多通道时间交错采集系统通道失配误差校准算法研究

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在混合信号处理系统中,模数转换器(Analog-to-Digital Converter,ADC)是连接现实世界中的模拟信号和虚拟世界中的数字信号的桥梁。因此,模数转换器的性能对系统的整体性能有着非常重要的影响。随着被测信号带宽和瞬时动态范围的不断提升,对ADC的采样频率和采样精度提出了越来越高的要求。然而,受到制造工艺和材料的限制,单个ADC的性能提升不能满足应用需求的提升。时间交错模数转换器(Time-Interleaved Analog-to-Digital Converter,TIADC)利用多个低速ADC以时间交错的方式进行工作,能够按照通道数量等比例提高系统的采样速率,突破了单通道ADC性能的限制。然而,TIADC各个通道之间参数的细微差别都会引入失配误差信号,导致系统动态性能的恶化。为了降低通道失配对TIADC动态性能的影响,需要采用校准算法抑制失配误差信号。本文针对多通道TIADC系统中的通道失配误差校准算法展开研究,主要工作如下:第2章研究了TIADC系统工作原理和通道失配带来的影响,推导了TIADC输入输出表达式,分析了失配误差信号在频谱中的分布情况,并推导了失配强度与TIADC系统动态性能之间的关系式。此外,本章还分别建立了多通道TIADC频率响应失配误差、静态非线性失配误差和动态非线性失配误差模型。本章的分析结果可以为确定TIADC系统中的失配类型和失配强度提供参考,也为系统设计和失配误差校准算法设计提供参照标准。第3章研究了多通道TIADC频率响应失配误差盲校准算法,提出了一种基于通道交换的频率响应失配误差盲校准算法。算法利用一定比例的过采样和通道交换策略从TIADC输出信号中提取出频率响应失配误差,然后驱动LMS算法实现频率响应失配参数的盲估计。得到频率响应失配参数后,算法利用TIADC输出信号和频率响应失配误差模型重构出失配误差,然后从TIADC输出中消去从而实现误差校准。仿真结果表明,算法能够有效抑制频率响应失配误差的能量,提高TIADC系统的动态性能。与现有的TIADC频率响应失配误差盲校准算法相比,本文提出的算法能够应用于更多通道数量的TIADC系统中。第4章研究了多通道TIADC频率响应失配前向校准算法,提出了一种基于最小二乘的频率响应失配误差前向校准算法。算法利用频率响应失配误差模型,将受到频率响应失配影响的TIADC输入输出关系式表示成关于频率响应参数的线性方程组,从而可以利用最小二乘法估计频率响应参数。利用估计得到的频率响应参数,算法先对TIADC综合频率响应进行均衡,然后再用均衡输出重构出频率响应失配误差,再从TIADC输出信号中消去频率响应失配误差实现校准。由于均衡后的TIADC输出信号能够更好地近似TIADC输入信号,因此重构得到的频率响应失配误差更准确,从而提高误差校准性能。仿真实验验证了算法在不同通道数量、不同输入信号、不同训练信号等条件下的校准性能。第5章研究了多通道TIADC非线性失配误差盲校准算法,为静态非线性失配误差和动态非线性失配误差分别提出了盲校准算法。静态非线性失配盲校准算法利用一定比例的过采样从TIADC输出信号中提取静态非线性失配误差,用于驱动LMS算法实现静态非线性失配参数盲估计。静态非线性失配误差重构模块利用估计得到的参数和TIADC输出重构出失配误差,然后从TIADC输出中消去实现静态非线性失配误差校准。动态非线性失配误差盲校准算法利用ADC动态非线性特性的简化Volterra模型,并通过LMS算法实现动态非线性失配参数盲估计,然后利用TIADC输出信号重构出动态非线性失配误差,再从TIADC输出中消去实现动态非线性失配误差校准。仿真实验验证了算法在不同通道数量、不同输入信号、不同滤波器阶数等条件下的性能。仿真实验结果表明,本章提出的算法能够有效抑制非线性失配误差的功率,提高TIADC系统的动态性能。第6章研究了多通道TIADC非线性失配误差前向校准算法,提出了一种静态非线性失配误差前向校准算法和一种动态非线性失配误差前向校准算法。静态非线性失配误差前向校准算法利用误差模型将TIADC输入输出信号关系式表示成静态非线性失配参数的线性方程组,然后利用最小二乘法估计得到失配参数,进而利用TIADC输出信号重构得到静态非线性失配误差,再从TIADC输出中消去误差实现校准。动态非线性失配误差前向校准算法利用ADC动态非线性特性的简化Volterra级数模型,将受到动态非线性影响的TIADC输入输出表达式表示成关于动态非线性失配参数的线性方程组,然后利用最小二乘法估计得到动态非线性失配参数,再利用动态非线性失配误差模型重构出失配误差并从TIADC输出中消去,从而实现误差校准。仿真实验验证了算法在不同输入信号、不同通道数量、不同训练信号等条件下的校准性能。仿真实验结果表明,本章提出的非线性失配误差前向校准算法能够有效抑制非线性失配误差的功率,提高TIADC系统的动态性能。
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