CN113328751B - 一种混合交替采样系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混合交替采样系统，采用多个QIADC子系统(量化交替采样子系统)基于时间交替采样方式构建。本发明中ADC数量N一定情况下，通过改变混合交替采样系统通道数量能够实现采样率和分辨率可配置。同时本发明通道数量、QIADC子系统的ADC数量根据输入信号的噪声方差确定，这样提供了最适合的采样率和分辨率，解决了采样系统精度受限的问题，在不影响系统整体结构的基础上，能够充分利用硬件资源，提高了采样系统的采样性能，具有配置方法简单、采样性能好的特点。

Description

一种混合交替采样系统

技术领域

本发明属于并行交替采样技术领域，更为具体地讲，涉及一种混合交替采样系统。

背景技术

并行交替采样技术是一种有效提升采样系统性能的采样方法，适用于多通道采样系统。并行交替采样技术主要有两种：时间交替采样技术(Time-Interleaved ADC，简称TIADC)和量化交替采样技术(Quantization-Interleaved ADC，简称QIADC)。时间交替采样技术将满足奈奎斯特采样定理的高速采样时钟等分频成多个子时钟对输入信号进行并行采样，且保证每两个相邻子时钟之间的相位差均等，然后将每个通道采样到的数据进行交替式整合即可实现采样率的提升。量化交替采样技术原理框图如图1所示，采样系统中每个通道对输入信号x进行不同程度的偏移，相邻两个通道之间依次偏移△，然后由Q片ADC对输入信号进行同步采样，然后将每个通道采样到的数据直接相加得到结果，这样可实现分辨率的提升。

实际采样系统中不可避免的存在着输入噪声和量化噪声。由于提高采样率能够降低输入噪声，提高分辨率能够降低量化噪声，因此，必须在采样率和分辨率之间进行一定的权衡。

发明内容

针对不同输入信噪比的信号，为了提高信号重构精度以及采样系统的性能，本发明提供了一种基于时间交替采样和量化交替采样的混合交替采样系统，通过配置采样系统的通道数量，实现采样率和分辨率可重构，在不影响系统整体结构的基础上，提高了采样系统的采样性能。

为实现上述发明目的，本发明混合交替采样系统，其特征在于，包括：

M个QIADC子系统，每个QIADC子系统由Q个通道(ADC)组成，按照量化交替采样方式对输入信号x进行采样，其中，第一个、第二个、第三个、…、第M个QIADC子系统采样输出为数据y₁、y₂、y₃、…、y_M；

一采样时钟产生和分配网络，用于产生M个子时钟，两个相邻子时钟之间的相位差为2π/M，其中，第一个子时钟的相位为0，第二个子时钟的相位为2π/M，第三个子时钟的相位为4π/M，…，第M个子时钟的相位为2π(M-1)/M，并分别作为第一个、第二个、第三个，…，第M个QIADC子系统的采样时钟，使M个QIADC子系统构成一个TIADC系统；

一数据接收和拼接模块，用于M个QIADC子系统采样输出的数据y₁、y₂、y₃、…、y_M的接收，并按时间先后进行拼接，得到采样数据y；

在混合交替采样系统使用的ADC数量N一定的情况下，QIADC子系统的个数M(即整个混合交替采样系统的通道数量)以及每个QIADC子系统的ADC数量Q根据以下准则确定：

Q＝N/M

其中，Round为四舍五入取整函数，σ²为输入信号的噪声方差，b为QIADC子系统输出的采样数据的位数，V_ref是量化参考电压。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明对多个QIADC子系统(量化交替采样子系统)，基于时间交替采样方式构建一个TIADC系统(时间交替采样系统)，从而形成本发明的基于时间交替采样和量化交替采样的混合交替采样系统。本发明中ADC数量N一定情况下，通过改变混合交替采样系统通道数量能够实现采样率和分辨率可配置。同时本发明通道数量、QIADC子系统的ADC数量根据输入信号的噪声方差确定，这样提供了最适合的采样率和分辨率，解决了采样系统精度受限的问题，在不影响系统整体结构的基础上，能够充分利用硬件资源，提高了采样系统的采样性能，具有配置方法简单、采样性能好的特点。

附图说明

图1是QIADC系统的结构示意图；

图2是本发明混合交替采样系统一种具体实施方式的结构示意图；

图3不同系统通道数量下的噪声能量曲线图；

图4不同系统通道数量下的输出信噪比曲线图。

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。

本发明可以分为两个部分：基于多片ADC并行交替采样的方式构建混合交替采样系统、针对输入信号的噪声方差配置混合交替系统通道数量。

单片ADC的采样率为f_s、量化位数为b，则由N片相同的ADC构成的混合交替采样系统如图2所示，包括M个QIADC子系统1、采样时钟产生和分配网络2以及数据接收和拼接模块3。

M个QIADC子系统1中每个QIADC子系统由Q个通道(ADC)组成，按照量化交替采样方式对输入信号x进行采样，其中，第一个、第二个、第三个、…、第M个QIADC子系统采样输出为数据y₁、y₂、y₃、…、y_M。

采样时钟产生和分配网络2产生M个子时钟，两个相邻子时钟之间的相位差为2π/M，其中，第一个子时钟的相位为0，第二个子时钟的相位为2π/M，第三个子时钟的相位为4π/M，…，第M个子时钟的相位为2π(M-1)/M，并分别作为第一个、第二个、第三个，…，第M个QIADC子系统的采样时钟，使M个QIADC子系统构成一个TIADC系统。

数据接收和拼接模块3对于M个QIADC子系统采样输出的数据y₁、y₂、y₃、…、y_M进行接收，并按时间先后进行拼接，得到采样数据y。

从图2中可以看出，本发明混合交替采样系统由M个QIADC子系统构成，每个QIADC子系统有Q个ADC，则ADC的总数N满足以下等式：

N＝M*Q (1)

本发明混合交替采样系统对于采样率的提升效果类似于TIADC系统，对于量化位数的提升效果类似于QIADC系统，总采样率F_s和总有效量化位数B可表示为：

F_s＝M*f_s (2)

对于混合交替采样系统，Q为QIADC子系统的通道数量，M为混合采集系统整体通道数量。

混合交替采样系统性能可以由输出信噪比OSNR来衡量，OSNR越大，系统性能越好。输出信噪比定义如下：

式中，E_x、E_n、E_q分别表示信号能量、输入噪声能量和量化噪声能量。

输入信号的噪声是均值为零、方差为σ²的高斯白噪声，经过混合交替采样系统后，系统整体采样率提升了M倍，滤波之后的等效输入噪声能量

表示为：

量化噪声近似为均值为零、方差为Δ²/12的高斯白噪声，在混合交替采样系统中，量化噪声的能量可表示为：

式中，V_ref为量化参考电压。结合(3)和式(6)可得到如下关系式：

结合(5)和(7)可得到输出信噪比OSNR的表达式：

图3为不同系统通道数量下的噪声能量曲线图，从图3中可以看出该混合交替采样系统中等效输入噪声能量E_n与整体通道数量M成反比，而量化噪声能量E_q与整体通道数量M成正比。图4为不同系统通道数量下的输出信噪比曲线，结合图3可以发现，当等效输入噪声能量近似等于量化噪声能量时(图3中)所对应的整体通道数量M的混合交替采样系统具有最大的输出信噪比(图4中)。因此，为了使采样混合交替采样系统的性能最好，可以建立如下关系式：

此时，整体通道数量M可表示为：

通过(10)即可得到使得系统性能最佳的整体通道数量M。需要注意，在实际混合交替采样系统中的通道数量M只能是一个整数，因此：

其中，Round为四舍五入取整函数。

在确定混合交替采样系统中的通道数量M，就可以确定每个QIADC子系统的ADC数量Q：Q＝N/M。

本发明采用多片ADC并行交替采样的方式构建采样率和分辨率可配置的混合交替采样系统，在此系统中，ADC总的数量一定，系统整体通道数量以及QIADC子系统通道数量可变，因此，该系统可以充分利用硬件资源，实现采样率和分辨率的重构。在此基础上，根据混合交替采样系统ADC总数以及信号输入信噪比，建立配置系统通道数量的准则。本发明解决了采样系统中采样率和分辨率的优先选择、采样精度受限的问题，通过本发明提出的采样率和分辨率可配置的混合交替采样系统，能够充分利用硬件资源，同时具有配置方法简单、采样性能好的特点。

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)

1.一种混合交替采样系统，其特征在于，包括：

M个QIADC子系统，每个QIADC子系统由Q个通道的ADC组成，按照量化交替采样方式对输入信号x进行采样，其中，第一个、第二个、第三个、…、第M个QIADC子系统采样输出为数据y₁、y₂、y₃、…、y_M；

一采样时钟产生和分配网络，用于产生M个子时钟，两个相邻子时钟之间的相位差为2π/M，其中，第一个子时钟的相位为0，第二个子时钟的相位为2π/M，第三个子时钟的相位为4π/M，…，第M个子时钟的相位为2π(M-1)/M，并分别作为第一个、第二个、第三个，…，第M个QIADC子系统的采样时钟，使M个QIADC子系统构成一个TIADC系统；

一数据接收和拼接模块，用于M个QIADC子系统采样输出的数据y₁、y₂、y₃、…、y_M的接收，并按时间先后进行拼接，得到采样数据y；

在混合交替采样系统使用的ADC数量N一定的情况下，QIADC子系统的个数M以及每个QIADC子系统的ADC数量Q根据以下准则确定：

Q＝N/M

其中，Round为四舍五入取整函数，σ²为输入信号的噪声方差，b为QIADC子系统输出的采样数据的位数，V_ref是量化参考电压。

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