基于零中频的频率交织采样技术研究

发布时间：2020-05-18 22:21

【摘要】：超宽带采样技术要求模数转换(ADC)电路具有极高的瞬态性能,是太赫兹通信和雷达、高端测量仪器、毫米波脉冲成像等前沿应用的基础。频率交织技术(FI-ADC)能够突破时间交织架构(TI-ADC)在满功率模拟带宽和时钟稳健性方面的关键技术瓶颈,在未来超宽带采样领域拥有广阔的发展前景。目前FI-ADC大多基于混合滤波器组,由于结构复杂、集成难度大,相关研究仍面临诸多挑战鉴于FI-ADC内部存在多种电路非理想性,包括本振(LO)时钟引入的谐波失真和混叠,I/Q支路失衡造成的镜像误差,子带隔离不理想引起的频谱泄露与失配误差(频响失配和带宽失配),子ADC过采样率不足导致的频谱混叠,以及LO和采样时钟抖动与相位噪声等,为实现FI-ADC系统电路规模的大范围缩减和高密度集成,拟提出一种基于全数字实时样点重构的超宽带信号采样与测量框架,并针对该框架在实现过程中存在的关键技术问题开展深入研究,主要工作如下1)针对FI-ADC中存在的频谱泄露与混叠、子带失配及时钟随机抖动等非一致性误差进行了系统级电路行为描述。将M通道的TI-ADC与FI-ADC分别简化并抽象为单通道的直接采样结构和基带采样结构,通过构建物理模型,总结统计特征,分析和讨论了两种结构的动态性能,并在此基础上比较了 TI-ADC和FI-ADC系统的ENOB频率响应稳定性和时钟鲁棒性2)提出了基于Krylov子空间法的数字综合滤波器组优化设计方案以提高FI ADC系统的重构精度和效率。推导了频域均衡模型对应的矩阵描述,将失配误差的补偿问题转化为线性系统的求解问题;研究和比较了基于多种Krylov子空间法设计的综合滤波器组对于系统误差的补偿效果;提出使用Gauss-Seidel预处理技术以进一步优化算法的性能;通过构建子带间频谱泄露的数理统计模型,提出了基于自相关矩阵的频谱泄露误差量化体系,以更加直观地衡量FI-ADC系统中的子带交叠效应,以及合理地评价各综合滤波器组设计方案对频谱泄露的补偿性能。3)大范围缩减了现有FI-ADC系统的电路结构规模,省去了模拟混频器之后用于子带分解和抗混叠的模拟低通滤波器(LPF)组,以及用于各通道频率响应失配均衡的数字综合滤波器组。考虑到FI-ADC中的各种误差之间存在的相互影响,提出在进行任何失配误差校准之前首先进行通道重组,随后利用全数字样点重构电路对所有误差进行统一修正的设计思想,称这种简化的频率交织架构为LPF-less FI-ADC。4)将镜像误差和LO谐波干扰加入讨论范围,并分别从理论和实际层面论证了上述几种误差之间的相互作用与影响,指出了对其进行同时统一修正的必要性。首先忽略谐波混叠,建立了LPF-less FI-ADC的频域误差模型;基于该模型分别推导了系统信噪失真比和镜像抑制比对于任意通道数M的封闭表达式,并据此详细分析了采样时钟抖动和LO时钟相位噪声对系统动态性能的影响;基于自相关矩阵量化方法研究和分析了 LPF-less FI-ADC中子带交叠、带内混叠和带间混叠三种交叠效应在频谱泄露和镜像误差中的传播规律和作用机理;重点研究了LO时钟谐波干扰对LPF-less FI-ADC的影响;首次提出了在每个模拟信号通路内仅使用单个由方波LO时钟驱动模拟混频器的全数字谐波抑制方案,大大简化了FI-ADC的射频前端电路。推导了在谐波混叠存在的情况下,LPF-less FI-ADC的频域误差模型。5)推导了M通道LPF-less FI-ADC的离散时间等效模型,及其相对应的矩阵描述;推导了2M周期时变(PTV)系统的频域模型和线性级联的PTV系统模型;推导了等效模型的矩阵形式;提出了基于坐标松弛迭代的实时样点重构框架以实现所有线性误差的在线统一修正。阐述了基于Richardson、Jacobi和Gauss-Seidel三种松弛迭代重构方案的基本原理与收敛条件;分别对两种PTV数字滤波器在提出的样点重构框架中的实现方案进行了原理阐述和模型推导;并进行了相关的实现复杂度分析与比较。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN792

【参考文献】