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以高速高分辨率采样技术为核心的数字化技术在现代精确制导、航空遥感、空间激光探测等国防领域不可或缺。随着系统中信号的复杂程度越来越高,对采集系统瞬时带宽、识别精度提出了更高的要求。但受到现有集成电路工艺的限制,支撑高速采集系统的模数转换器(Analog-to-Digital Converter,ADC)芯片在采样率和分辨率指标上始终无法满足超高速宽带信号的捕获要求。为了突破单个ADC芯片性能的限制,基于并行化的采样技术已成为一种提升系统采样率或分辨率的行之有效的方法。基于以上背景,围绕高速高精度采样技术的目标,研究了一种通过多ADC阵列结构实现高速高精度采样的技术途径。随着并行路数的增加,系统中的偏置、增益及时间失配等误差严重降低了系统信噪比。为消除失配误差对系统的影响,研究了阵列采样结构中的通道失配误差的特性和行为模型,提出了两种误差估计和校正方法。具体来说,主要从以下几个方面展开研究:(1)采用统计分析理论对ADC采样中的量化过程进行数学建模,提出了并行采样方法的量化模型。借助统计分析工具,将任意一个采样系统的量化过程建模为一个对输入概率密度函数采样的脉冲序列,建立了量化位数和序列密集程度的关系。在该模型的基础上提出并行采样方法的量化模型,研究了并行采样的量化位数提升过程。(2)研究了两种基于并行采样的高分辨率技术,在传统时间同步采样(Time Synchronized ADC,TSADC)结构存在不足的前提下,提出垂直交替采样(Quantization Interleaved ADC,QIADC)结构。对传统的TSADC方法进行理论分析,推导了该方法对量化分辨率和有效分辨率的提升效果表达式,并定量地指出该方法的适用条件。针对传统方法的不足,提出改进的QIADC结构。该结构将量化单元在垂直方向上进行错位交替,成倍地提升了ADC的量化能力,消除了对系统噪声水平的依赖。此外,给出了核心的QIADC量化定理,通过并行采样量化模型对该方法的分辨率提升过程进行了理论证明。(3)结合两种一维并行交替采样结构的不同特点,提出一种二维阵列化采样结构。该技术改进了传统一维交替采样的设计方法,在垂直方向上采用QIADC设计,水平方向上采用时间交替采样(Time Interleaved ADC,TIADC)设计,构建出二维的混合采样架构,有效地突破了单片ADC采样率和分辨率指标的限制。提出ADC部署的棋盘模型,通过硬件模块动态重构的方式,在同一采样阵列中设计出不同的配置方案。基于混合架构的采样系统能够在一套硬件结构中实现采样率和分辨率资源的实时转换,解决了采样率和分辨率难以平衡的问题。(4)分析多ADC阵列中多通道失配误差的特性以及误差对系统性能的影响,具有针对性地提出两种误差校正方法。为消除系统各通道间的静态时间失配误差,提出一种基于一阶统计量的误差估计和校正方法,采用改进的最小均方(LeastMean Square,LMS)算法对时间误差进行自适应校正,应用算法前后系统无杂散动态范围(Spurious Free Dynamic Range,SFDR)提高9 dB左右,而且收敛速度优于同类型的算法;针对宽带信号的特点,提出基于补偿滤波器的频响非一致性误差校正算法,消除了频响失配误差对系统的影响,实验结果表明对于2GHz高频信号,系统SFDR提升23.8dB,对于宽带多音信号,该算法同样具有良好的校正效果。(5)提出一种基于级联滤波器的数字后处理技术。为了在硬件电路设计水平达到极限之后进一步提升系统的有效位数(Effective Number of Bit,ENOB),首先从噪声来源、相关性以及功率谱三个方面分析了系统中随机噪声的本质。随后,研究了多种基于数字后处理的降噪技术并指出各种方法的优势和劣势。针对传统数字后处理技术的不足,提出一种基于级联滤波器的改进方法,对于进一步降低系统噪声,提升系统精度具有重要意义。(6)设计实现高分辨率数字三维示波器原理化样机。在系统总体设计方案的基础上搭建出最大分辨率12位和最高采样率20GSPS的采集系统,为关键技术的验证提供实验平台。在硬件设计方面提出通过动态配置ADC和时钟芯片的方式实现正常采样和高分辨率采样模式的切换方案。此外,研究了系统中多ADC复位引起的数据同步问题,提出了多路并行数据同步校正方案,解决了大并行数据的数据拼合难题。数字三维示波器原理化样机为高速高精度数字化采集技术的集中体现,该系统采用阵列采样的方式实现单ADC器件采样率与分辨率双重提升,经验证该系统的综合技术指标处于国内领先地位。