CN113346901B - 一种交替并行采样系统变温条件下修正系数自动适配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了波形数字化领域的一种交替并行采样系统变温条件下修正系数自动适配方法，包括步骤：步骤1：预先获取在不同温度下，频带范围内的每一个单频点信号对应的输入信号频率下的通道失配误差标定结果；步骤2：根据当前环境温度从预先获取的失配误差标定结果中线性插值，得到当前温度下的失配误差系数；步骤3：通过硬件逻辑计算当前温度下的适配误差系数对应的修正系数，对当前温度下的测试结果实时修正。本发明使用经过温度适配后的修正参数对TIADC系统进行修正可使系统在变温下的宽带动态性能基本保持不变，从而使TIADC可以适应变温的工作环境。此外，标定过程通过硬件自动实现，有效地提高了标定效率，为TIADC系统的多通道应用提供了便利。

Description

一种交替并行采样系统变温条件下修正系数自动适配方法

技术领域

本发明涉及波形数字化领域，具体是一种交替并行采样系统变温条件下修正系数自动适配方法。

背景技术

波形数字化技术是高速信号测量领域的就热点，其中一种方法是通过高速模拟-数字转换器(Analog-to-Digital Convertor,ADC)直接对波形进行实时采样。如图1所示，在波形数字化系统中，通过并行交替采样(TIADC)技术可使系统采样率突破ADC采样率极限，通过将M个采样率为Fs的ADC的采样时刻以1/(MFs)等间隔排布，即可得到等效采样率为MFs的波形数字化系统。

而在TIADC系统中，不同ADC之间存在不一致性；这种不一致性会导致系统的动态性能，如信噪比、有效位性能等相比于单个ADC的性能会产生下降。由ADC不一致性导致的误差称为失配误差，具体包括增益误差、相位误差和偏置误差三种。

在实际应用中，TIADC系统必须进行失配误差的修正，一般地可采用自适应修正方法与基于前景校准的数字修正方法。前者能够跟随失配误差的变化而更正修正系数，但要求输入信号是广义平稳的，但在实际应用中信号往往在时间和幅度上都是随机的，短时间尺度内不能满足自适应修正方法的要求。后者可以在失配误差参数不变的情况下实现失配误差修正，但是，在实际应用中，经常会遇到失配误差系数变化的情况。一种较为常见的情况就是变温导致系统频率响应变化引起的失配误差系数变化。当失配误差系数变化时，如仍采用原有的修正参数，会导致系统的动态性能明显下降。例如，对于一个20Gsps，12bit，由8个并行采样通道组成的TIADC系统，其中4个通道的相位误差参数温漂约为0.015ps/℃。如图3所示，若采用常温(25℃)下的修正参数对0℃下的采样结果修正，其有效位性能相对于常温下经失配误差修正后的系统性能相差约1bit。

发明内容

本发明的目的在于提供一种交替并行采样系统变温条件下修正系数自动适配方法，通过失配误差系数的温度线性插值、基于FPGA的失配误差系数自动标定以及完美重构修正系数的自动计算实现变温条件下修正参数的自动适配，进而实现失配误差修正。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种交替并行采样系统变温条件下修正系数自动适配方法，包括步骤：

步骤1：预先获取在不同温度下，频带范围内的每一个单频点信号对应的输入信号频率下的通道失配误差标定结果；

步骤2：根据当前环境温度从预先获取的失配误差标定结果中线性插值，得到当前温度下的失配误差系数；

步骤3：通过硬件逻辑计算当前温度下的适配误差系数对应的修正系数，对当前温度下的测试结果实时修正。

在一些实施例中，步骤1具体包括：

步骤1.1：设计自动标定硬件逻辑，存储某一单频点信号下的ADC的采样数据，顺次对ADC各通道的采样数据进行四参数拟合，将拟合结果转化为相同形式；

步骤1.2：设定ADC某一通道为基准，基准的增益误差为1，相位误差为0，根据拟合结果得到ADC各通道相对于基准的失配误差标定结果，将失配误差标定结果写入存储，完成当前频点下的标定；

步骤1.3：改变输入信号频率，重复步骤1.1-1.2，完成设定的频带范围内所有频点下的ADC各通道的失配误差标定；

步骤1.4：改变温度，重复步骤1.3，完成在不同温度下ADC各通道的失配误差标定。

在一些实施例中，步骤3中修正系数的计算通过完美重构法实现。

在一些实施例中，步骤3具体包括：

步骤3.1：启动修正系数计算逻辑，读入当前频率、当前温度对应的适配误差系数；

步骤3.2：计算完美重构修正所需的频点的角频率，对每个角频率下的完美重构矩阵的各元素进行求解计算，获得当前角频率下的修正滤波器的频域数值解；

步骤3.3：对频域数值解进行IFFT变换，得到对应的修正滤波器的时域数值解；

步骤3.4：加窗截断处理，得到修正滤波器的系数，可实现对当前温度下的测试结果实时修正。

在一些实施例中，步骤3.2中，频点的数量N＝2^P。

有益效果：本发明采用温度插值可得到当前系统所处的环境温度下对应的失配误差系数，并根据此系数计算获得合适的修正参数。经实验，本发明使用经过温度适配后的修正参数对TIADC系统进行修正可使系统在变温下的宽带动态性能基本保持不变，从而使TIADC可以适应变温的工作环境。此外，标定过程通过硬件自动实现，有效地提高了标定效率，为TIADC系统的多通道应用提供了便利。

附图说明

图1为TIADC系统的采样示意图；

图2为TIADC系统采用完美重构算法的采样修正过程图；

图3为某一TIADC系统在不同温度下的修正效果图；

图4为本发明自动标定逻辑流程示意图；

图5为本发明某一TIADC系统在不同温度下的增益误差系数标定曲线；

图6是本发明某一TIADC系统在不同温度下的相位误差系数标定曲线；

图7是本发明通过硬件语言的高层次综合编程得到的失配误差计算逻辑流程示意图；

图8为本发明的实施方式中修正参数经温度自动适配后的修正结果对比图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种交替并行采样系统变温条件下修正系数自动适配方法，主要分为自动标定过程、变温失配误差插值以及修正系数自动计算过程，分别对应步骤1、2、3。

步骤1：预先获取在不同温度下，频带范围内的每一个单频点信号对应的输入信号频率下的通道失配误差标定结果。

具体地，启动自动标定逻辑，通过信号源输入频率为fi的单频点信号并将输入频率通过寄存器写入逻辑。在该频率下将各通道的若干个连续的采样点存储在EEPROM中。通过硬件逻辑进行四参数拟合得到当前频率下的通道失配误差标定结果。改变输入信号频率，使其覆盖所关心的信号频率范围，完成当前温度下的标定。

改变温度，重复上述操作，可得到不同温度下的标定结果。将标定温度和对应的标定频率以及失配误差标定结果写入EEPROM中，完成失配误差自动标定过程。

步骤2：在实际的应用环境中，根据温度传感器获取当前的环境温度，也即系统的工作温度。根据当前环境温度从EEPROM内存储的失配误差标定结果中线性插值，得到当前温度下的失配误差系数。

步骤3：启动失配误差计算流程，通过硬件逻辑计算当前温度下的适配误差系数对应的修正系数，对当前温度下的测试结果实时修正。本步骤中修正系数的计算通过完美重构法实现，采用完美重构法既能实现宽带修正同时又适合硬件的求解，在修正时能够维持系统的宽带动态性能不变，这是其他计算方法所不能实现的。

实施例，以一个由8通道(M＝8)构成的20Gsps 12位的TIADC系统为例，对上述方法步骤进行具体说明。

步骤1.1：设计自动标定硬件逻辑，其状态机如4所示。将标定频率ω下的ADC的采样数据存储在RAM中，启动逻辑状态机，按顺序将ADC的1-8个通道的采样数据进行四参数拟合。具体地，首先将第1个ADC子通道的1024个采样数据读入启动四参数拟合过程，采样序列可写作向量x：

根据IEEE数字波形记录标准中的正弦波四参数拟合过程，通过迭代求解将采样序列x拟合为同一形式，即正交形式的拟合结果：

x_{m_fit}(t)＝Acos(ωt)+Bsin(ωt)+DC

通过迭代和最小二乘求解超定方程组过程依次可得到ADC各通道如上式形式的拟合结果。四参数拟合具体的求解方法为现有技术，本申请仅将其求解过程采用硬件化实现，在此不对其具体求解过程进行说明。

步骤1.2：根据得到的四参数拟合结果求得各通道之间的失配误差。以Chn0通道为基准，设增益误差g₀＝1，相位误差Δt₀＝0。将各通道四参数拟合结果转化为如下形式：

x_{m_fit}(t)＝G_mcos(ω_i(t+t_m))+DC_{m_i}

据拟合结果得到ADC各通道(Chn1、Chn2……Chn7)相对于基准的失配误差，将标定结果写入EEPROM，完成当前频点下的标定。

步骤1.3：通过改变信号源输出频率，即输入信号频率，重复步骤1.1-1.2，实现当前温度下的所设定的信号频率区间内所有特征频点的标定。

步骤1.4：改变系统的工作温度，重复步骤1.3，完成在不同温度下ADC各通道的失配误差标定。

在本实例中，以-10℃、10℃、25℃三个标定温度点为例，得到其中第1通道相对第0通道(基准)的增益误差和相位误差随温度变化的曲线如图5和图6所示。由于偏置误差为常量，可通过计算系统实际测量时的噪声谱平均值得到，因此无需单独存储标定结果。

步骤2：当系统需要计算修正系数时，通过启动信号启动图7所示的状态机，首先从EEPROM中读入各温度下的各特征频点的失配误差标定结果，再根据当前系统所处的环境温度，线性插值得到当前温度下的失配误差系数。

步骤3.1：启动修正系数计算逻辑，通过求解完美重构方程组进行修正系数的自动计算过程，读入当前频率、当前温度对应的适配误差系数；系统通过完美重构法进行采样修正过程如图2所示。

步骤3.2：计算完美重构修正所需的频点的角频率，在每个角频率下对完美重构矩阵的各元素进行计算。频点的数量N需要足够的充分，使计算结果在一定的误差范围内满足之后的修正精度要求，一般地，至少需要满足N＝2^P个。

每个角频率下可得到一个M×M的完美重构矩阵，以第一Nyquist区为例，通过消元法求解如下方程组：

即可得到当前角频率下的修正滤波器频域数值解F_m[jω]。上述方程中，各参数意义如下：

M：ADC通道个数；

第m通道的增益误差随频率变化的函数；

第m通道的增益误差随频率变化的函数；

Ts：系统等最终等效的采样周期；

c：为一固定增益系数，可自行设置；

d：为一固定延迟系数，可自行设置，一般为滤波器阶数的一半。

其中各频率下的增益误差g和相位误差Δt的值由上述温度插值得到的失配误差标定序列再进行频率插值得到。目标函数中c＝1，采用80阶滤波器修正时对应的延迟d＝40。

步骤3.3：将上述得到的滤波器频域解进行2^P个点的IFFT变换，得到对应的修正滤波器的时域解；

步骤3.4：对信号时域加窗和截断处理，得到80阶修正滤波器的系数，即可用于TIADC系统在当前温度下的测试结果实时修正。

图8所示为在0℃下，修正参数经过温度适配后得到的系统宽带动态性能测试结果，表明其有效位基本与常温下保持一致。可见本发明使用经过温度适配后的修正参数对TIADC系统进行修正可使系统在变温下的宽带动态性能基本保持不变，从而使TIADC可以适应变温的工作环境。此外，标定过程通过硬件自动实现，有效的提高了标定效率，为TIADC系统的多通道应用提供了便利。

虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

故以上所述仅为本申请的较佳实施例，并非用来限定本申请的实施范围；即凡依本申请的权利要求范围所做的各种等同变换，均为本申请权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种交替并行采样系统变温条件下修正系数自动适配方法，其特征在于，包括步骤：

步骤1：预先获取在不同温度下，频带范围内的每一个单频点信号对应的输入信号频率下的通道失配误差标定结果；

步骤2：根据当前环境温度从预先获取的失配误差标定结果中线性插值，得到当前温度下的失配误差系数；

步骤3：通过硬件逻辑计算当前温度下的适配误差系数对应的修正系数，对当前温度下的测试结果实时修正；修正系数的计算通过完美重构法实现；

步骤3具体包括：

步骤3.1：启动修正系数计算逻辑，读入当前频率、当前温度对应的适配误差系数；

步骤3.2：计算完美重构修正所需的频点的角频率，对每个角频率下的完美重构矩阵的各元素进行求解计算，获得当前角频率下的修正滤波器的频域数值解；

步骤3.3：对频域数值解进行IFFT变换，得到对应的修正滤波器的时域数值解；

步骤3.4：加窗截断处理，得到修正滤波器的系数，可实现对当前温度下的测试结果实时修正。

2.根据权利要求1所述的一种交替并行采样系统变温条件下修正系数自动适配方法，其特征在于，步骤1具体包括：

步骤1.1：设计自动标定硬件逻辑，存储某一单频点信号下的ADC的采样数据，顺次对ADC各通道的采样数据进行四参数拟合，将拟合结果转化为相同形式；

步骤1.2：设定ADC某一通道为基准，基准的增益误差为1，相位误差为0，根据拟合结果得到ADC各通道相对于基准的失配误差标定结果，将失配误差标定结果写入存储，完成当前频点下的标定；

步骤1.3：改变输入信号频率，重复步骤1.1-1.2，完成设定的频带范围内所有频点下的ADC各通道的失配误差标定；

步骤1.4：改变温度，重复步骤1.3，完成在不同温度下ADC各通道的失配误差标定。

3.根据权利要求1所述的一种交替并行采样系统变温条件下修正系数自动适配方法，其特征在于，步骤3.2中，频点的数量N＝2^P。