一种基于时间交织并行采样的数据采集系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于时间交织并行采样的数据采集系统及方法，属于信号检测处理领域，系统包括：功率分配器，将输入的模拟信号转换为多路信号；多个采样模块，对功率分配器输出的各路信号进行采样；处理模块，采样前处理子模块拟合计算各路采样信号的失配误差，根据各失配误差校正相应的采样信号，若校正后采样信号的信噪比不低于信噪比阈值时，输出校正后采样信号，否则，采样后处理子模块根据当前的校正信号校正相应的采样信号，直至校正后采样信号的失配误差与参考信号的失配误差相等，输出最后一次校正得到的多路第二校正信号；重构模块，对处理模块输出的多路信号进行重构，得到与模拟信号对应的重构信号。到与模拟信号对应的重构信号。到与模拟信号对应的重构信号。

【技术实现步骤摘要】
一种基于时间交织并行采样的数据采集系统及方法


[0001]本专利技术属于信号检测处理领域，更具体地，涉及一种基于时间交织并行采样的数据采集系统及方法。

技术介绍

[0002]为了提高模数转换(Analogue to Digital Conversion，ADC)的采集速率，使信号得到更好的显示，目前通常采用时间交织并行采样技术实现多通道高采样率。例如孙凯在20GSPS数字示波器的数据采集模块硬件设计中，利用8片5GSPS采样率的高速ADC芯片通过时间交替并行采样技术实现了双通道20GSPS的采样率，最终设计了由4块驱动板、4块采集板、1块处理板和1台工控机构成的采集系统。
[0003]失配误差是影响时间交织采样系统性能的重要因素，目前主要分为时域分析和频域分析去估计交织采样系统的失配误差。时域分析方式需要很长的收敛时间，因此人们通常主要关注失配误差估计的频域分析。J.Matsuno提出利用阿达玛矩阵构造混叠信号来估计和补偿通道之间的失配误差；Yongtao Qiu提出通过希尔伯特滤波器与频谱位移滤波器来构造频谱中的复共轭信号，利用自相关算法完成失配误差估计。然而，对于失配误差估计的频域分析，当误差信号与输入信号在频域上混叠时，这些频域分析将达不到效果。对于后估计校正分析，将存在某些特定信号不能进行校正。对于前估计校正，它的误差估计只在输入信号前进行，不能跟随环境变化而变化，有着一定的局限性。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的缺陷和改进需求，本专利技术提供了一种基于时间交织并行采样的数据采集系统及方法，其目的在于提供一种前估计与后估计结合的失配误差分析校正方式，能够适应环境变化，且能够校正奈奎斯特频率范围内任意频率的任意信号。
[0005]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种基于时间交织并行采样的数据采集系统，包括：功率分配器，用于将输入的模拟信号转换为M路信号后输出，M≥2；M个采样模块，输入与所述功率分配器的M路输出分别一一对应连接，用于对所述M路信号进行交织并行采样，输出M路采样信号；处理模块，输入连接所述M个采样模块的输出，包括采样前处理子模块和采样后处理子模块，所述采样前处理子模块用于拟合计算各路采样信号的失配误差，根据各所述失配误差校正相应的采样信号，得到M路第一校正信号；当所述第一校正信号的信噪比不低于信噪比阈值时，所述采样前处理子模块输出所述M路第一校正信号；否则，所述采样后处理子模块以各路所述第一校正信号为初始校正信号，根据当前的校正信号校正相应的采样信号，直至校正后采样信号的失配误差与参考信号的失配误差相等，输出最后一次校正得到的M路第二校正信号；重构模块，输入连接所述处理模块的输出，用于对所述处理模块输出的M路信号进行重构，以得到与所述模拟信号对应的重构信号。
[0006]更进一步地，所述功率分配器还用于将所述模拟信号转换为M+1路信号后输出，所述M个采样模块的采样频率为f
s
/M，f
s
为所述数据采集系统的总采样频率，所述数据采集系
统还包括：参考采样模块，输入连接所述功率分配器的第M+1路输出，用于对所述功率分配器输出的第M+1路信号进行采样以得到所述参考信号，采样频率为f
s
/M+1。
[0007]更进一步地，所述失配误差包括偏置误差、增益误差和时间误差，所述处理模块包括加法器、乘法器和FarroW滤波器，所述加法器、乘法器和Farrow滤波器分别用于校正所述采样信号中的偏置误差、增益误差和时间误差，第i个采样信号的校正目标为：
[0008][0009]其中，f
i
(n)为第i个采样信号的校正目标函数，y
i
(n)为第i个采样信号的第n个采样点经过一次所述乘法器和Farrow滤波器校正后的值，xref(i+(n
‑
1)
×
M)为所述参考信号中与y
i
(n)对准的采样点的值，L为一次校正所需采样点的个数。
[0010]更进一步地，所述Farrow滤波器的系数矩阵满足：
[0011][0012][0013][0014][0015][0016]其中，n为滤波器阶数，m为多项式阶数，a(n，m)为滤波器系数矩阵的偶数列项，b(n，m)为滤波器系数矩阵的奇数列项，N为滤波器系数矩阵行数，M
c
为偶数列项的列数，Ms为奇数列项的列数，h(
·
，
·
)为滤波器系数矩阵中的元素，A为滤波器系数矩阵的偶数列项矩阵，B为滤波器系数矩阵的奇数列项矩阵，ω
k
为第k个样本的信号频率，p
k
为第k个样本的时间延迟，W(ω
k
p
k
)为第k个样本的加权系数，D
A
为第一中间矩阵，CA为第二中间矩阵，D
B
为第三中间矩阵，C
B
为第四中间矩阵，a
ij
为A中第i行第j列的元素，L为样本个数。
[0017]更进一步地，所述A和B满足约束条件：令所述Farrow滤波器的最大绝对误差、归一化的频率响应均方根误差和最大群延时误差不低于相应的阈值精度。
[0018]更进一步地，还包括：前端模块，输入连接所述M个采样模块的输出，输出连接所述处理模块的输入，用于对所述M个采样模块输出的M路采样信号分别进行缓存与压缩，并将压缩后的M路采样信号传输至所述处理模块。
[0019]更进一步地，还包括：时钟模块，用于基于同步差分时钟产生标准时钟信号，对所
述标准时钟信号进行倍频与扇出处理以输出采样所需的多种时钟信号，并利用低通滤波器滤除任一所述时钟信号的奇次谐波，以得到所述采样前处理子模块所需的标准正弦输入参考信号。
[0020]更进一步地，还包括：电平转换模块，用于将输入至所述数据采集系统的电压转换为多路不同的驱动电压，以分别驱动所述功率分配器、M个采样模块、处理模块和重构模块。
[0021]更进一步地，所述数据采集系统中热效应高于热效应阈值的区域采用增加走线宽度、增加走线厚度、设置独立平面、设置过孔、设置通风组件中的一种或多种以散热。
[0022]按照本专利技术的另一个方面，提供了一种基于时间交织并行采样的数据采集方法，包括：S1，将输入的模拟信号转换为M路信号，并对所述M路信号进行交织并行采样，得到M路采样信号，M≥2；S2，拟合计算各路采样信号的失配误差，根据各所述失配误差校正相应的采样信号，得到M路第一校正信号；S3，当所述第一校正信号的信噪比不低于信噪比阈值时，输出所述M路第一校正信号；否则，以各路所述第一校正信号为初始校正信号，根据当前的校正信号校正相应的采样信号，直至校正后采样信号的失配误差与参考信号的失配误差相等，输出最后一次校正得到的M路第二校正信号；S4，对所述S3输出的M路信号进行重构，以得到与所述模拟信号对应的重构信号。
[0023]总体而言，通过本专利技术所构思的以上本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于时间交织并行采样的数据采集系统，其特征在于，包括：功率分配器，用于将输入的模拟信号转换为M路信号后输出，M≥2；M个采样模块，输入与所述功率分配器的M路输出分别一一对应连接，用于对所述M路信号进行交织并行采样，输出M路采样信号；处理模块，输入连接所述M个采样模块的输出，包括采样前处理子模块和采样后处理子模块，所述采样前处理子模块用于拟合计算各路采样信号的失配误差，根据各所述失配误差校正相应的采样信号，得到M路第一校正信号；当所述第一校正信号的信噪比不低于信噪比阈值时，所述采样前处理子模块输出所述M路第一校正信号；否则，所述采样后处理子模块以各路所述第一校正信号为初始校正信号，根据当前的校正信号校正相应的采样信号，直至校正后采样信号的失配误差与参考信号的失配误差相等，输出最后一次校正得到的M路第二校正信号；重构模块，输入连接所述处理模块的输出，用于对所述处理模块输出的M路信号进行重构，以得到与所述模拟信号对应的重构信号。2.如权利要求1所述的基于时间交织并行采样的数据采集系统，其特征在于，所述功率分配器还用于将所述模拟信号转换为M+1路信号后输出，所述M个采样模块的采样频率为f
s
/M，f
s
为所述数据采集系统的总采样频率，所述数据采集系统还包括：参考采样模块，输入连接所述功率分配器的第M+1路输出，用于对所述功率分配器输出的第M+1路信号进行采样以得到所述参考信号，采样频率为f
s
/M+1。3.如权利要求1或2所述的基于时间交织并行采样的数据采集系统，其特征在于，所述失配误差包括偏置误差、增益误差和时间误差，所述处理模块包括加法器、乘法器和Farrow滤波器，所述加法器、乘法器和Farrow滤波器分别用于校正所述采样信号中的偏置误差、增益误差和时间误差，第i个采样信号的校正目标为：其中，f
i
(n)为第i个采样信号的校正目标函数，y
i
(n)为第i个采样信号的第n个采样点经过一次所述乘法器和Farrow滤波器校正后的值，x
ref
(i+(n
‑
1)
×
M)为所述参考信号中与y
i
(n)对准的采样点的值，L为一次校正所需采样点的个数。4.如权利要求3所述的基于时间交织并行采样的数据采集系统，其特征在于，所述Farrow滤波器的系数矩阵满足：
其中，n为滤波器阶数，m为多项式阶数，a(n,m)为滤波器系数矩阵的偶数列项，b(n,m)为滤波器系数矩阵的奇数列项，N为滤波器系数矩阵行数，M
c
为偶数列项的列数，Ms为奇数列项的列数，h(
·
,
·<...

【专利技术属性】
技术研发人员：易朋兴，胡忞，雷碧婷，贾玉博，刘潇扬，王琳，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：