L，则通过末端补0的方式使总采集数据量为N*L；设置TI采集系统中校正模块的级联级数为C；
(2)、求取离散校正频响Qm(n)；
(2.1)、利用点频法测量TI采集系统中编号为0至M-1的采样通道的相对频率响应，并且设在0至fs内的点频数为N0，设第m个采样通道的相对频响为Hm(n0)，n0＝0,1,…,N0-1；
(2.2)、依次对所有的Hm(n0)的幅频和相频做曲线拟合，将原有的N0个点拟合至N个点，得到每个采样通道的新频响记为Gm(n)，n＝0,1,…,N-1；
(2.3)、计算理想频响Hideal(n)；
Figure BDA0002969975120000021
(2.4)、计算离散校正频响Qm(n)；
Qm(n)＝Gm(n)/Hideal(n)
(3)、采样数据的校正；
(3.1)、将待采信号输入至TI采集系统，并按照时间交替的顺序进行拼合，设拼合后的数据为y(n)，y(n)的总数据量为N*L；
(3.2)、对TI采集系统的校正模块级数编号，记为c，c＝[1,C]；设第c级校正模块的输入为
Figure BDA0002969975120000031
输出为
Figure BDA0002969975120000032
对于第一级校正模块，其输入
Figure BDA0002969975120000033
上标(0)表示了校正结果的级数，取0时表示没有经过校正；
对于后续每一级校正模块进行相同的校正过程，具体为：
对于第c级校正模块，c＝[1,C]，其输入数据
Figure BDA0002969975120000034
复制成两路相同的数据，然后在输入数据计数器的控制下，控制每一路有效输入数据输入至N点FFT模块，其中，第一路有效输入数据为全部采样数据，即
Figure BDA0002969975120000035
至
Figure BDA0002969975120000036
第二路有效输入数据为
Figure BDA0002969975120000037
至
Figure BDA0002969975120000038
对于第一路有效输入数据，FFT模块对每一帧进行N点处理，每一帧处理的点依次为：
Figure BDA0002969975120000039
共计L帧；
对于第二路有效输入数据，FFT模块对每一帧进行N点处理，每一帧处理的点依次为：
Figure BDA00029699751200000310
Figure BDA00029699751200000311
共计L-1帧；
对于第l帧，第一个FFT模块的输出结果记为
Figure BDA00029699751200000312
l的取值范围为1至L；第二个FFT模块的输出结果记为
Figure BDA00029699751200000313
l的取值范围为1至L-1，下标中的1和2表示FFT模块编号；
(3.3)、将
Figure BDA00029699751200000314
和
Figure BDA00029699751200000315
与步骤(2.4)中求得的离散校正频响Qm(n)依次相乘，并求取其逆变换IFFT，然后取实部获得通道m第l帧的误差数据
Figure BDA00029699751200000316
和
Figure BDA00029699751200000317
Figure BDA00029699751200000318
Figure BDA00029699751200000319
(3.4)、将
Figure BDA00029699751200000320
和
Figure BDA00029699751200000321
按照时间交替的规则重新组合，得到FFT模块第l帧的误差数据
Figure BDA0002969975120000041
和
Figure BDA0002969975120000042
其中，对于第一组IFFT结果的组合规则如下：
Figure BDA0002969975120000043
其中，n mod M表示n对M取余数；
第二组IFFT结果的组合规则如下：
Figure BDA0002969975120000044
(3.5)、用第l帧数据对应的上一级校正结果
Figure BDA0002969975120000045
加上对应的原始采样y(n)，再分别减去该帧的误差数据
Figure BDA0002969975120000046
和
Figure BDA0002969975120000047
得到第l帧预校正结果
Figure BDA0002969975120000048
和
Figure BDA0002969975120000049
Figure BDA00029699751200000410
Figure BDA00029699751200000411
(3.6)、在
Figure BDA00029699751200000412
和
Figure BDA00029699751200000413
中分别取前3N/4和后3N/4的数据，其余数据分别以N/2点为周期依次从
Figure BDA00029699751200000414
和
Figure BDA00029699751200000415
每一帧数据中取中间N/2的数据进行拼合形成第c级的最终输出
Figure BDA00029699751200000416
即：
Figure BDA00029699751200000417
(3.7)、若c＜C，则令c＝c+1，然后重复步骤(3.2)至步骤(3.6)，直至获得最终第C级的校正输出。
本发明的发明目的是这样实现的：
本发明一种时间交替架构采集系统中频响失配误差的校正方法，先指定校正模块内FFT的长度、FFT的帧数以及校正级数，并设置总采样点数以匹配FFT长度和帧数，每一级校正模块的结构均相同；之后利用点频法测量每一个通道的离散频响，并利用曲线拟合使离散频响点数与FFT点数相同；对于某一级校正过程，信号首先进行复制，并在计数器的控制下形成两组不同的有效数据通过两个FFT模块，每个FFT以帧为单位依次求取有效数据的频谱，之后该频谱与每个通道的离散频响依次相乘获得每一个通道每一帧的误差数据；各通道误差数据按照时间交替的顺序依次组合得到该组FFT的误差数据；两组FFT的误差数据被对应的上级校正结果和对应的原始采样结果之和减去，得到两组预校正数据；最后两组预校正数据在计数器的控制下按顺序组合成为最终校正输出。
同时，本发明一种时间交替架构采集系统中频响失配误差的校正方法还具有以下有益效果：
(1)、由于现实系统中元器件参数的偏离以及板级系统的影响参数过多，使用建模难以对某些时间交替采集系统的频响进行拟合，由此无法使用某些校正结构或无法实现好的校正效果，而本发明通过使用实际测量的频响而非建模生成的频响，可以对任意系统的频响进行更精确的描述，由此能够针对更一般的基于时间交替采集系统给出更好的校正效果；
(2)、本发明不使用多级滤波器的结构而是使用FFT和IFFT的组合，在保留了原有多级滤波器结构中可以适用于大范围不规则误差情况下校正效果的特点下，同时避免了多级滤波器结构中由于引入IIR滤波器而造成的数据降速；由于FFT和IFFT模块进数速度和出数速度均与原始数据传输速度相同，因此可以适用于大数据量情况下的校正，避免由于数据量过多造成的校正时间成倍增加。
附图说明
图1是本发明一种时间交替架构采集系统中频响失配误差的校正原理图；
图2是FFT帧内数据来源以及帧划分示意图；
图3是校正数据组合示意图。
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
图1是本发明一种时间交替架构采集系统中频响失配误差的校正原理图。
在本实施例中，如图1所示，本发明一种时间交替架构采集系统中频响失配误差的校正方法，包括以下步骤：
S1、设置TI采集系统的相关参数；
设置TI采集系统通道数为M＝4，总采样率为fs＝10GSPS；在进行校正前，设置TI采集系统中校正模块的每一帧FFT的点数为N＝1024，N满足N/M/4＝64为整数；设置TI采集系统的总采集数据量为N*L＝10240，L＝10表示校正过程中最大FFT帧数，若实际采集数据不满足10240，则通过末端补0的方式使总采集数据量为10240；设置TI采集系统中校正模块的级联级数为C＝2；
S2、求取离散校正频响Qm(n)；
S2.1、利用点频法测量TI采集系统中编号为0至3的采样通道的相对频率响应，并且设在0至fs内的点频数为N0，在本实施例中，设每100MHz取一个频点，则在0至fs内的所取的点频数为fs/100MHz＝100个点，设第m个采样通道的相对频响为Hm(n0)，n0＝0,1,…,99；
S2.2、依次对所有的Hm(n0)的幅频和相频做曲线拟合，将原有的100个点拟合至1024个点，得到每个采样通道的新频响记为Gm(n)，n＝0,1,…,1023；
S2.3、计算理想频响Hideal(n)；
Figure BDA0002969975120000061
S2.4、计算离散校正频响Qm(n)；
Qm(n)＝Gm(n)/Hideal(n)
S3、采样数据的校正；
S3.1、将待采信号输入至TI采集系统，并按照时间交替的顺序进行拼合，设拼合后的数据为y(n)，y(n)的总数据量为N*L；
S3.2、对TI采集系统的校正模块级数编号，记为c，c＝1,2；设第c级校正模块的输入为
Figure BDA0002969975120000071
输出为
Figure BDA0002969975120000072
对于第一级校正模块，其输入
Figure BDA0002969975120000073
上标(0)表示了校正结果的级数，取0时表示没有经过校正；
对于后续每一级校正模块进行相同的校正过程，其中c＝1时的第一级校正过程具体为：
对于第1级校正模块，其输入数据
Figure BDA0002969975120000074
复制成两路相同的数据，然后在输入数据计数器的控制下，控制每一路有效输入数据输入至1024点FFT模块，在本实施例中，将
Figure BDA0002969975120000075
依次送入两个FFT模块求取频谱，每个FFT模块的长度均为1024，两个FFT模块区别在于进行FFT的数据不同，其中，第一路有效输入数据为全部采样数据，即
Figure BDA0002969975120000076
至
Figure BDA0002969975120000077
第二路有效输入数据为
Figure BDA0002969975120000078
至
Figure BDA0002969975120000079
数据与分组之间的关系，以及数据来源为第几个通道见图2所示。
对于第一路有效输入数据，FFT模块对每一帧进行1024点处理，每一帧处理的点依次为：
Figure BDA00029699751200000710
Figure BDA00029699751200000711
共10帧；
对于第二路有效输入数据，FFT模块对每一帧进行1024点处理，每一帧处理的点依次为：
Figure BDA00029699751200000712
Figure BDA00029699751200000713
共9帧；
每一个FFT帧内均处理1024个点，与FFT模块处理长度相等，由N和M的关系可知，每一个数据组的第一个数据均为通道0的数据，而最后一个数据为通道M-1的数据。FFT的起始点位由输入数据计数器进行控制，那么对于第l帧，第一个FFT模块的输出结果记为
Figure BDA00029699751200000714
l的取值范围为1至10；第二个FFT模块的输出结果记为
Figure BDA00029699751200000715
l的取值范围为1至9，下标中的1和2表示FFT模块编号；
S3.3、将
Figure BDA00029699751200000716
和
Figure BDA00029699751200000717
与步骤S2.4中求得的离散校正频响Qm(n)依次相乘，并求取其逆变换IFFT，然后取实部获得通道m第l帧的误差数据
Figure BDA00029699751200000718
和
Figure BDA00029699751200000719
Figure BDA0002969975120000081
Figure BDA0002969975120000082
S3.4、将
Figure BDA0002969975120000083
和
Figure BDA0002969975120000084
按照时间交替的规则重新组合，得到FFT模块第l帧的误差数据
Figure BDA0002969975120000085
和
Figure BDA0002969975120000086
其中，对于第一组IFFT结果的组合规则如下：
Figure BDA0002969975120000087
其中，n mod M表示n对M取余数；
第二组IFFT结果的组合规则如下：
Figure BDA0002969975120000088
S3.5、用第l帧数据对应的上一级校正结果
Figure BDA0002969975120000089
加上对应的原始采样y(n)，再分别减去该帧的误差数据
Figure BDA00029699751200000810
和
Figure BDA00029699751200000811
得到第l帧预校正结果
Figure BDA00029699751200000812
和
Figure BDA00029699751200000813
Figure BDA00029699751200000814
Figure BDA00029699751200000815
S3.6、在
Figure BDA00029699751200000816
和
Figure BDA00029699751200000817
中分别取前3N/4＝768和后3N/4＝768的数据，其余数据分别以N/2＝512点为周期依次从
Figure BDA00029699751200000818
和
Figure BDA00029699751200000819
每一帧数据中取中间512的数据进行拼合形成第1级的最终输出
Figure BDA00029699751200000820
即：
Figure BDA0002969975120000091
在上面的公式中，第一次取
Figure BDA0002969975120000092
的前768的数据，然后按照
Figure BDA0002969975120000093
Figure BDA0002969975120000094
的顺序取中间512的数据，直到倒数第二个式子，最后取
Figure BDA0002969975120000095
的后768的数据，获得了第一级10240点的校正结果
Figure BDA0002969975120000096
该过程由计数器进行控制，取数过程如图3所示，每一个实心框表示一个FFT帧，阴影部分表示取该帧内的校正数据片段；
S3.7、若c＜C，则令c＝c+1，然后重复步骤S3.2至步骤S3.6，直至获得最终第C＝2级的校正输出。
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)

1.一种时间交替架构采集系统中频响失配误差的校正方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、设置TI采集系统的相关参数；
设置TI采集系统通道数为M，总采样率为fs；在进行校正前，设置TI采集系统中校正模块的每一帧FFT的点数为N，N满足N/M/4为整数；设置TI采集系统的总采集数据量为N*L，L表示校正过程中最大FFT帧数，若实际采集数据不满足N*L，则通过末端补0的方式使总采集数据量为N*L；设置TI采集系统中校正模块的级联级数为C；
(2)、求取离散校正频响Qm(n)；
(2.1)、利用点频法测量TI采集系统中编号为0至M-1的采样通道的相对频率响应，并且设在0至fs内的点频数为N0，设第m个采样通道的相对频响为Hm(n0)，n0＝0,1,…,N0-1；
(2.2)、依次对所有的Hm(n0)的幅频和相频做曲线拟合，将原有的N0个点拟合至N个点，得到每个采样通道的新频响记为Gm(n)，n＝0,1,…,N-1；
(2.3)、计算理想频响Hideal(n)；
Figure FDA0002969975110000011
(2.4)、计算离散校正频响Qm(n)；
Qm(n)＝Gm(n)/Hideal(n)
(3)、采样数据的校正；
(3.1)、将待采信号输入至TI采集系统，并按照时间交替的顺序进行拼合，设拼合后的数据为y(n)，y(n)的总数据量为N*L；
(3.2)、对TI采集系统的校正模块级数编号，记为c，c＝[1,C]；设第c级校正模块的输入为
Figure FDA0002969975110000012
输出为
Figure FDA0002969975110000013
对于第一级校正模块，其输入
Figure FDA0002969975110000014
上标(0)表示了校正结果的级数，取0时表示没有经过校正；
对于后续每一级校正模块进行相同的校正过程，具体为：
对于第c级校正模块，c＝[1,C]，其输入数据
Figure FDA0002969975110000015
复制成两路相同的数据，然后在输入数据计数器的控制下，控制每一路有效输入数据输入至N点FFT模块，其中，第一路有效输入数据为全部采样数据，即
Figure FDA0002969975110000021
至
Figure FDA0002969975110000022
第二路有效输入数据为
Figure FDA0002969975110000023
至
Figure FDA0002969975110000024
对于第一路有效输入数据，FFT模块对每一帧进行N点处，每一帧处理的点依次为：
Figure FDA0002969975110000025
共计L帧；
对于第二路有效输入数据，FFT模块对每一帧进行N点处理，每一帧处理的点依次为：
Figure FDA0002969975110000026
Figure FDA0002969975110000027
共计L-1帧；
对于第l帧，第一个FFT模块的输出结果记为
Figure FDA0002969975110000028
l的取值范围为1至L；第二个FFT模块的输出结果记为
Figure FDA0002969975110000029
l的取值范围为1至L-1，下标中的1和2表示FFT模块编号；
(3.3)、将
Figure FDA00029699751100000210
和
Figure FDA00029699751100000211
与步骤(2.4)中求得的离散校正频响Qm(n)依次相乘，并求取其逆变换IFFT，然后取实部获得通道m第l帧的误差数据
Figure FDA00029699751100000212
和
Figure FDA00029699751100000213
Figure FDA00029699751100000214
Figure FDA00029699751100000215
(3.4)、将
Figure FDA00029699751100000216
和
Figure FDA00029699751100000217
按照时间交替的规则重新组合，得到FFT模块第l帧的误差数据
Figure FDA00029699751100000218
和
Figure FDA00029699751100000219
其中，对于第一组IFFT结果的组合规则如下：
Figure FDA00029699751100000220
其中，n mod M表示n对M取余数；
第二组IFFT结果的组合规则如下：
Figure FDA0002969975110000031
(3.5)、用第l帧数据对应的上一级校正结果
Figure FDA0002969975110000032
加上对应的原始采样y(n)，再分别减去该帧的误差数据
Figure FDA0002969975110000033
和
Figure FDA0002969975110000034
得到第l帧预校正结果
Figure FDA0002969975110000035
和
Figure FDA0002969975110000036
Figure FDA0002969975110000037
Figure FDA0002969975110000038
(3.6)、在
Figure FDA0002969975110000039
和
Figure FDA00029699751100000310
中分别取前3N/4和后3N/4的数据，其余数据分别以N/2点为周期依次从
Figure FDA00029699751100000311
和
Figure FDA00029699751100000312
每一帧数据中取中间N/2的数据进行拼合形成第c级的最终输出
Figure FDA00029699751100000313
即：
Figure FDA00029699751100000314
(3.7)、若c＜C，则令c＝c+1，然后重复步骤(3.2)至步骤(3.6)，直至获得最终第C级的校正输出。
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