CN114915291A - 一种用于改善测试系统性能的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明旨在提供一种用于改善测试系统性能的方法，能够通过注入特定的扰动信号，改善量化误差，从而改善测试系统的分辨率以及非线性，提升测试系统性能。该方法使用的信号转换装置包括信号输入端、反相器、两个第一加法器、两个转换器、第二加法器、低通滤波器和扰动模块；方法包括：1.信号输入端输入信号通过反相器形成相位相反的信号后与两个第一加法器连接；2.扰动模块产生随机扰动并将随机扰动输入两个所述第一加法器；3.两个转换器对信号进行转换并输入至第二加法器；4.第二加法器对信号进行求差以减掉加扰信号，实现去扰并输出信号；5.信号通过低通滤波器滤除不需要的噪音后由信号输出端输出信号。本发明可应用于测试系统的技术领域。

Description

一种用于改善测试系统性能的方法
技术领域
本发明涉及测试系统的技术领域，特别涉及一种用于改善测试系统性能的方法。
背景技术
ADC（Analog-to-Digital Converter，模数转换器）、DAC（Digital -to-AnalogConverter，数模转换器）器件作为数字化仪器的关键器件，其物理特性会影响整个系统的性能。以ADC为例，其需要把无穷地连续变化的模拟信号转换为有限取值地离散的数字量，无穷到有限意味着截断，截断后必然会有误差，即量化误差，导致ADC的传递特性为台阶状，有着明显的死区非线性，且此误差无法消除，只能通过提高ADC的位数来减小。故而对于很多高性能的测试系统，只能选用高位数的ADC、DAC。
为了提高测试系统的性能，对于ADC可以采用过采样，即多次测量后求平均来提高系统的等效分辨率，但此方法不适合DAC。总的来说，系统的分辨率或谐波失真性能受限于ADC、DAC的量化误差。而高位数、高分辨率的ADC、DAC元器件型号少，不易选择；过采样又会降低数据更新速率，适用面较窄；对于小于分辨率的信号，信号只能淹没在量化噪声中，无法在时域直接分析；器件的其他非线性不能被改善，如INL（Integral Non-linearity，积分非线性）。现亟需一种可以有效改善测试系统的方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供了一种用于改善测试系统性能的方法，能够通过注入特定的扰动信号，改善量化误差，从而改善测试系统的分辨率以及非线性，提升测试系统性能。
本发明所采用的技术方案是：本发明所述的一种用于改善测试系统性能的方法使用了信号转换装置，所述信号转换装置包括信号输入端、反相器、两个第一加法器、两个转换器、第二加法器、低通滤波器和扰动模块，所述信号输入端与所述反相器及其中一个所述第一加法器连接，所述反相器与另一个所述第一加法器连接，两个所述第一加法器分别与两个所述转换器连接，两个所述转换器均与所述第二加法器连接，所述第二加法器与所述低通滤波器连接，所述低通滤波器通过信号输出端进行信号输出，所述扰动模块分别与两个所述第一加法器连接；
所述方法包括以下步骤：
S1.1、所述信号输入端输入两路信号，其中一路信号与其中一个所述第一加法器连接，另一路信号与所述反相器连接形成相位相反的信号后与另一个所述第一加法器连接；
S1.2、所述扰动模块通过随机数生成算法产生随机扰动，并将所述随机扰动输入两个所述第一加法器；
S1.3、两个所述转换器分别对两路信号进行转换，转换后的两路信号均输入至所述第二加法器；
S1.4、所述第二加法器对转换后的两路信号进行求差以减掉加扰信号，实现去扰，输出去扰后的信号；
S1.5、去扰后的信号通过所述低通滤波器滤除不需要的量化噪音后，由信号输出端输出信号。
进一步，所述信号转换装置为信号发生装置，其中，所述信号输入端为信号源，两个所述转换器均为数模转换器，所述低通滤波器为模拟低通滤波器；
当所述信号转换装置为信号发生装置时，所述方法包括以下步骤：
S2.1、所述信号源根据测试需要生成对应波形的两路数字信号G，一路数字信号G通过所述反相器后输出数字信号-G；
S2.2、所述扰动模块通过随机数生成算法产生随机扰动，并将所述随机扰动输入两个所述第一加法器；
S2.3、两路差分数字信号G、-G分别通过两个所述第一加法器加扰后送入对应的所述数模转换器；
S2.4、转换后的两路模拟信号通过所述第二加法器求差以减掉加扰信号，实现去扰，输出去扰后的模拟信号；
S2.5、去扰后的模拟信号通过所述模拟低通滤波器滤除不需要的量化噪声e1、e2后通过信号输出端模拟输出高保真波形w。
进一步，所述信号转换装置为信号采集装置，其中，所述信号输入端为模拟信号输入，两个所述转换器为模数转换器，所述低通滤波器为数字低通滤波器，所述扰动模块连接第二模数转换器再与其中一个所述加法器连接，所述数字低通滤波器通过信号输出端与记录器连接；
当所述信号转换装置为信号采集装置时，所述方法包括以下步骤：
S3.1、所述信号输入端输入两路模拟信号s，一路模拟信号s通过所述反相器后输出模拟信号-s；
S3.2、所述扰动模块通过随机数生成算法产生随机扰动，所述随机扰动先通过所述第二数模转换器进行信号转换，再输入两个所述第一加法器；
S3.3、两路模拟差分信号s、-s分别通过两个所述第一加法器入噪声n，完成加扰；
S3.4、加扰后的两路模拟差分信号s、-s分别送入对应的所述模数转换器，转换为对应的数字量；
S3.5、转换后的数字量通过所述第二加法器求差，完成去扰；
S3.6、去扰后的数字量通过所述数字低通滤波器滤除多余的噪声信号，得到最终的测量值M；
S3.7、测量值M通过所述记录器记录，并文件存档。
进一步，所述扰动模块包括扰动源和噪声整形单元，所述扰动源通过随机数生成算法生成随机扰动并输入至所述噪声整形单元，所述随机扰动通过所述噪声整形单元变换后输出符合三角分布的加扰信号。
进一步，所述随机扰动通过数学公式变换，输出特定分布的随机数，对符合均匀分布的随机数x[n]满足：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE001
，则y[n]服从三角分布，对应的频域有：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002
。
进一步，所述随机数生成算法包括PRBS。。
本发明的有益效果是：本发明采用扰动注入的方式，引入特定的随机扰动，令量化器输出不会维持在固定值，通过两路差分信号相减完成去扰，改善量化误差，达到改善测试系统的分辨率以及非线性的目的，进而提升测试系统的性能。
附图说明
图1是3位ADC传输特性及量化误差的示意图；
图2是加扰对ADC的死区非线性的影响的示意图；
图3是加扰前后正弦信号量化误差变化示意图；
图4是ADC加扰和去扰时的数学模型示意图；
图5是加扰后ADC各次谐波分量的幅值变化的示意图；
图6是加扰后ADC死区特性的变化示意图；
图7是不同类型扰动对ADC非线性的影响示意图；
图8是三角分布扰动生成算法示意图；
图9是本发明的工作原理示意图。
具体实施方式
本发明的具体实施方式基于以下技术分析进行：
本发明旨在改善ADC或DAC这类电子元件自身的非线性，进而提高系统的分辨率及改善谐波失真。
A、关于ADC、DAC的非线性分析：ADC是指将连续变化的模拟信号转换为离散的数字信号的器件；DAC是指将离散的数字信号转换为连续变化的模拟信号的器件，两者功能互补。以3位ADC为例来描述这两类器件的原理：将模拟信号转换为表示一定比例电压值的数字信号，称为量化，量化在数字信号处理领域，是指将信号的连续取值（或者大量可能的离散取值）近似为有限多个（或较少的）离散值的过程。量化主要应用于从连续信号到数字信号的转换中。连续信号经过采样成为离散信号，离散信号经过量化即成为数字信号。
使得输出离散信号产生一个变化所需的最小输入电压的差值被称作最低有效位（Least significant bit, LSB）电压。模拟数字转换器的分辨率△等于LSB电压。对于范围内的模拟信号，它能对应输出的离散数字信号的个数为N，则模拟数字转换器的电压分辨率等于它总的电压测量范围除以离散电压个数N：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
；
量化器，就是把经过抽样得到的瞬时值将其幅度离散，即用一组规定的电平，把瞬时抽样值用最接近的电平值来表示的装置；对均匀量化而言，量化器输出如下算式：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
，其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
是向下取整；
这是一个分段函数，用传输特性曲线来表示，如说明书附图1所示，具有明显的台阶，存在明显的死区特性，对量化误差曲线而言则是有明显的锯齿，而死区特性很难通过校正修正。对均匀量化而言，其量化误差的概率密度函数如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE006
，其对应的噪声有效值
Figure DEST_PATH_IMAGE007
：
Figure DEST_PATH_IMAGE008
；
对于特定位数的ADC，位数N确定后，其分辨率△也就确定了，故而其量化误差也就确定了：位数越多，量化误差越小；
为了最求更高的分辨率，需要选用更高位数的ADC芯片，或者通过多次测量取平均来实现,但这会降低数据的更新速率。
B、关于扰动改善非线性和谐波失真的分析：
ADC或DAC自身固有的非线性特性会导致其量化误差和输入信号相关，进而导致其输出信号频谱存在多次谐波。通过加入扰动，可以随机化量化误差，把谐波能量平均到底噪中，从而提高ADC或DAC的分辨率和谐波失真性能；
加入的扰动信号是在转换前混入输入信号的微量随机噪声（白噪声）。它的作用效果是输入信号极小时，造成LSB的状态随机在0和1之间振荡，而不是处于某一个固定值。这样做可以扩展模拟数字转换器可以转换的有效范围，而不需要在低输入的情况下完全切断这个信号，不过这样做的代价是噪音会小幅增加，量化误差会扩散到一系列噪音信号值。在时间范围上，还是可以较为精确地反映信号在时间上的变化。在输出端，使用一个适当的滤波器可以还原这个小幅信号波动；
以ADC为例，加扰技术需要将特定的扰动信号和原始信号叠加后输入ADC的输入端，经过ADC的量化后，通过对应的去扰算法把加扰信号去除。通过加扰和去扰，就可以提高ADC的某一性能指标。对于小幅度的加扰信号，其加扰幅度小于1LSB，对系统信噪比影响较小，可以不用去扰；
通过加扰可以改善ADC的死区非线性，如说明书附图2所示，对于正弦波输入，若其幅度小于分辨率，则ADC输出的数字信号会维持在0，通过叠加一定幅度的扰动信号后，ADC输入端的信号的瞬时幅值，会按一定概率超出分辨率，此时ADC就会输出+1或-1，通过简单的平均去除部分扰动后，就可以分辨出输入正弦信号的特征；
如说明书附图3所示，若输入正弦信号的幅值较大如达到输入的最大范围，则可以看出加扰前后，ADC的平均量化误差变化情况，加扰后量化误差具有一定的随机性，若对其求平均或者低通滤波，即可看出加扰后，ADC的平均量化误差由于每次转换的误差不同，且会随机抵消，最终的值会变得非常小，这意味者ADC整体的非线性也会得到改善。加扰能够随机化ADC的误差，误差被随机化后，谐波失真也会被改善；
对于加扰和去扰有如说明书附图4所示的数学模型；
对于符合某一概率分布的扰动d，若其概率密度函数为p(x),则加扰量化后的平均量化误差算式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE009
；
对上述算式四进行卷积积分傅里叶变换后，可以得到平均量化误差的频域表达式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE010
，式中，
Figure DEST_PATH_IMAGE011
、
Figure DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure DEST_PATH_IMAGE013
分别为
Figure DEST_PATH_IMAGE014
、
Figure DEST_PATH_IMAGE015
、
Figure DEST_PATH_IMAGE016
的傅里叶变换；
均匀量化产生的锯齿波状量化误差可以展开的傅里叶级数如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE017
，其中x为输入信号的采样值。其频域幅值表达式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE018
，
Figure DEST_PATH_IMAGE019
；
若扰动的概率分布函数符合如下的三角分布：
Figure DEST_PATH_IMAGE020
，
则平均量化误差的幅值为：
Figure DEST_PATH_IMAGE021
，
Figure DEST_PATH_IMAGE022
；
由于
Figure DEST_PATH_IMAGE023
取值位于0和1之间，相比于
Figure DEST_PATH_IMAGE024
，加扰后的各次谐波
Figure DEST_PATH_IMAGE025
值都会变小，且变小的比例和三角分布的区间CT有关。如说明书附图5所示，加扰后各次谐波都会变小，谐波失真情况得到改善。
C、关于扰动选型的分析：
如前文所述，加扰后ADC的等效分辨率会有所提高，若换一个角度来看,分析加扰、平均后ADC的传输特性，可以得到死区特性随着加扰强度增加，死区范围逐渐减小，超过一定范围后，整体线性还会变差，具体如说明书附图6所示。
加入的扰动可以有多种类型，如前面用到的白噪声、三角分布噪声、高斯分布噪声，还可以是一定幅度的周期信号如正弦波、锯齿波。根据前面得到的平均量化误差的频域表达式，可知所加扰动的频谱分布会影响平均后各次谐波的衰减特性。对应到时域，就是ADC传输特性所具有的非线性。以常见的噪声作为扰动，并假设给定噪声具有相同的有效值，取100次的平均值作为去扰算法，可以画出如说明书附图7所示的传递特性曲线。可以发现适当幅度的噪声，都可以使得传递特性完全线性，过大或过小的噪声都会导致改善效果变弱，相比而言，三角分布噪声的线性度改善效果不易受加扰幅度影响。故而在本实施例中，采用三角分布噪声来实现。
D、关于扰动如何产生的分析：
实际工程应用中，有很多随机数生成算法如PRBS，可以用来产生随机扰动。但其分布普遍都是均匀分布，需要通过数学公式变换，才能输出特定分布的随机数。如说明书附图8所示，对符合均匀分布的随机数x[n],若有y[n]符合下式，则y[n]服从三角分布：
Figure DEST_PATH_IMAGE026
，对应于频域有：
Figure DEST_PATH_IMAGE027
；
对于大多数测试系统，其更关心低频部分的信号，由于Y(z)具有典型的一阶高通特性，即低频部分的能量较小，高频部分能量大，故而三角分布扰动对信号的低频部分影响较小，非常适合作为扰动信号。
基于上述分析，本发明采用以下具体实施方式：
如说明书附图9所示，在本实施例中，所述用于改善测试系统性能的方法使用了信号转换装置，所述信号转换装置包括信号输入端、反相器、两个第一加法器、两个转换器、第二加法器、低通滤波器和扰动模块，所述信号输入端与所述反相器及其中一个所述第一加法器连接，所述反相器与另一个所述第一加法器连接，两个所述第一加法器分别与两个所述转换器连接，两个所述转换器均与所述第二加法器连接，所述第二加法器与所述低通滤波器连接，所述低通滤波器通过信号输出端进行信号输出，所述扰动模块分别与两个所述第一加法器连接；
所述方法包括以下步骤：
S1.1、所述信号输入端输入两路信号，其中一路信号与其中一个所述第一加法器连接，另一路信号与所述反相器连接形成相位相反的信号后与另一个所述第一加法器连接；
S1.2、所述扰动模块通过随机数生成算法产生随机扰动，并将所述随机扰动输入两个所述第一加法器；
S1.3、两个所述转换器分别对两路信号进行转换，转换后的两路信号均输入至所述第二加法器；
S1.4、所述第二加法器对转换后的两路信号进行求差以减掉加扰信号，实现去扰，输出去扰后的信号；
S1.5、去扰后的信号通过所述低通滤波器滤除不需要的量化噪音后，由信号输出端输出信号。
在本实施例中，所述信号转换装置为信号发生装置，其中，所述信号输入端为信号源，两个所述转换器均为数模转换器，所述低通滤波器为模拟低通滤波器；
当所述信号转换装置为信号发生装置时，所述方法包括以下步骤：
S2.1、所述信号源根据测试需要生成对应波形的两路数字信号G，一路数字信号G通过所述反相器后输出数字信号-G；
S2.2、所述扰动模块通过随机数生成算法产生随机扰动，并将所述随机扰动输入两个所述第一加法器；
S2.3、两路差分数字信号G、-G分别通过两个所述第一加法器加扰后送入对应的所述数模转换器；
S2.4、转换后的两路模拟信号通过所述第二加法器求差以减掉加扰信号，实现去扰，输出去扰后的模拟信号；
S2.5、去扰后的模拟信号通过所述模拟低通滤波器滤除不需要的量化噪声e1、e2后通过信号输出端模拟输出高保真波形w。
在本实施例中，所述信号转换装置为信号采集装置，其中，所述信号输入端为模拟信号输入，两个所述转换器为模数转换器，所述低通滤波器为数字低通滤波器，所述扰动模块连接第二模数转换器再与其中一个所述加法器连接，所述数字低通滤波器通过信号输出端与记录器连接；
当所述信号转换装置为信号采集装置时，所述方法包括以下步骤：
S3.1、所述信号输入端输入两路模拟信号s，一路模拟信号s通过所述反相器后输出模拟信号-s；
S3.2、所述扰动模块通过随机数生成算法产生随机扰动，所述随机扰动先通过所述第二数模转换器进行信号转换，再输入两个所述第一加法器；
S3.3、两路模拟差分信号s、-s分别通过两个所述第一加法器入噪声n，完成加扰；
S3.4、加扰后的两路模拟差分信号s、-s分别送入对应的所述模数转换器，转换为对应的数字量；
S3.5、转换后的数字量通过所述第二加法器求差，完成去扰；
S3.6、去扰后的数字量通过所述数字低通滤波器滤除多余的噪声信号，得到最终的测量值M；
S3.7、测量值M通过所述记录器记录，并文件存档。
在本实施例中，所述扰动模块包括扰动源和噪声整形单元，所述扰动源通过随机数生成算法生成随机扰动并输入至所述噪声整形单元，所述随机扰动通过所述噪声整形单元变换后输出符合三角分布的加扰信号。
在本实施例中，所述随机扰动通过数学公式变换，输出特定分布的随机数，对符合均匀分布的随机数x[n]满足：
Figure 16979DEST_PATH_IMAGE001
，则y[n]服从三角分布，对应的频域有：
Figure 137382DEST_PATH_IMAGE002
。
在本实施例中，所述随机数生成算法包括PRBS。
本发明最具优势的地方在于：改善现有硬件的分辨率、提升系统的谐波失真性能、扩大系统的动态范围、去扰环节能够减小对原始信号的影响。
虽然本发明的实施例是以实际方案来描述的，但是并不构成对本发明含义的限制，对于本领域的技术人员，根据本说明书对其实施方案的修改及与其他方案的组合都是显而易见的。

Claims (6)

1.一种用于改善测试系统性能的方法，其特征在于：所述方法使用了信号转换装置，所述信号转换装置包括信号输入端、反相器、两个第一加法器、两个转换器、第二加法器、低通滤波器和扰动模块，所述信号输入端与所述反相器及其中一个所述第一加法器连接，所述反相器与另一个所述第一加法器连接，两个所述第一加法器分别与两个所述转换器连接，两个所述转换器均与所述第二加法器连接，所述第二加法器与所述低通滤波器连接，所述低通滤波器通过信号输出端进行信号输出，所述扰动模块分别与两个所述第一加法器连接；
所述方法包括以下步骤：
S1.1、所述信号输入端输入两路信号，其中一路信号与其中一个所述第一加法器连接，另一路信号与所述反相器连接形成相位相反的信号后与另一个所述第一加法器连接；
S1.2、所述扰动模块通过随机数生成算法产生随机扰动，并将所述随机扰动输入两个所述第一加法器；
S1.3、两个所述转换器分别对两路信号进行转换，转换后的两路信号均输入至所述第二加法器；
S1.4、所述第二加法器对转换后的两路信号进行求差以减掉加扰信号，实现去扰，输出去扰后的信号；
S1.5、去扰后的信号通过所述低通滤波器滤除不需要的量化噪音后，由信号输出端输出信号。
2.根据权利要求1所述的一种用于改善测试系统性能的方法，其特征在于：所述信号转换装置为信号发生装置，其中，所述信号输入端为信号源，两个所述转换器均为数模转换器，所述低通滤波器为模拟低通滤波器；
当所述信号转换装置为信号发生装置时，所述方法包括以下步骤：
S2.1、所述信号源根据测试需要生成对应波形的两路数字信号G，一路数字信号G通过所述反相器后输出数字信号-G；
S2.2、所述扰动模块通过随机数生成算法产生随机扰动，并将所述随机扰动输入两个所述第一加法器；
S2.3、两路差分数字信号G、-G分别通过两个所述第一加法器加扰后送入对应的所述数模转换器；
S2.4、转换后的两路模拟信号通过所述第二加法器求差以减掉加扰信号，实现去扰，输出去扰后的模拟信号；
S2.5、去扰后的模拟信号通过所述模拟低通滤波器滤除不需要的量化噪声e1、e2后通过信号输出端模拟输出高保真波形w。
3.根据权利要求1所述的一种用于改善测试系统性能的方法，其特征在于：所述信号转换装置为信号采集装置，其中，所述信号输入端为模拟信号输入，两个所述转换器为模数转换器，所述低通滤波器为数字低通滤波器，所述扰动模块连接第二模数转换器再与其中一个所述加法器连接，所述数字低通滤波器通过信号输出端与记录器连接；
当所述信号转换装置为信号采集装置时，所述方法包括以下步骤：
S3.1、所述信号输入端输入两路模拟信号s，一路模拟信号s通过所述反相器后输出模拟信号-s；
S3.2、所述扰动模块通过随机数生成算法产生随机扰动，所述随机扰动先通过所述第二数模转换器进行信号转换，再输入两个所述第一加法器；
S3.3、两路模拟差分信号s、-s分别通过两个所述第一加法器入噪声n，完成加扰；
S3.4、加扰后的两路模拟差分信号s、-s分别送入对应的所述模数转换器，转换为对应的数字量；
S3.5、转换后的数字量通过所述第二加法器求差，完成去扰；
S3.6、去扰后的数字量通过所述数字低通滤波器滤除多余的噪声信号，得到最终的测量值M；
S3.7、测量值M通过所述记录器记录，并文件存档。
4.根据权利要求1所述的一种用于改善测试系统性能的方法，其特征在于：所述扰动模块包括扰动源和噪声整形单元，所述扰动源通过随机数生成算法生成随机扰动并输入至所述噪声整形单元，所述随机扰动通过所述噪声整形单元变换后输出符合三角分布的加扰信号。
5.根据权利要求4所述的一种用于改善测试系统性能的方法，其特征在于：所述随机扰动通过数学公式变换，输出特定分布的随机数，对符合均匀分布的随机数x[n]满足：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，则y[n]服从三角分布，对应的频域有：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
。
6.根据权利要求1所述的一种用于改善测试系统性能的方法，其特征在于：所述随机数生成算法包括PRBS。
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