CN113422658B - 一种通道间采样时序不同步的校正方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种通道间采样时序不同步的校正方法，包括：S1、设置指定频率的射频信号，输出M路并转换为中频信号；S2、通过AD采样单元采集并存储M路中频信号，重复S1‑S2，完成多个频率的中频信号的AD数据的采样存储；S3、计算采集存储的所有频率下的其他通道与参考通道AD数据的相位差，并绘制相位差随频率变化的相位差曲线，同时绘制真实相位差变化趋势曲线；S4、根据相位差曲线判断出采样不同步的通道并对不同步的通道进行相应的校正；S5、对校正后的通道进行验证。本发明的目的是对多通道间的跨信号周期的采样时序不同步的时延差进行快速校正，同时不会引入计算误差，校正系统所需硬件简单，大大提高了同步调试效率及扩大校正方法的通用性范围。
Description
技术领域
本发明涉及宽带数字采样领域，特别涉及一种通道间采样时序不同步的校正方法及系统。
背景技术
现代数字波束形成体制中，阵列天线数量规模庞大，对应着阵列天线的采样通道的数量繁多，为此硬件上一般设计多个采集板来进行并行采样处理，但同时存在采集板间同步的问题，包括板间跨时钟域的同步和板内采样时序的同步，因此对于系统采样时序同步的调试变得困难。
现有条件下，频域和时域的时延计算的校正方式是较为常见的。频域的时延校正是通过相位差来计算时延的，相位差计算方法因为三角函数的周期性导致计算的相位差存在模糊性，使得校正的时延范围只能限定在一个信号周期内；时域的时延计算是通过信号表达式来计算相位差，并通过相位差来计算时延，因此会引入计算误差。
传统的处理方式是通过对某一单频点的通道间的相位差进行计算，根据相位差与频率的关系可计算出通道间的时延，并对相应的通道进行校正补偿，发表的文献主要包括：《电子世界》的《相位差方法校正多通道AD采集高精度时间误差》，通过反正弦变换原理来提取相位差进而计算同步时间误差，由于正弦函数的周期性，导致计算的相位差存在模糊性，因此反正弦的计算原理决定了其只能计算出单信号周期内的采样时延，对于大于一个信号周期的时延，其方法就会失效；《电网技术》的《适用于非同步采样的相位差准确测量方法》，基于相关分析法的相位差测量方法，同样存在正弦函数的周期性问题，而且是基于存在电压和电流互感器的前提下进行的，由于硬件要求高导致其使用范围存在很大的局限性；《电子科技大学》的《多通道同步数据采集系统设计与实现》，通过DFT算法计算通道间时延，同样存在相位差的模糊性问题，而且要求采样频率必须是信号频率的整数倍；《测试技术学报》的《正弦波拟合法评价数据采集系统的通道间延时》，采用示波器观测通道间波形的上升沿延时，肉眼观测，误差比较大；《信息与电脑(理论版)》的《同步时间差和小相位差计算引起的相位差分析》，通过时域的理论公式计算出相位差，引入计算误差，并且工程实践需要多级滤波器滤除多余计算项；《电路与系统学报》的《基于数字正交变换的相位差测量方法及误差分析》，要求采样频率为信号频率的整数倍，同样存在相位差模糊性问题而且引入了计算误差；《IEEE International Symposium on Circuits and Systems》的《PhaseMeasurement and Adjustment of Digital Signals Using Random SamplingTechnique》，通过随机采样的统计技术提高相对相位精度，但是需要设计复杂的硬件电路。
时域波形上的计算对采样率要求比较高，且存在计算带来的误差；频域的相位差计算存在相位差模糊性问题，导致对大于一个信号周期时延的通道进行校正时，并不能正确解出通道时延；使用示波器观察时域的波形延时，时延精度无法保证。这些方法都可以直接或间接的计算出通道间采样不同步的时延，但过程都比较复杂，对硬件设计要求比较高，校正方法通用性比较差并且存在很大的局限性。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，提供了一种通道间采样时序不同步的校正方法及系统，以克服现有技术的不足，简化硬件设计要求，设计通用性的校正算法并扩大其使用范围，通过离散化的校正方式来避免引入计算误差，并且通过计算机仿真算法快速计算出通道间采样不同步的时延，从根本上解决不同步时延造成相位差折叠的现象，调试效率远超FPGA在线仿真调试，大大提高了工作效率。
本发明采用的技术方案如下：一种通道间采样时序不同步的校正方法，包括：
S1、设置指定频率的射频信号，通过功分器输出M路分别进行变频，转换为中频信号；
S2、通过AD采样单元采集并存储M路中频信号，重复S1-S2，完成多个指定频率的中频信号的AD数据的采样存储；
S3、任选其中一路为参考通道，计算采集存储的所有频率下的其他通道与参考通道AD数据的相位差，并绘制相位差随频率变化的相位差曲线，同时计算采样同步的真实相位差随频率变化的趋势并绘制其相位差变化趋势曲线；
S4、根据采集数据绘制的相位差曲线与采样同步的相位差变化趋势曲线进行比较，判断是否存在采样不同步的通道，并对采样不同步的通道进行超前还是延后判断，进而对该通道进行相应的校正；
S5、对校正后的通道进行验证，当校正后通道的相位差曲线与真实相位差曲线趋势一致时，则表示校正补偿的时延就是通道间采样不同步时延，完成校正。
进一步的，所述S4中，是否存在采样时序不同步通道的判断方法为：根据各通道的相位差曲线进行判断，若所有通道的相位差曲线都存在折叠反转，则表示参考通道采样不同步；若仅有个别通道相位差曲线存在折叠反转，则表示对应的通道采样不同步。
进一步的，所述S4中，进行超前或延后的判断方法为：若相位差折叠呈现上升趋势，则表示该通道超前于参考通道，对该通道进行延后校正；若相位差折叠呈现下降趋势，则表示该通道滞后于参考通道，对该通道进行超前校正。
进一步的，延后校正公式为：
超前校正公式为：
其中，
表示第i路的通道在载频为fm的条件下的通道真实相位差，
为AD采样未同步的测量相位差，Δti是AD采样时钟的时延，Δti＝NT＝N/fs，其时延为采样时钟周期的整数倍。
进一步的，所述步骤S4的具体校正方法为：根据超前或延后判断的结果，通过对该通道进行相应的采样时钟周期整数倍的遍历校正，并对校正后的通道重新绘制相位差曲线，当相位差曲线趋于平缓并且没有折叠翻转的现象，则可确定当前的校正时延就是采样不同步时延。
本发明还提供了一种通道间采样时序不同步的校正系统，包括信号发生单元、多通道变频单元、AD采样单元、存储单元、相位差计算单元、校正补偿单元及校正验证单元。
信号发生单元输出指定频率的射频信号至功分器，由功分器输出M路到多通道变频单元；多通道变频单元将射频信号转换为中频信号；AD采样单元采集M路通道变频后的中频信号的数据；存储单元存储AD采样单元采集的不同频率的中频信号的AD数据；相位差计算单元对采样的不同频率中频信号的AD数据进行相位差计算，并绘制相位差随频率变化的相位差曲线，以及计算采样同步的真实相位差随频率变化的趋势并绘制其相位差变化趋势曲线；校正补偿单元，判断出采样时序不同步的通道，对采样时序不同步的通道进行相应的校正补偿；校正验证单元，绘制校正后的相位差曲线，用于验证校正是否完成。
进一步的，所述校正补偿单元根据各通道的相位差曲线进行判断，若所有通道的相位差曲线都存在折叠反转，则表示参考通道采样不同步；若仅有个别通道相位差曲线存在折叠反转，则表示对应的这些通道采样时序不同步，根据相位差变化趋势判断该通道是超前还是滞后，以判断的结果来对该通道进行相应的采样时钟周期整数倍的遍历校正，并对校正后的通道重新绘制相位差曲线，当相位差曲线趋于平缓并且没有折叠翻转的现象，则表示当前的校正时延就是采样不同步时延。
进一步的，超前或延后的判断方法为：若相位差折叠呈现上升趋势，则表示该通道超前于参考通道，对该通道进行延后校正；若相位差折叠呈现下降趋势，则表示该通道滞后于参考通道，对该通道进行超前校正。
进一步的，校正验证单元的具体验证过程为：对校正后的通道进行验证，当校正后通道的相位差曲线与真实相位差曲线趋势一致时，则表示校正补偿的时延就是通道间采样不同步时延，完成校正。
与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：1、对跨信号周期的采样不同步时延可快速完成校正；2、校正方式不会引入计算误差；3、校正系统所需的硬件简单，扩大了校正方法的通用性范围。
附图说明
图1为本发明提出的多通道间采样不同步时延校正系统示意图。
图2为通道间不同线径时延的相位差随频率变化的曲线示意图。
图3为未进行校正前参考通道延后的相位差曲线示意图。
图4为未进行校正前参考通道超前的相位差曲线示意图。
图5为采用本发明校正方法校正后的相位差曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
如图1所示，本发明提供了一种通道间采样时序不同步的校正系统，包括信号发生单元、多通道变频单元、AD采样单元、存储单元、相位差计算单元、校正补偿单元及校正验证单元。信号发生单元输出指定频率的射频信号至功分器，由功分器输出M路到多通道变频单元；多通道变频单元将射频信号转换为中频信号；AD采样单元采集M路通道变频后的中频信号的数据；存储单元存储AD采样单元采集的不同频率的中频信号的AD数据；相位差计算单元对采样的不同频率中频信号的AD数据进行相位差计算，并绘制相位差随频率变化的相位差曲线，以及计算采样同步的真实相位差随频率变化的趋势并绘制其相位差变化趋势曲线；校正补偿单元，首先判断出哪些通道采样时序不同步，其次分析出不同步通道的采样时序超前还是滞后，进而对这些通道进行相应的校正补偿；校正验证单元，绘制校正后的相位差曲线，用于验证校正是否完成。
在本实施例中，以实际参数为例进行说明：
设置一组频率为9500MHz到9800MHz，频率步进为20MHz，共计16个频点的射频信号，通过信号发生单元，逐一生成指定射频频点信号的连续波，通过功分器对信号进行4路功分，输出到多通道变频单元。多通道变频单元通过下变频的方式将射频信号变为中频信号，依次为2300MHz到2000MHz，频率步进20MHz，共计16个频点的中频信号。AD采样单元对4路中频信号进行采样，存储单元将AD采样的4路时域信号进行存储，相位差计算单元对存储单元存储的4个通道的相位差进行计算，并将其归一化到[-π，π]，我们规定相位差计算是非参考通道相位减去参考通道相位，因此4个通道只有3组相位差，绘制3个通道相位差随频率变化的曲线图，校正补偿单元对采样不同步的通道进行超前或滞后的校正，校正验证单元对校正补偿单元的校正结果进行验证，通过绘制相位差曲线，并与理论的相位差曲线的趋势比对，从而计算出通道间的时延。
其中，AD采样单元对中频数据s(t)以采样频率Fs进行采样，其采样周期T＝1/Fs，该过程用数学描述如公式(1)所示：
将AD采样的时域中频信号通过FFT变换到频域，并将第一通道作为参考通道，计算通道间的相位差。信号si(ti，fm)建模为幅值A、载频fm、初相
的复信号，其表达式为公式(2)所示，并计算通道i的相位差PD(si)，如公式(3)所示：
通过上式对通道间相位差产生的原因进行分析，初相的差值为固定常数，因此相位差跟信号的载频和通道间线径差引起的时延相关，载频固定时，则只与通道间的线径差相关，设Δti＝ti-t1，其中Di为通道i的线径，D1为参考通道的线径，C为光速，则通过两者的线径差来表示其时延差，通道间采样同步的时延计算方式如公式4所示：
Δti＝(D1-Di)/C
(4)
通过设定不同频点和不同时延，计算通道间的相位差，作为通道间采样同步但通道间相位一致性存在波动的理论相位差曲线，如图2所示，其中设定通道间线径差为5mm、10mm、30mm及50mm，中频信号由1.3GHz到2.3GHz的1GHz带宽内步进20MHz的51个频点组成，从图中可看出即使线径差为50mm，通道间相位差在1GHz带宽内并未发生折叠翻转，因此其波动变化并没有超过一个周期，同时设定非参考通道线径比参考通道更短，因此其相位差超前于参考通道，相位差曲线呈现向上的趋势。
通过对参考通道的中频数据进行延时，来设定非同步采样的模式，对参考通道延时2个采样时钟周期后的中频数据重新计算相位差，并绘制相位差随频率变化的曲线图，如图3所示，由于参考通道的延时，导致其余非参考通道的相位都超前于参考通道，因此相位差呈现出向上的变化趋势，而且与只存在线径差的通道间相位差曲线趋势不同，只存在线径差的相位差曲线呈现出变化比较平缓而且不存在相位差翻转的现象，因此对于相位差随频率变化呈现出翻转的现象，基本可认定为是采样不同步导致的结果。对非参考通道的中频数据进行延时，则相当于参考通道超前，我们设定参考通道超前4个采样时钟，计算通道间的相位差曲线如图4所示，其相位差呈现向下趋势。随采样延时的变长，相位差翻转次数也增多，图4中采样延时比图3更长，其相位差曲线折叠次数也更多。
AD采样时钟为Fs，FPGA数据时钟无法直接匹配AD的高速时钟，实际上FPGA数据时钟是AD时钟的N分频，即为Fs/N，其中N一般取2的指数级，通过N条数据线来并行接收AD采样数据，因此FPGA采集N个数据才对应AD一个采样时钟，明确通道间时延补偿的数据时钟和采样时钟的转化关系，从而对采样时延进行精确计算。
通过对通道间相位差随频率变化的曲线进行分析，通过相位差曲线折叠翻转情况可判断出是哪个通道采样不同步，假如所有通道相位差都存在折叠翻转，则是参考通道采样不同步，假如只有个别通道相位差存在翻转，则这些通道采样不同步。对相位差折叠情况分向上和向下趋势两种情况，当相位差折叠呈现向上趋势，则该通道超前于参考通道，则对该通道进行延后校正，延后校正如公式5所示，反之相位差折叠呈现向下趋势，则对该通道进行超前校正，超前校正如公式6所示，其中
表示第i路的通道在载频为fm的条件下的通道真实相位差，
为AD采样未同步的测量相位差，Δti是AD采样时钟的时延，Δti＝NT＝N/fs，其时延为采样时钟周期的整数倍。
根据采样不同步的通道及其采样的超前或延后状态，进行针对性校正，通过对该通道进行相应的采样时钟周期整数倍的遍历校正，并对校正后的通道重新绘制相位差曲线，当相位差曲线趋于平缓并且没有折叠翻转的现象，则可确定当前的校正时延就是采样不同步时延。通过对图3和图4中不同步的通道分别进行校正，校正后的相位差曲线如图5所示，从相位差折叠翻转到平缓，从而完成通道的采样不同步时延校正。
在本实例具体实施过程中，设置AD采样单元3采样时钟频率为Fs＝2400MHz，存储单元4的数据时钟频率为300MHz。图3和图4分别给出了采用本发明技术前通道间采样不同步的相位差折叠曲线，图5为使用本发明的校正后的相位差曲线，从图中明显可以看出，采用本发明后相位差曲线明显变平缓且未发生折叠翻转，跟硬件在线调试相比，大大缩短了校正时间。
本发明的校正方式并不存在计算上的精度损失，因此不会引入计算误差，而且并非通过通道间的相位差来计算时延，因此不存在相位差模糊性导致的时差计算出错的问题。该发明从技术原理上弥补了传统通道间采样不同步校正方法的不足，对采样不同步的通道进行快速校正，提高了系统调试的效率，并且校正系统的硬件要求简单，具有很好的应用和推广价值。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
Claims (7)
1.一种通道间采样时序不同步的校正方法，其特征在于，包括：
S1、设置指定频率的射频信号，通过功分器输出M路分别进行变频，转换为中频信号；
S2、通过AD采样单元采集并存储M路中频信号，重复S1-S2，完成多个指定频率的中频信号的AD数据的采样存储；
S3、任选其中一路为参考通道，计算采集存储的所有频率下的其他通道与参考通道AD数据的相位差，并绘制相位差随频率变化的相位差曲线，同时计算采样同步的真实相位差随频率变化的趋势并绘制其相位差变化趋势曲线；
S4、根据采集数据绘制的相位差曲线与采样同步的相位差变化趋势曲线进行比较的结果，判断是否存在采样不同步的通道，对采样不同步的通道进行超前或延后判断，根据超前或延后的结果来对不同步的通道进行相应的校正；
S5、对校正后的通道进行验证，当校正后通道的相位差曲线与真实相位差曲线趋势一致时，则表示校正补偿的时延就是通道间采样不同步时延，完成校正；
所述S4中，是否存在采样时序不同步通道的判断方法为：根据各通道的相位差曲线进行判断，若所有通道的相位差曲线都存在折叠反转，则表示参考通道采样不同步；若仅有个别通道相位差曲线存在折叠反转，则表示对应的通道采样不同步。
2.根据权利要求1所述的通道间采样时序不同步的校正方法，其特征在于，所述S4中，进行超前或延后的判断方法为：若相位差折叠呈现上升趋势，则表示该通道超前于参考通道，对该通道进行延后校正；若相位差折叠呈现下降趋势，则表示该通道滞后于参考通道，对该通道进行超前校正。
3.根据权利要求2所述的通道间采样时序不同步的校正方法，其特征在于，延后校正公式为：
超前校正公式为：
其中，
表示第i路的通道在载频为fm的条件下的通道真实相位差，
为AD采样未同步的测量相位差，Δti是AD采样时钟的时延，Δti＝NT＝N/fs，其时延为采样时钟周期的整数倍。
4.根据权利要求3所述的通道间采样时序不同步的校正方法，其特征在于，所述S4的具体校正方法为：根据超前或延后的判断结果，通过对该通道进行采样时钟周期的整数倍进行相应的遍历校正，并对校正后的通道重新绘制相位差曲线，当相位差曲线趋于平缓并且没有折叠翻转的现象，则可确定当前的校正时延就是采样不同步时延。
5.一种通道间采样时序不同步的校正系统，其特征在于，包括信号发生单元、多通道变频单元、AD采样单元、存储单元、相位差计算单元、校正补偿单元及校正验证单元；
信号发生单元输出指定频率的射频信号至功分器，由功分器输出M路到多通道变频单元；多通道变频单元将射频信号转换为中频信号；AD采样单元采集M路通道变频后的中频信号的数据；存储单元存储AD采样单元采集的不同频率的中频信号的AD数据；相位差计算单元对采样的不同频率中频信号的AD数据进行相位差计算，并绘制相位差随频率变化的相位差曲线，以及计算采样同步的真实相位差随频率变化的趋势并绘制其相位差变化趋势曲线；校正补偿单元，判断出采样时序不同步的通道，对采样时序不同步的通道进行相应的校正补偿；校正验证单元，绘制校正后的相位差曲线，用于验证校正是否完成；
所述校正补偿单元根据各通道的相位差曲线进行判断，若所有通道的相位差曲线都存在折叠反转，则表示参考通道采样不同步；若仅有个别通道相位差曲线存在折叠反转，则表示对应的这些通道采样时序不同步，根据相位差变化趋势判断该通道是超前还是滞后，以判断的结果来对该通道进行相应的采样时钟周期整数倍的遍历校正，并对校正后的通道重新绘制相位差曲线，当相位差曲线趋于平缓并且没有折叠翻转的现象，则表示当前的校正时延就是采样不同步时延。
6.根据权利要求5所述的通道间采样时序不同步的校正系统，其特征在于，超前或延后的判断方法为：若相位差折叠呈现上升趋势，则表示该通道超前于参考通道，对该通道进行延后校正；若相位差折叠呈现下降趋势，则表示该通道滞后于参考通道，对该通道进行超前校正。
7.根据权利要求6所述的通道间采样时序不同步的校正系统，其特征在于，校正验证单元的具体验证过程为：对校正后的通道进行验证，当校正后通道的相位差曲线与真实相位差曲线趋势一致时，则表示校正补偿的时延就是通道间采样不同步时延，完成校正。
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