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基于机器学习的TIADC失配误差修正方法研究

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基于机器学习的TIADC失配误差修正方法研究

作者：曹屹中国科学技术大学

学位级别：硕士

在核电子学领域中,探测器输出的原始波形蕴含着最丰富的物理信息。波形数字化技术可以通过高速采样获取完整的信号波形,并结合数字信号处理提取信号波形中感兴趣的信息,是当代核电子学领域的一个研究热点。并行交替采样(Time-Interleave... 详细信息

在核电子学领域中,探测器输出的原始波形蕴含着最丰富的物理信息。波形数字化技术可以通过高速采样获取完整的信号波形,并结合数字信号处理提取信号波形中感兴趣的信息,是当代核电子学领域的一个研究热点。并行交替采样(Time-Interleaved Analog-to-Digital Conversion,TIADC)技术是一种常用的波形数字化手段,它通过使用多个并行的模拟-数字转换器(Analog-to-Digital Convertor,ADC)对同一信号进行不同相位的采样,可倍增系统采样率,使得其突破单片ADC的极限。在当前复杂的国际环境下,国外超高速ADC使用受限,而目前国内高速ADC的设计与国际水平仍有一定差距,从这个角度上,也需要基于国产ADC芯片发展TIADC技术。然而,由于不同采样通道间存在失配误差,TIADC系统的性能必然会受到影响,因此,失配误差的修正是TIADC技术的研究重点。此前,针对不同应用与目标,已有大量的失配误差修正算法被提出,完美重构算法便是其中一个典型代表,其基本思想是构造一个有限冲击响应(Finite Impulse Response,FIR)滤波器对系统的失配误差进行修正。该方法目前已可实现宽带内失配误差的实时修正,其基本流程为首先标定出多个频率点下系统的失配误差,并插值得到足够多频点下的误差参数,然后构建完美重构方程并解得修正滤波器的频域解,再对频域解进行快速傅里叶反变换(Inverse Fast Fourier Transform,IFFT),即可得到滤波器系数的时域解。实时修正时,硬件资源消耗量与滤波器阶数成正比,由于硬件资源量的限制,该方法需要对时域解进行直接截断处理以获得合适的滤波器阶数,此截断过程会造成误差。因此,为了保证修正精度,基于此方法对于滤波器阶数往往要求较高,资源消耗大。针对上述问题,本论文研究工作中探索了一种低硬件资源消耗的TIADC修正算法。鉴于机器学习中感知机网络计算过程与FIR滤波计算过程的相似性,可将对滤波器系数求解的过程转换为感知机网络权重系数求解的过程。鉴于机器学习算法可基于自适应循环迭代过程寻找最优解的特性,可以通过训练对完美重构算法中的滤波器截断误差进行补偿,可以利用更低阶数的滤波器实现与完美重构算法相同的精度。本论文研究工作中提出了一种基于机器学习的修正滤波器系数计算方法,其计算过程利用时域波形作为训练样本,在设定滤波器阶数的前提下通过迭代训练直接获得逼近理想滤波器的最优时域解,相对于引入截断误差的完美重构算法,其在低阶数时会有更好的效果。此外,此算法利用迭代计算代替了完美重构算法求解滤波器系数过程中复杂的矩阵运算和蝶形运算,简化了运算过程,使其未来更适合于在线计算滤波器参数的场合,例如考虑变温环境下的应用。基于上述算法,本论文首先详细介绍了该算法的具体实现过程,然后在Matlab软件中对该算法的正确性与有效性进行了详细的仿真,在仿真中还讨论了该算法中几个重要参数的选取。同时,还基于相同数据与完美重构算法的修正效果进行了对比仿真。仿真结果表明,本算法能够有效实现失配误差的修正,并且在实现同样修正效果的前提下,本算法对修正滤波器阶数的要求明显降低。同时,本论文还利用2片采样率为2.5 Gsps的国产高速ADC芯片设计了一套等效采样率为5 Gsps的TIADC硬件验证系统,并且利用该硬件系统,设计了基于嵌入式的修正系数在线计算逻辑与失配误差的实时修正逻辑。然后通过测试进行了验证,最终测试结果表明该系统实现了 5 Gsps的等效采样率,可以基于嵌入式程序在线计算FIR系数,并实现了宽带内的TIADC失配误差的实时修正,修正后系统有效位性能在177 MHz下达9.2bits,在497 MHz输入下达8.9 bits,在997 MHz输入下达8.6 bits,均相对于修正前明显提高。同时,在离线修正的对比中,基于本算法在50阶滤波器修正后可以实现有效位在257MHz输入下为9.2 bits,在597 MHz输入下为8.8 bits,且在1.25 GHz宽带范围内,有效位性能均好于8.4 bits,相对于达到同样修正效果时完美重构算法所需的120阶滤波器,大幅减少了系统复杂度。

关键词：波形数字化并行交替采样失配误差修正参数计算机器学习实时修正读出电子学系统

带参考通道的两步式TIADC通道失配误差校准

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华中科技大学学报（自然科学版） 2021年第11期49卷 17-22页

作者：陈红梅肖瑞尹勇生合肥工业大学微电子学院安徽合肥230601

针对时间交织模数转换器(TIADC)通道间存在的失配误差,提出一种基于参考通道的两步式校准算法.首先,利用参考通道与同采样时刻子通道ADC输出差值估计待校准通道间失配误差;然后,进一步利用输入信号的统计学原理对参考通道引入的带宽失... 详细信息

针对时间交织模数转换器(TIADC)通道间存在的失配误差,提出一种基于参考通道的两步式校准算法.首先,利用参考通道与同采样时刻子通道ADC输出差值估计待校准通道间失配误差;然后,进一步利用输入信号的统计学原理对参考通道引入的带宽失配误差进行校准;最后,将二次校准结果复合得到最终的输出.将其应用于5通道、采样速率为1 ns-1的12 bit TIADC系统,仿真结果表明:当输入信号频率为130 MHz时,校准后的信号-噪声失真比(SNDR)由29.77 dB提升为73.96 dB,无杂散动态范围(SFDR)由32.02 dB提升为98.44 dB.

关键词：时间交织ADC 参考通道失配误差两步式校准全数字

基于线下估计和线上补偿的时间交错采样ADC失配误差补偿方法

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电子与信息学报 2019年第1期41卷 226-232页

作者：邹应全吴太龙彭榆淞孙一航刘宜罡张翠芳西南交通大学信息科学与技术学院成都611756

该文提出一种改进的时间交错采样模数转换器(TIADC)失配误差补偿方法。系统通过误差参数和简化的拉格朗日插值算法分别实现了对偏置、增益的失配误差补偿和采样时间的失配误差补偿。该补偿方法在FPGA中采用低复杂度的定点运算实现,在TI... 详细信息

该文提出一种改进的时间交错采样模数转换器(TIADC)失配误差补偿方法。系统通过误差参数和简化的拉格朗日插值算法分别实现了对偏置、增益的失配误差补偿和采样时间的失配误差补偿。该补偿方法在FPGA中采用低复杂度的定点运算实现,在TIADC硬件平台中实现了对多通道ADC采样数据的线上校正。实验结果表明:所提改进方法在仿真环境下使无杂散动态范围提升了51 dB,并且在硬件实现过程中使SFDR优化达45 dB。在保持失配误差估计精度和补偿效果优良的前提下,该方法不仅降低了算法的计算复杂度,而且该补偿结构不受TIADC通道数目的限制。

关键词：模数转换器时间交错采样失配误差补偿结构定点运算

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失配误差的蒙特卡洛分析

计量学报 2015年第1期36卷 92-96页

作者：余清华邱斌高申翔夏伟丁风海王琳娜中国卫星海上测控部

针对极限相位法评定失配误差引入的测量不确定度普遍偏大的问题，提出了采用蒙特卡洛法对其评定的新方法。以交替比较法校准功率座为实例，研究了蒙特卡洛法评定失配误差引入的测量不确定度的具体实现方法，并将其得到的结果与极限相位... 详细信息

针对极限相位法评定失配误差引入的测量不确定度普遍偏大的问题，提出了采用蒙特卡洛法对其评定的新方法。以交替比较法校准功率座为实例，研究了蒙特卡洛法评定失配误差引入的测量不确定度的具体实现方法，并将其得到的结果与极限相位法进行比较。结果表明，蒙特卡洛法更适合用于失配误差引入的测量不确定度进行评定。

关键词：计量学失配误差极限相位法蒙特卡洛法不确定度

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一种抑制微波功率测量中失配误差的方法

数据采集与处理 2012年第S2期27卷 347-349页

作者：蔡宗平覃青相第二炮兵工程大学自动化系西安710025

为改善微波功率测量中功率计探头所产生的不确定误差,在探头前端添加90o移相器降低最大相对失配误差,再利用蒙特卡罗统计法对功率座校准因子进行分析和评定。仿真验证表明,该方法效果良好。

关键词： 90°移相器蒙特卡罗法失配误差

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微波功率测量中消除失配误差的研究

现代雷达 2004年第8期26卷 58-60页

作者：吴万祥吴契浙江海洋学院工程学院浙江舟山316004

失配误差是微波功率测量中误差产生的重要原因之一。文中提出用 90°移相器 (即四分之一波长传输线 )消除这一误差的方法 ,先进行了理论分析 ,再用实验验证此方法能使微波功率测量误差大大下降 ,此方法还可作为功率源与功率计探头之间... 详细信息

失配误差是微波功率测量中误差产生的重要原因之一。文中提出用 90°移相器 (即四分之一波长传输线 )消除这一误差的方法 ,先进行了理论分析 ,再用实验验证此方法能使微波功率测量误差大大下降 ,此方法还可作为功率源与功率计探头之间失配指标的鉴定方法 ,很有实用价值。

关键词：微波功率测量失配误差消除方法研究

基于参考通道的TI-ADC失配误差校准技术研究

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基于参考通道的TI-ADC失配误差校准技术研究

作者：魏斌合肥工业大学

学位级别：硕士

模数转换器(Analog-to-Digital Converter,ADC)作为连接模拟域与数字域的桥梁,在众多领域中有着广泛的应用。但由于工艺的限制,传统的单片ADC已经无法满足实际应用中高精度与高速率的要求,而时间交织模数转换器(Time-interleaved Analog... 详细信息

模数转换器(Analog-to-Digital Converter,ADC)作为连接模拟域与数字域的桥梁,在众多领域中有着广泛的应用。但由于工艺的限制,传统的单片ADC已经无法满足实际应用中高精度与高速率的要求,而时间交织模数转换器(Time-interleaved Analog-to-Digital Converter,TIADC)利用多个ADC对信号进行并行采样实现了高速高精度的目标,成为ADC领域中研究与应用的热点。受制造工艺与环境因素的影响,时间交织模数转换器各子通道中出现的失配误差严重地降低了系统的性能。本文分别针对失调、增益和时间失配等三种主要误差,设计了基于参考通道的自适应校准算法,消除失配误差的影响。文中设计了基于统计学原理的两种校准算法,分别校准失调误差和增益误差;针对公认的较难校准的时间误差,论文首先分析了目前多数估计算法中存在的估计结果准确率较低以及输入信号带宽受限这两个主要问题,然后设计了一种基于极性判断的误差估计算法。这种算法针对上述存在的两个问题对算法结构进行改进,提高了估计结果的准确率,并扩展带宽至整个系统奈奎斯特频率内,最后利用泰勒级数展开方法实现了误差的补偿。误差估计模块和补偿模块形成校准环路,实现了采样时间误差的自适应校准。基于MATLAB/Simulink搭建了一个12Bits-0.4GHz的四通道TIADC算法模型,当输入信号的归一化频率f/f=0.45时,通过校准,ENOB从4.54Bits提升到11.75Bits,SNR从29.08dB提升到72.52dB。在FPGA开发板上进行了电路验证,ENOB提高到11.70Bits,SNR提升到72.25dB,验证结果证明了算法的有效性。

关键词：时间交织ADC 失配误差误差极性判断泰勒级数展开联合校准

基于粒子群算法的磁传感器阵列失配误差补偿研究

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基于粒子群算法的磁传感器阵列失配误差补偿研究

作者：刘艳月华中科技大学

学位级别：硕士

分布式磁异常探测系统具有探测范围广、探测精度高等优势,常用于军事探潜、智能交通、海底监测等领域。但是,由于安装误差的存在,磁传感器阵列中不同传感器的位置和敏感轴方向存在不一致性,称为失配误差。理论证明,失配误差将影响磁阵... 详细信息

分布式磁异常探测系统具有探测范围广、探测精度高等优势,常用于军事探潜、智能交通、海底监测等领域。但是,由于安装误差的存在,磁传感器阵列中不同传感器的位置和敏感轴方向存在不一致性,称为失配误差。理论证明,失配误差将影响磁阵列的探测有效性。本课题针对海洋应用环境,旨在研究一种简便、准确的方法,对大范围分布式磁传感器阵列进行失配误差补偿。根据应用场景需要,选择使用静态激励法进行磁阵列失配误差补偿。本文从磁偶极子模型出发,通过理论推导得到二维激励线圈电流与传感器输出磁场强度间的线性关系,将失配误差补偿问题转化为求解非线性方程问题。通过仿真实验对几种智能优化算法在有效性、稳定性、实时性等方面进行性能比较,最终选择粒子群算法作为求解非线性方程的智能优化算法,并结合先验信息,对算法的重要参数进行设置和优化。为进一步提高系统的信噪比,利用锁相滤波技术有效抑制了环境磁场干扰同时滤除低频噪声。通过仿真实验和现场试验,进一步验证了本方案的可行性和有效性。缩比模型下的陆地现场实测结果表明,在2.4m×2.4m的范围内,磁传感器位置计算的最大误差为0.105m,平均误差为0.065m,最大相对误差为3.6%,平均相对误差为2.8%;姿态计算的最大误差为0.03rad,平均误差为0.016rad。

关键词：磁偶极子磁传感器阵列失配误差粒子群优化算法锁相滤波

基于压缩感知的TI-ADC失配误差校正算法研究

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基于压缩感知的TI-ADC失配误差校正算法研究

作者：姜亦刚电子科技大学

学位级别：硕士

随着雷达、通信、测量仪器等领域的不断发展,系统对模数转换器(ADC)的精度和速度的要求也持续提高。高速高精度ADC作为相关领域的关键部件,也是近年来研究的热点。时间交织ADC作为实现高速高精度ADC的主流结构,在与压缩感知相结合后可... 详细信息

随着雷达、通信、测量仪器等领域的不断发展,系统对模数转换器(ADC)的精度和速度的要求也持续提高。高速高精度ADC作为相关领域的关键部件,也是近年来研究的热点。时间交织ADC作为实现高速高精度ADC的主流结构,在与压缩感知相结合后可以进一步提高转换速率。但与压缩感知相结合的时间交织ADC同样受到失配误差的限制,导致其性能大幅度下降。论文结合压缩感知理论,开展了时间交织ADC失配误差校正技术的相关研究。在介绍和分析典型失配误差和校正算法的基础上,本文提出了一种基于压缩感知的时间交织ADC失配误差前台校正技术。该校正技术在正弦信号输入的条件下,可以同时对四种典型失配误差进行校正,且不需要额外的参考通道。该校正技术基于压缩感知理论,对欠奈奎斯特采样的量化结果进行约束稀疏度的信号重建,得到与量化结果最接近的正弦信号。以重建后的信号作为参考,结合LMS算法和极小值函数法进行校正。根据MATLAB数值仿真结果,对于一组给定的失配量,提出的校正方法将有效位数由4.5位提高到11.2位,无杂散动态范围(SFDR)由32.5d B提高到80.1d B。接着本文提出了一种基于压缩感知的通道随机化方法。该方法可以进一步提高时间交织ADC的SFDR性能。利用欠奈奎斯特采样得到的空闲通道,避免了传统通道随机化方法需要添加额外冗余通道的弊端。数值仿真结果表明该方法的性能与添加一个冗余通道的传统随机化方法相近。在一给定失配误差条件下,该方法将SFDR性能提高了13.8d B。最后基于40nm CMOS工艺,完成了提出的失配误差校正算法的数字电路前端和后端设计,得到的版图面积为0.36mm。采用System Verilog语言搭建了时间交织ADC行为级模型,对所实现的数字电路的校正性能进行了仿真。结果表明,在2%的电容失配、20m V失调失配、3%增益失配以及15ps采样时间失配的条件下,校正后有效位数由4.5位提高到10.9位,SFDR由32.68d B提高到73.35d B,验证了提出校正方法的可实现性和有效性。

关键词：时间交织ADC 失配误差压缩感知数字校正