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一种并行交替采样中时基非均匀信号自适应重构方法

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第24卷第1期 ・电子测量与仪器学报 JOURNAL oF ELECTRoNIC MEASU MENT AND INs删MENT 24Ⅳ0.1 34・ 2010年1月 DOI:10.3724/SP.J.1187.2010.00034 一种并行交替采样中时基非均匀信号自适应重构方法木 潘卉青 田书林叶 芄 曾 浩 (电子科技大学自动化工程学院,成都61 173 1) 摘要:并行采集系统中,通道间时基延迟的不一致性严重降低了系统性能。通过对系统时基误差分量的分析,提出了一 种基于自适应控制的非均匀信号重构方法。该方法不需要额外增加校准信号,能在误差估计的同时自动完成信号重构,实时性 高;无需重构滤波器,降低了系统设计难度及成本。实验结果表明,经过约250次自适应迭代后,该重构算法能有效估计通道时 基误差,具有迭代次数少、运算量小、能动态跟踪时基延迟变化的特点;重构后系统信噪比由原来的33 dB提高到48 dB,有效 位数提高近2.5 bit,系统性能得到了大幅提高。 关键词:并行交替采样;非均匀;时基误差;自适应;信号重构 中图分类号:TN957.5 文献标识码:A 国家标准学科分类代码:5 10.4010 Adaptive signal reconstruction for timing nonuniform of parallel sampling systems Pan Huiqing Tian Shulin Ye Peng Zeng Hao (School ofAutomation Engineering,UESTC ofChina,Chengdu 611731,China) Abstract:In parallel time-interleaved sampling systems,timing mismatch of this structure degrades the perform- ante of whole ADC system.In this paper,an adaptive signal reconstruction algorithm is proposed by analyzing he titm- ing mismatch between channels.This algorithm could estimate timing mismatch,and simultaneously reconstruct the sampling data automatically with no needing of extra calibrating signal and the restructuring filter,that simplifies the desin agnd has high real—time.Computer simulation results demonstrate it could estimate the timing mismatch efi-f ciently and dynamically track he change twih ltess steps and computation. Keywords:time—interleaved sampling;nonuniform;timing mismatch;self-adaptive;signal reconstruction 1 引 言 信号重构,就是利用有限个采样所得到的数据 值按照一定的法则进行运算,以确定原始未知信号 在所需的各个理想时间点上的值。实际的并行交替 采样中,通道之间的采样时钟相位控制偏差(时基偏 差),引起了采样的时间非均匀 ,导致采样波形非 均采样率不小于奈奎斯特采样率(Nyquist rate)时, 原始带限连续信号可由其非均匀采样离散值唯一重 构【41。为此,大量文献对非均匀信号重构中所使用的 时基偏差的估计方法、信号重构方法分别进行了阐 述。现有估计方法大多通过输入标准激励信号进行, 如信号谱分析方法 、相关法[ ]、参数模型法 等, 线性失真[3】,为补偿系统的无杂散动态范围SFDR (spurious free dynamic range)和实际信噪比SNR (sina1g.to.noise ratio),有效的还原信号原貌,需要对 采样序列进行信号重构。 与均匀采样相类似,当并行交替采集系统的平 本文于2009年7月收到。 由于这些方法需要加入额外的频谱纯净的已知信号, 不仅估计过程复杂,而且需要在测试前增加单独的 估计环节,不具有实时性。盲估计法 虽无需特殊激 励信号,直接采集未知被测信号通道间差异获取时 基偏差,但算法计算量大,不适于实际工程应用。 非均匀内插信号重构算法【l0J可对并行系统非均匀信 基金项目:国家自然科学基金(编号:No.60772145)资助项目;国家自然科学基金(编号:60827001)资助项目。 第1期 一种并行交替采样中时基非均匀信号自适应重构方法 号进行重构,但系统通道数改变时需要改变重构算 法的结构。分数阶延时滤波器实现的信号重构算法lI , 时基误差改变时,无需改变滤波器的结构和参数, 但只适用于通道数较少的系统,通道数增大后,资 源消耗过大。也有利用自适应方法估计非均匀参 数【 】,但估计和重构过程是分开的,完成误差估计、 重构等环节都需要一定时间代价,累积产生的实时 性问题对工程应用而言往往无法忍受。 因此,研究能在估计的同时完成信号重构的算 法,解决估计过程需要额外的标准激励信号,以及 运算量过大等问题十分必要。从采样数据的样本统 计出发,通过构造误差函数,采用自适应策略,估 计时基偏差,解决一次性估计运算量过大的问题; 并利用误差函数直接控制重构模块,实现信号误差 准确估计的同时完成信号重构,降低硬件设计难度 和系统成本,提高系统性能。该方法不需要特殊测 试信号,重构过程与实际采集过程同时进行,可以 跟踪随环境温度或仪器的老化而导致的时基误差参 数变化。 2并行交替采集系统 ADC并行交替采集系统采用 片ADC进行并 行逐次交替采样,两次相邻采样时间间隔为 =1 , 各ADC采样速率为 后端利用重组使整个系统 等效采样率达到 。由于通道间时基误差△ 的存在, 系统对输人信号x(O的实际输出序列为: y[n]= ( )= + ), =0,…,N一1 (1) 式中:rn是描述采样间隔非均匀度的一个变量.并以 为周期,即: M 等 时基延迟误差的不一致性,造成实际采样是非 均匀的,相对于对被采样信号进行不需要的相位调 制,严重降低系统的无杂散动态范围和实际信噪比。 非均匀信号重构的目的就是通过估计时基误差,获 取系统时基非均匀所引入的误差分量,反馈给后续 的误差校准模块进行重构,以保证系统的性能[3】。 3自适应信号重构 3.1信号重构基本原理 自适应控制是一种在工作过程中不断检测系统 参数或运行指标,根据参数的变化或运行指标的变 化,改变控制参数或控制作用,使系统运行于最优 或接近于最优工作状态的反馈控制㈣。将自适应控 制方法用于非均匀信号重构,通过将误差的综合影 响作为反馈量,控制重构过程,不仅可以实现误差 估计与信号重构的有机结合,降低一次性获取误差 的复杂度,而且可以自动跟踪误差的变化。 为获得时基误差引入的影响,将通道采集数据 在 时刻处做Taylor展开: y[n】=x(n ̄s+ ) … x(nT ̄)+( ) ’(" )+o(r.L) 一 式中: (・)为信号的一阶导数;D(・)为信号Taylor展式 的高阶导数余项。由式(3)可以得到理想采样信号: x(nL)=y[n]-e[n] (4) 式中: e[n】 r.Lx (nrs) (5) 从式(4)可以看出,由于时基偏差△ 的存在,相 当于在理想信号上叠加了非均匀误差分量 ,其 大小取决于采样间隔非均匀度 、采样时钟 以及 输入信号的一阶导函数。非均匀信号重构就是,利用 通道采样数据的统计特性,构造误差函数,控制参 数 】,提供给后续的重构模块,以获取理想采样信 号。其基本原理如图1所示。因任意多通道系统可 以分解为后续各通道 1,2,…)与参考通道(卢0)构成 的双通道时基偏差估计模型。简便起见,重点利用双 通道特性进行分析。 图1 时间非均匀自适应信号重构基本原理 Fig.1 Basic principle of adaptive signal reconstruction 3.2时间非均匀与误差分量的自适应获取 在构造误差分量P 的过程中,首先需要获取 输入信号的一阶导函数x'(nT3。进一步分析系统通道 0采样数据,并设通道1为参考通道,即r =0,可由 其相邻时刻采样数据差 o_0[ 】: ・ 36 ・ 电子测量与仪器学报 第24卷 e0,0[n】=y[2(n+1)]一y[2n]≈2 (2nTs) (6) 1)合理选择迭代步长 ,如果可以获取失配误 差的先验知识,则可以适当放大步长; 2)初始化参数五(。 ; 近似计算得到 ): (7) Zl x,(,l )≈ eo,o[n] 再次,为方便获取系统时基非均匀性r。用于信 号重构,可对系统通道0与通道1的采样数据进行分析: 3)对输入信号进行采样,获取 [明,m=0,1; 4)根据式(7)计算 ); 5)根据式(11)计算更新参数,;( ”,构成非均匀 el,o[n]=y[2n+1卜 【2刀】≈ … (1+,I)r.x,(2n ) 一 可见,利用通道间偏差信号P1,0M可实现对系统 均匀性的测试。式(8)的求解过程可转换成优化问题, 对,.1进行最小均方(LMS)迭代,因此构造误差函数: e2[n】=e1.o【 卜(1+ ) (2nT ̄) (9) 目标是使误差函数e2[n]均方误差最小,达到估 计非均匀性r。的目的,其代价函数如下: d=E{e2 In]) (1O) 代价函数.厂是一个单峰函数,有唯一最小值,可 以采用最速下降法,利用梯度技术对重构单元的更 新方程进行如式(11)所示的更新,其中 是更新 步长: ti(k+1)= ( 一/lr ( ) (11) 利用式(7)、式(11)获取了输人信号的一阶导函数 )以及采样间隔非均匀度,1( )后,就可以构成非 均匀误差分量,提供给后续的重构模块,产生补偿 信号,使系统的输出慢慢与理想值接近,即可达到 信号重构的目的。通过上述分析,得到自适应非均匀 信号重构系统的组成结构如图2所示。这样不需要 特殊的校准信号,只需未知的被测信号即可估算出 时基偏差用于重构,计算量小,适于工程应用。 图2时间非均匀信号重构的基本原理 Fig.2 Basic principle oftiming mismatches signal re— construction 3.3信号重构过程 自适应非均匀信号重构的步骤可以归纳如下: 误差分量 】,送入重构模块; ( ):_a2J(k):一而‘ ・(2nL)(12) o,1 如果e2( )一0,则停止更新相应误差方程,否 则重复31。 因此,对于自适应方法来说,虽然系统初始参 数未知,但通过上述方法不断调整,系统初始参数 不确定对系统运行性能的影响将逐步减小,经过一 段时候后,系统最终将自动地调整到与期望的相 一致。 4实验验证 为验证本文方法,利用Analog公司提供的8_bi ADC模 ̄(Ideal 8 Bit.ado)构建双通道并行交替采样 系统,用蒙特卡罗仿真方法在通道2时基误差为 r1=0.1 75的情况下对采样数据进行自适应仿真分析, 验证本文算法的重构性能;并与文献【12】中时基误差 检测算法做估计性能比较。 输人时钟频率为j ̄=2o MHz的正弦信号,利用 整体采样率为f,=5oo MHz的系统对其进行采样。采 集序列重构前后频谱图分别如图3、图4所示。结果 显示,信号中由时基偏差所引入误差谱线 ,==. / M-j ̄=230 MHz)基本消除,系统信噪比由原来的 33 dB提高到48 dB,系统有效位数提高了2.5 bit,重 构后系统的性能得到了大幅提高。 失配误差估计过程如图5所示。因交替采样系 统中,时基偏差相对于系统采样率而言是很小的差 异量,所以在算法步长的选择上,选择了较小的步 长 0.000 1,初值ti(uJ=0.5。 图5中与文献[12】的对比结果表明:经过自适应 迭代得到 =0.175 8,估计精度高于文献【l2]的估计 精度;只需在采集约250个采样点后,迭代运算就可 实现对时间非均匀的估计,速度快,而文献[12]中的 估计算法则需经过约1 000个采集时间后算法才收敛。 第1期 一种并行交替采样中时基非均匀信号自适应重构方法 ・ 37 ・ 图3信号重构前频谱图 Fig.3 FFT plot before calibration 图4信号重构后信号频谱图 Fig.4 FFT plot after calibration 图5通道失配误差的估计过程对比结果 Fig.5 Channel mismatches estimation results 与分数阶延时滤波器实现的信号重构算法【H 类 似,系统时基非均匀参数发生变化后,本算法无需 重新设计重构滤波器,降低了系统设计难度;只需 迭代约250次,每次迭代运算中使用2次乘法运算, 即可实现对时基非均匀信号的重构,而分数延时信 号重构算法使用了4组4阶的Farrow结构,则需要 在总体采样达到2 500~3 000点,每次自适应迭代使 用l9次乘法运算后,校正模块对系统时基偏差的估 计才收敛,运算量大,信号重构代价高。当系统采集 通道数增加后,随着多个通道时基非均匀误差重构 模块的使用,后者将消耗比本文算法更多的系统 资源。 实际应用中,通过第一次校准可获得失配误差 的先验值,由于非均匀误差具有基本不变或变化缓 慢的特征,随后信号重构所需的迭代过程将大幅度 缩减,完全可以满足应用中的实时性要求。 5结 论 利用并行时间交替采集实现高速采样时,通道 间的时基延迟误差降低了系统性能,需要进行信号 重构。本文通过对系统误差分量的分析,实现了一种 基于自适应控制,能在误差准确估计同时实现信号 重构的算法,有助于系统性能的提高;其系统硬件 设计难度低,迭代次数少,运算量小,提高了算法实 现效率:在无需增加额外的校准信号的情况下,可 以自动跟踪因老化或环境因素导致的误差参数变化, 特别适合于高速数字存储示波器等应用。 参考文献: 【I】 JENQ Y C.Digital spectra of nonuniformly sampled signals:fundamentals and high・-speed waveform digitize・- rs[J]IEEE Transactions on Instrumentation and Measur— ement,1 988,37(2):245-25 1. 【2】 VOGEL C.The impact of combined channel mismatch effects in time—interleaved ADCs[J].IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement.2005,54 f1):4l5— 427. 【3】 JENQ Y C.Digital spectra of nonuniformly sampled signals:digital look—up tunable sinusoidal oscillators[J]. 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