宽带频率交替采样与重构技术研究

发布时间：2020-03-29 11:28

【摘要】：随着电子环境的复杂化和多样化,环境中信号的频率和带宽一直处于高位增长状态,加之现代信号处理呈全数字化趋势发展,对宽带信号的高速采样需求空前迫切和旺盛。以时间交替采样与重构、频率交替采样与重构为代表的技术手段均可通过多通道并行采样的方式有效提高系统采样率,但前者的系统处理带宽等于单个通道的模数转换器件带宽,宽带信号的捕获能力有限;而后者的系统处理带宽等于所有通道模数转换器件带宽之和,在宽带甚至超宽带信号的高速采样场景中具有明显优势。同时,频率交替采样与重构还避开了时间交替采样与重构容易受到工作时钟失配影响的痛点,刺激着新一轮研究热点的高度聚焦。本文着力于频率交替采样与重构技术,对通用型频率交替采样与重构模型及提出的改进型频率交替采样与重构模型中涉及的实现误差评估分析、通道失配误差杂散分析和校准等方面进行了理论研究。仿真验证对理论研究的结果提供了有力的支撑。同时,深入推导了两种模型在硬件实现时的优化结构,并重点对改进型频率交替采样与重构模型进行了硬件环境测试,测试结果验证了这种改进型模型的有效性。本文紧密围绕频率交替采样与重构中的关键技术展开研究,主要体现在以下几方面:1)针对通用型频率交替采样与重构模型,提出了两种评估模拟采样滤波器实际工作频响的算法:离散傅里叶变换法和互相关运算法。两种方法均可利用模型中唯一可观测并获取的模数转换器输出数据计算采样滤波器频率响应。不同的是,离散傅里叶变换法需要大量的样本数据;而互相关运算法则引入了额外的参考信号,降低了对样本点数据量的要求,速度更快。2)建立了通用型频率交替采样与重构模型中通道失配误差的等效模型,推导了带有失配误差的系统输出频谱表达式,在正弦激励条件下对三种通道失配误差(即偏置误差、增益误差和时间误差)引起的杂散效应进行了定性分析。并根据多相滤波理论和线性相位FIR滤波器的系数对称特性,推导了通用模型中重构过程的低速易实现结构。3)基于信道化思想,提出了一种改进型的频率交替采样与重构模型,通过模拟正交下变频和单一的低通滤波,将信号划分为多个均匀带宽的频带并搬移至基带,在量化转换后,利用对称的数字上变频处理一方面可以恢复模型所需要的总体采样率,另一方面可将各基带信号的载波频率还原至该通道输入信号的原始状态,而同时存在的单一数字低通滤波器,既实现了数字信号上变频时的抗混叠功能,也保障了输出信号的无失真恢复。详细论述了这种改进模型的工作机理,明确其仅需设计一个模拟采样滤波器和一个数字重构滤波器,有效降低了设计复杂度。4)建立了改进型频率交替采样与重构模型中通道失配误差的等效模型,对其存在的三种通道失配误差进行了独立性演算,并阐明了其差异性的杂散输出。分析结果表明,改进模型受增益误差和时间误差的杂散影响较通用模型小。围绕改进模型中的通道失配误差校准问题,着重分析了一种基于希尔伯特滤波的直流偏置误差校准方法,无需事先对偏置误差进行估计,精度更高。5)介绍了一种高效的并行数字上变频技术。通过对传统数字上变频处理过程中的低通滤波器和复混频信号同时进行多相分解,可将滤波操作和正交混频操作前置于插值操作,有效降低插值提速之前的数据处理压力。6)深入探讨了改进型频率交替采样与重构模型的硬件实现优化。在并行数字上变频技术的基础上,递进式地演绎了一种改进型频率交替采样与重构模型的高效多相DFT模型,进一步降低了数字重构时的运行速度、滤波器阶数,可实现性更佳且不会因通道数的增加而大打折扣。7)将改进型频率交替采样与重构模型在一宽带中频采集与处理模块中进行了实现,并进行了硬件验证。介绍了模块的硬件构架及各关键电路和算法设计,呈现的测试结果验证了这种改进模型的可行性、有效性和实用性。
【图文】：

逦ｎ逡逑图１－１ＴＩＳＲ模型及时钟信号逡逑从图１－１可发现，ＴＩＳＲ模型构建原理简便，可有效提氋总体采样率，至今为逡逑止不仅大量学者的研宄推动着ＴＩＳＲ的发展，，而且许多基于ＴＩＳＲ技术研制的产品逡逑也应运而生。特别是对于国内环境，在存在集成电路工艺技术不够成熟及芯片禁逡逑运的限制下，各领域人员主要依靠ＴＩＳＲ技术实现对采样率的突破。南京大学史建逡逑业等研宄实现了邋８ＧＳＰＳ／１２ｂｉｔ的ＴＩＡＤＣ系统［２３］；国防科学技术大学ＡＴＲ重点实逡逑验室实现了邋９．６ＧＳＰＳ／１０ｂｉｔ宽带雷达接收机［２４］；普源精电使用ＴＩＳＲ技术实现了逡逑１０ＧＳＰＳ采样率的ＴＩＡＤＣ采样系统并应用于其ＤＳ／ＭＳ０７０００系列的示波器产品中，逡逑但带宽仅仅为５００ＭＨｚ［２５］；电子科技大学测试研究所使用ＴＩＳＲ技术实现了高达逡逑１０ＧＳＰＳ采样率的ＴＩＡＤＣ采样系统，并应用于数字三维示波器产品中［２６］。逡逑但是ＴＩＳＲ不可避免地会产生时间相位失配、直流偏置失配、增益失配等通道逡逑间失配误差［２７＃］，对信号重构的保真度带来严重恶化。图１－２展示了一个存在通道逡逑失配误差的四通道ＴＩＡＤＣ系统输出信号频谱。因此

ＣＬＫ邋Ｍ－ｌ邋逦ｎ逡逑图１－１ＴＩＳＲ模型及时钟信号逡逑从图１－１可发现，ＴＩＳＲ模型构建原理简便，可有效提氋总体采样率，至今为逡逑止不仅大量学者的研宄推动着ＴＩＳＲ的发展，而且许多基于ＴＩＳＲ技术研制的产品逡逑也应运而生。特别是对于国内环境，在存在集成电路工艺技术不够成熟及芯片禁逡逑运的限制下，各领域人员主要依靠ＴＩＳＲ技术实现对采样率的突破。南京大学史建逡逑业等研宄实现了邋８ＧＳＰＳ／１２ｂｉｔ的ＴＩＡＤＣ系统［２３］；国防科学技术大学ＡＴＲ重点实逡逑验室实现了邋９．６ＧＳＰＳ／１０ｂｉｔ宽带雷达接收机［２４］；普源精电使用ＴＩＳＲ技术实现了逡逑１０ＧＳＰＳ采样率的ＴＩＡＤＣ采样系统并应用于其ＤＳ／ＭＳ０７０００系列的示波器产品中，逡逑但带宽仅仅为５００ＭＨｚ［２５］；电子科技大学测试研究所使用ＴＩＳＲ技术实现了高达逡逑１０ＧＳＰＳ采样率的ＴＩＡＤＣ采样系统，并应用于数字三维示波器产品中［２６］。逡逑但是ＴＩＳＲ不可避免地会产生时间相位失配、直流偏置失配、增益失配等通道逡逑间失配误差［２７＃］
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN911.7

【参考文献】

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本文编号：2605903