CN116683910B - 一种多adc动态范围扩展的数字校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多ADC动态范围扩展的数字校正方法，首先，通过正负幅度辅助值以及正基值、负基值，以迭代方式求出其他通道相对于作为标准的通道CH₁的增益与偏置校正值，以此对其他通道的增益偏置误差进行校正，然后，通过计算其他通道相对于作为标准的通道CH₁的相位差，并以此构建其他通道的Farrow结构的分数延时滤波器，对增益偏置误差校正后的采样数据X₂、……、X_M分别进行校正，在确保多通道输出不同增益的数据各自动态范围不损失的同时，完成多ADC系统的多路采集数据的数字校正。

Description

一种多ADC动态范围扩展的数字校正方法

技术领域

本发明属于动态信号分析领域，更为具体地讲，涉及一种多ADC动态范围扩展的数字校正方法。

背景技术

仪器最大量程与可测的最小信号决定了动态测试性能的好坏，仪器可测的最小信号由通道的模拟器件的噪声抑制性能与ADC的分辨率决定。纵观动态信号分析仪的动态范围指标的发展历程，ADC分辨率与模拟器件工艺的提升会导致动态范围大幅度的提升。但是现如今的ADC分辨率越来越高，工艺的提升变得缓慢且困难。在通道噪声理想的情况下使用单片ADC采集信号，系统的动态范围取决于ADC的信噪比指标，超出单片ADC测量范围的信号无法被系统测试，使用多片ADC完成数据采集可以突破单片ADC对应动态范围的限制。

多片ADC扩展技术的关键如何将多路采集数据整合为一路，该技术面临2大难题：1)如何对多路数据的增益与偏置进行校正使各个ADC统一在同一量化精度下；2)多路数据间的不同延时的校正。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术不足，提供一种多ADC动态范围扩展的数字校正方法，在确保多通道输出不同增益的数据各自动态范围不损失的同时，完成多ADC系统的多路采集数据的数字校正，便于将多ADC数据整合为一路数据流。

为实现上述发明目的，本发明多ADC动态范围扩展的数字校正方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、迭代计算增益校正值A_m以及偏置校正值B_m，并进行多通道增益偏置误差校正

对于M个具有不同增益以及微小偏置误差的通道记为CH₁、CH₂、CH₃……CH_M，其采样数据记为X₁、X₂、……、X_M，以其中通道CH₁作为标准，根据通道CH₂、CH₃……CH_M与通道CH₁的增益校正值A₁、A₂、……、A_M-1与偏置校正值B₁、B₂、……、B_M-1，对通道CH₂、CH₃……CH_M的增益偏置误差进行校正：

其中，通道CH₂、CH₃……CH_M与通道CH₁间增益校正值A₁、A₂、……、A_M-1以及偏置校正值B₁、B₂、……、B_M-1使用两个通道间采样数据的双极性信号进行迭代运算得到，对于第m个增益校正值A_m以及偏置校正值B_m，依据以下方式得到：

1.1)、对于通道CH₁、CH_m+1，分别选取长度为L的一段采样数据，分别记为X₁(0)，X₁(1)，…，X₁(L-1)以及X_m+1(0)，X_m+1(1)，…，X_m+1(L-1)，初始化迭代次数i＝1，初始化正幅度辅助值P(0)＝X₁(0)，负幅度辅助值N(0)＝X₁(0)，增益校正值A_m(0)＝1，偏置校正值B_m(0)＝0；

1.2)、计算第i次迭代的正幅度辅助值P(i)、负幅度辅助值N(i)：

P(i)＝P(i-1)+[X₁(i-1)+(X_PMax-X_m+1(i-1))×A_m(i-1)+B_m(i-1)-P(i-1)]×D′

N(i)＝N(i-1)+[X₁(i-1)+(X_NMax-X_m+1(i-1))×A_m(i-1)+B_m(i-1)-N(i-1)]×D′

其中，正基值X_PMax为通道CH₁、CH_m+1中高增益通道的正向最大值、负基值X_NMax通道CH₁、CH_m+1中高增益通道的负向最大值，A_m(i-1)为第i-1次迭代的增益校正值，B_m(i-1)为第i-1次迭代的偏置校正值，D′为迭代速度；

1.3)、计算第i次迭代的增益校正值A_m(i)、偏置校正值B_m(i)：

1.4)、计算第i次迭代的误差Δ_m(i)：

Δ_m(i)＝X₁(i)-[A_m(i)×X_m+1(i)+B_m(i)]

1.5)、判断误差Δ_m(i)是否小于设定的迭代精度，如果小于，则第i次迭代的增益校正值A_m(i)、偏置校正值B_m(i)作为第m个增益校正值A_m以及偏置校正值B_m，如果不小于，则i＝i+1，返回步骤1.2)；

(2)、获取延时，构建Farrow结构的分数延时滤波器并进行多通道延时校正

2.1)、多通道延时的获取

对通道CH₁、CH₂、CH₃……CH_M输入相同频率、相同相位的标准信号，然后对采样数据做FFT运算，得到的结果分别取实部RE_m和虚部IM_m，m＝1,2,…M，得到通道CH₁、CH₂、CH₃……CH_M的相位

以通道CH₁为标准通道，通道CH₂、CH₃……CH_M与通道CH₁在标准信号下的相位差其中，相位差/>为：

计算通道CH₂、CH₃……CH_M与通道CH₁的延时τ_m，m＝1,2,…M-1：

其中，f₀为标准信号的频率，k′为ADC的采样率；

2.2)、设计Farrow结构的滤波器

使用通带内具有最大平坦特性的拉格朗日插值设计分数延时滤波器，分数延时滤波器系数为：

其中，P为分数延时滤波器的阶数；

使用Farrow结构的滤波器对拉格朗日插值设计分数延时滤波器的系数进行逼近，通过滤波器组来近似求得一定延时范围内即0≤d≤1的最佳分数延时滤波器，令D＝P-2+d，得到分数延时滤波器系数h(n)的多项式：

其中，c_p(n)为Farrow结构的分数延时滤波器系数；

对于通道CH₂、CH₃……CH_M，将延时τ_m，m＝1,2,…M-1作为d，则得到各自对应的Farrow结构的分数延时滤波器分别为：

通道CH₁，设置万分之一个采样点的小数延时τ₀作为d，得到通道CH₁的Farrow结构的滤波器：

2.3)、多通道延时的校正

对通道CH₁的采集数据X₁以及经过步骤(1)增益偏置误差校正后的采样数据X₂、……、X_M分别进行半带插值，然后分别送入各自对应的Farrow结构的分数延时滤波器h₀(n)、h₁(n)、……h_M-1(n)中进行延时滤波，然后再分别进行半带抽取，得到延时校正后的采样数据X₁、X₂、……、X_M，完成多通道延时校正；

(3)、数据整合

将延时校正后的采样数据X₁、X₂、……、X_M进行整合，得到多ADC采集信号。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明多ADC动态范围扩展的数字校正方法，首先，通过正负幅度辅助值以及正基值、负基值，以迭代方式求出其他通道相对于作为标准的通道CH₁的增益与偏置校正值，以此对其他通道的增益偏置误差进行校正，然后，通过计算其他通道相对于作为标准的通道CH₁的相位差，并以此构建其他通道的Farrow结构的分数延时滤波器，对增益偏置误差校正后的采样数据X₂、……、X_M分别进行校正，在确保多通道输出不同增益的数据各自动态范围不损失的同时，完成多ADC系统的多路采集数据的数字校正。

附图说明

图1是本发明多ADC动态范围扩展的数字校正方法一种具体实施方式流程示意图；

图2是图1所示步骤S1中增益校正值A_m以及偏置校正值B_m获取的流程图；

图3是本发明多ADC动态范围扩展的数字校正方法一种具体实施方式的原理示意图；

图4是相位差的获取示意图；

图5是数字校正前后的对比图。

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。

图1是本发明多ADC动态范围扩展的数字校正方法一种具体实施方式流程示意图。

在本实施例中，如图1所示，本发明多ADC动态范围扩展的数字校正方法包括以下步骤：

步骤S1：迭代计算增益校正值A_m以及偏置校正值B_m，并进行多通道增益偏置误差校正

对于M个具有不同增益以及微小偏置误差的通道记为CH₁、CH₂、CH₃……CH_M，其采样数据记为X₁、X₂、……、X_M，以其中通道CH₁作为标准。在本实施例中，选取增益最小的通道作为通道CH₁，避免校正过程中造成动态范围的损失。

根据通道CH₂、CH₃……CH_M与通道CH₁的增益校正值A₁、A₂、……、A_M-1与偏置校正值B₁、B₂、……、B_M-1，对通道CH₂、CH₃……CH_M的增益偏置误差进行校正：

其中，通道CH₂、CH₃……CH_M与通道CH₁间增益校正值A₁、A₂、……、A_M-1以及偏置校正值B₁、B₂、……、B_M-1使用两个通道间采样数据的双极性信号进行迭代运算得到。由于双极性信号有正负之分。迭代计算过程引入了几个额外的辅助计算的值。高增益通道的正向最大值作为正基值X_PMax，高增益通道的负向最大值作负基值X_NMax、正幅度辅助值P(i)、负幅度辅助值N(i)。P(i)与N(i)为迭代过程中两个辅助值用来迭代收敛时计算出增益校正值A₁、A₂、……、A_M-1以及偏置校正值B₁、B₂、……、B_M-1。

具体来讲对于第m个增益校正值A_m以及偏置校正值B_m，如图2所示，依据以下方式得到：

步骤S1.1：初始化

对于通道CH₁、CH_m+1，分别选取长度为L的一段采样数据，分别记为X₁(0),X₁(1),…,X₁(L-1)以及X_m+1(0),X_m+1(1),…,X_m+1(L-1)，初始化迭代次数i＝1，初始化正幅度辅助值P(0)＝X₁(0)，负幅度辅助值N(0)＝X₁(0)，增益校正值A_m(0)＝1，偏置校正值B_m(0)＝0；

步骤S1.2：计算第i次迭代的正幅度辅助值P(i)、负幅度辅助值N(i)：

P(i)＝P(i-1)+[X₁(i-1)+(X_PMax-X_m+1(i-1))×A_m(i-1)+B_m(i-1)-P(i-1)]×D′

N(i)＝N(i-1)+[X₁(i-1)+(X_NMax-X_m+1(i-1))×A_m(i-1)+B_m(i-1)-N(i-1)]×D′

其中，正基值X_PMax为通道CH₁、CH_m+1中高增益通道的正向最大值、负基值X_NMax通道CH₁、CH_m+1中高增益通道的负向最大值，A_m(i-1)为第i-1次迭代的增益校正值，B_m(i-1)为第i-1次迭代的偏置校正值，D′为迭代速度。

步骤S1.3：计算第i次迭代的增益校正值A_m(i)、偏置校正值B_m(i)：

步骤S1.4：计算第i次迭代的误差Δ_m(i)：

Δ_m(i)＝X₁(i)-[A_m(i)×X_m+1(i)+B_m(i)]

步骤S1.5：判断误差Δ_m(i)是否小于设定的迭代精度，如果小于，则第i次迭代的增益校正值A_m(i)、偏置校正值B_m(i)作为第m个增益校正值A_m以及偏置校正值B_m，如果不小于，则i＝i+1，返回步骤S1.2。

由于多片ADC是类似的，在本实施例中，如图3所示，以两片ADC为例进行说明，本实施例只需要计算出通道CH₂的增益校正值A₁以及偏置校正值B₁，并按照公式X₂＝A₁X₂+B₁对通道CH₂进行校正即可。

步骤S2：获取延时，构建Farrow结构的分数延时滤波器并进行多通道延时校正

步骤S2.1：多通道延时的获取

结合频谱分析，根据FFT的实部虚部数据得到相应的相位谱，便于测量信号在某一频点的相位差。在测量单频点延时的时候通过信号源输入相应的标准频点的信号，在各个通道输入相同频率，相同相位的信号，以CH₁为标准通道，通过FFT计算各个通道标准频点的相位特性，求差得到各个通道与CH₁在同一频点的相位差，就可以根据单一频点的相位差来对两通道时延进行估计。具体来讲，获取多通道延时的步骤为：

对通道CH₁、CH₂、CH₃……CH_M输入相同频率、相同相位的标准信号，然后对采样数据做FFT运算，得到的结果分别取实部RE_m和虚部IM_m，m＝1,2,…M，得到通道CH₁、CH₂、CH₃……CH_M的相位

以通道CH₁为标准通道，通道CH₂、CH₃……CH_M与通道CH₁在标准信号下的相位差其中，相位差/>为：

计算通道CH₂、CH₃……CH_M与通道CH₁的延时τ_m，m＝1,2,…M-1：

其中，f₀为标准信号的频率，k′为ADC的采样率。

在本实施例中，采样率为262.144kHz，系统分析带宽102.4kHz。如图4所示，上位机根据FFT的实部RE₁和虚部IM₁得到相应在某一频率的相位差。在测量单频点延时的时候通过信号源在各个通道输入相应的标准频率1.024kHz的信号，采样率262.144kHz，做8192点的FFT分析，则标准频点1.024kHz的信号位于第32个FFT的点，其虚部与实部为IM₁与RE₁，计算两条通道FFT的实部RE₁和虚部IM₁的反正切值即可得相位与/>则两通道相位差若计算得到两通道数据在同一频点的相位差/>为0.08°，根据单一频点的相位差来对两通道时延τ₁进行估计如下式：

步骤S2.2：设计Farrow结构的滤波器

使用通带内具有最大平坦特性的拉格朗日插值设计分数延时滤波器，分数延时滤波器系数为：

其中，P为分数延时滤波器的阶数。

在本实施例中，以分数延时滤波器阶数P＝3为例，分数延时滤波器系数为：

表1

使用Farrow结构的滤波器对拉格朗日插值设计分数延时滤波器的系数进行逼近，通过滤波器组来近似求得一定延时范围内即0≤d≤1的最佳分数延时滤波器，令D＝P-2+d，得到分数延时滤波器系数h(n)的多项式：

其中，c_p(n)为Farrow结构的分数延时滤波器系数。

在本实施例中，以分数延时滤波器阶数P＝3为例，分数延时滤波器系数得到三阶Farrow结构的分数延时滤波器系数表达式如下

得到拉格朗日插值设计Farrow结构的分数延时滤波器三阶滤波器c_p(n)系数为:

对于通道CH₂、CH₃……CH_M，将延时τ_m，m＝1,2,…M-1作为d，则得到各自对应的Farrow结构的滤波器分别为：

通道CH₁，设置万分之一个采样点的小数延时τ₀作为d，得到通道CH₁的Farrow结构的滤波器：

步骤S2.3：多通道延时的校正

延时校正使用Farrow结构的分数延时滤波器来消除各通道数据的延时不一致。同时，由于使用最大平坦度准则设计Farrow结构的分数延时滤波器带宽较低，可以采用插值提高数据速率，在Farrow滤波器完成校正后进行数据抽取。

具体为：

对通道CH₁的采集数据X₁以及经过步骤(1)增益偏置误差校正后的采样数据X₂、……、X_M分别进行半带插值，然后分别送入各自对应的Farrow结构的分数延时滤波器h₀(n)、h₁(n)、……h_M-1(n)中进行延时滤波，然后再分别进行半带抽取，得到延时校正后的采样数据X₁、X₂、……、X_M，完成多通道延时校正。

在本实施例中，如图3所示，通道CH₁的采集数据X₁以及经过步骤(1)增益偏置误差校正后的采样数据X₂，分别进行半带插值，然后分别送入各自对应的Farrow结构的分数延时滤波器h₀(n)、h₁(n)h_M-1(n)中进行延时滤波，然后再分别进行半带抽取，得到延时校正后的采样数据X₂、……、X_M，完成多通道延时校正。

在本实施例中，使用七阶Farrow滤波器进行线性相位特性通道固定延时校正，七阶Farrow滤波器归一化通带在262.144kHz采样率下仅为52kHz，首先使用半带插值提升采样率至524.288kHz，此时Farrow滤波器通带为105kHz满足通带需求。

使用Farrow滤波器进行校正，两路数据间各自使用Farrow滤波器进行校正，其中，通道CH₁数据的Farrow滤波器设置0.0001微小延时进行一定的幅值与数据整周期延时补偿。

步骤S3：数据整合

将延时校正后的采样数据X₁、X₂、……、X_M进行整合，得到多ADC采集信号。

根据动态范围扩展的实际应用场景，需要更具各个通道的不同增益来选取不同幅值的数据进行整合。在本实施例中，输入信号为正弦波，如图5所示，左图圈中标明了由于延时误差导致数据整合后产生垂直非线性的发生点，可以看出由于延时误差的存在，输出信号时域波形产生了明显的失真。右图可以看出，经过校正，两者重合，表示校正滤波将延时误差进行了良好的修正，使得波形畸变得以改善。

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 (2)

1.一种多ADC动态范围扩展的数字校正方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、迭代计算增益校正值A_m以及偏置校正值B_m，并进行多通道增益偏置误差校正

对于M个具有不同增益以及微小偏置误差的通道记为CH₁、CH₂、CH₃......CH_M，其采样数据记为X₁、X₂、......、X_M，以其中通道CH₁作为标准，根据通道CH₂、CH₃......CH_M与通道CH₁的增益校正值A₁、A₂、......、A_M-1与偏置校正值B₁、B₂、......、B_M-1，对通道CH₂、CH₃......CH_M的增益偏置误差进行校正：

其中，通道CH₂、CH₃......CH_M与通道CH₁间增益校正值A₁、A₂、......、A_M-1以及偏置校正值B₁、B₂、......、B_M-1使用两个通道间采样数据的双极性信号进行迭代运算得到，对于第m个增益校正值A_m以及偏置校正值B_m，依据以下方式得到：

1.1)、对于通道CH₁、CH_n+1，分别选取长度为L的一段采样数据，分别记为X₁(0)，X₁(1)，...，X₁(L-1)以及X_m+1(0)，X_m+1(1)，...，X_m+1(L-1)，初始化迭代次数i＝1，初始化正幅度辅助值P(0)＝X₁(0)，负幅度辅助值N(0)＝X₁(0)，增益校正值A_m(0)＝1，偏置校正值B_m(0)＝0；

1.2)、计算第i次迭代的正幅度辅助值P(i)、负幅度辅助值N(i)：

P(i)＝P(i-1)+[X₁(i-1)+(X_PMax-X_m+1(i-1))×A_m(i-1)+B_m(i-1)-P(i-1)]×D′

N(i)＝N(i-1)+[X₁(i-1)+(X_NMax-X_m+1(i-1))×A_n(i-1)+B_m(i-1)-N(i-1)]×D′

其中，正基值X_PMax为通道CH_l、CH_m+1中高增益通道的正向最大值、负基值X_NMax通道CH_l、CH_m+1中高增益通道的负向最大值，A_m(i-1)为第i-1次迭代的增益校正值，B_m(i-1)为第i-1次迭代的偏置校正值，D′为迭代速度；

1.3)、计算第i次迭代的增益校正值A_m(i)、偏置校正值B_m(i)：

1.4)、计算第i次迭代的误差Δ_m(i)：

Δ_m(i)＝X₁(i)-[A_m(i)×X_m+1(i)+B_m(i)]

1.5)、判断误差Δ_m(i)是否小于设定的迭代精度，如果小于，则第i次迭代的增益校正值A_m(i)、偏置校正值B_m(i)作为第m个增益校正值A_m以及偏置校正值B_m，如果不小于，则i＝i+1，返回步骤1.2)；

(2)、获取延时，构建Farrow结构的分数延时滤波器并进行多通道延时校正

2.1)、多通道延时的获取

对通道CH₁、CH₂、CH₃......CH_M输入相同频率、相同相位的标准信号，然后对采样数据做FFT运算，得到的结果分别取实部RE_m和虚部IM_m，m＝1，2，...M，得到通道CH₁、CH₂、CH₃......CH_M的相位

以通道CH₁为标准通道，通道CH₂、CH₃......CH_M与通道CH₁在标准信号下的相位差其中，相位差/>为：

计算通道CH₂、CH₃......CH_M与通道CH₁的延时τ_m，m＝1，2，...M-1：

其中，f₀为标准信号的频率，k′为ADC的采样率；

2.2)、设计Farrow结构的滤波器

使用通带内具有最大平坦特性的拉格朗日插值设计分数延时滤波器，分数延时滤波器系数为：

其中，P为分数延时滤波器的阶数；

使用Farrow结构的滤波器对拉格朗日插值设计分数延时滤波器的系数进行逼近，通过滤波器组来近似求得一定延时范围内即0≤d≤1的最佳分数延时滤波器，令D＝P-2+d，得到分数延时滤波器系数h(n)的多项式：

其中，c_p(n)为Farrow结构的分数延时滤波器系数；

对于通道CH₂、CH₃......CH_M，将延时τ_m，m＝1，2，...M-1作为d，则得到各自对应的Farrow结构的分数延时滤波器分别为：

通道CH₁，设置万分之一个采样点的小数延时τ₀作为d，得到通道CH₁的Farrow结构的滤波器：

2.3)、多通道延时的校正

对通道CH₁的采集数据X₁以及经过步骤(1)增益偏置误差校正后的采样数据X₂、......、X_M分别进行半带插值，然后分别送入各自对应的Farrow结构的分数延时滤波器h₀(n)、h₁(n)、......h_M-1(n)中进行延时滤波，然后再分别进行半带抽取，得到延时校正后的采样数据X₁、X₂、......、X_M，完成多通道延时校正；

(3)、数据整合

将延时校正后的采样数据X₁、X₂、......、X_M进行整合，得到多ADC采集信号。

2.根据权利要求1所述的多ADC动态范围扩展的数字校正方法，其特征在于，选取增益最小的通道作为通道CH₁。