一種壓縮采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器誤差校準(zhǔn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明是一種壓縮采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器誤差校準(zhǔn)方法，屬于混合信號集成電路設(shè)計(jì)技 術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog-to-Digital Converter，以下簡稱ADC)的基本思想是將連續(xù) 的一定范圍內(nèi)的模擬信號，通過采樣、保持、量化、編碼的步驟，用特定的方式進(jìn)行量化，將 量化結(jié)果用一組特定的數(shù)字編碼來表示，并使之作為數(shù)字處理系統(tǒng)的輸入信號。傳統(tǒng)的模 數(shù)轉(zhuǎn)換器受到奈奎斯特(Nyquist)采樣定理的限制，必須以高于處理信號帶寬二倍的頻率 對信號進(jìn)行采樣，因此高頻信號處理方面的應(yīng)用對ADC的性能提出了更高的要求，受制于工 藝等因素，目前量化器的速度與精度無法與當(dāng)前數(shù)字處理系統(tǒng)所處理的信息要求相匹配。
[0003] 自然界的信息通常包含大量冗余，具有較高的可壓縮性，傳統(tǒng)的處理方法中在模 數(shù)轉(zhuǎn)換階段依據(jù)Nyqui st采樣定理對信息進(jìn)行完全采集，再輸入到數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行壓縮，然后 對壓縮的結(jié)果進(jìn)行傳輸或者存儲。但是這種方式存在一定缺陷，即中間環(huán)節(jié)包含大量冗余 信息的處理過程，而且需要引入額外的數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行壓縮編碼，增加了硬件實(shí)現(xiàn)的成本。
[0004] 壓縮采樣理論在2006年由Candes和Donoho等人提出，其核心思想是針對自然界的 信號通常具有稀疏性這一特點(diǎn)，在采樣階段即實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮，用隨機(jī)矩陣進(jìn)行信號的觀測， 觀測結(jié)果的采樣頻率遠(yuǎn)低于Nyquist頻率，利用先驗(yàn)的信號稀疏性，在數(shù)字系統(tǒng)中進(jìn)行信息 的重構(gòu)，隨后進(jìn)行處理。壓縮采樣理論可以用如下的公式表示，對于一個N維稀疏信號X，用 一個MXN(M〈〈N)的觀測矩陣〇去觀測，得到一個M維的觀測結(jié)果，再根據(jù)信號的稀疏性完成 信號的恢復(fù)：
[0005] .y = Ox求解{X|y = 〇交，且交滿足x的稀疏性}
[0006] 將壓縮采樣理論應(yīng)用到模數(shù)轉(zhuǎn)換器的實(shí)現(xiàn)，即為壓縮采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其在實(shí)現(xiàn) 過程中有兩項(xiàng)工作難點(diǎn)：
[0007] 首先，與傳統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)相比，壓縮采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器在完成硬件層面對模 擬信號的采樣量化之后，得到的并非滿足Nyquist采樣定理的對原始信號的直接采樣量化 結(jié)果，而是降低了采樣率的壓縮采樣數(shù)據(jù)點(diǎn)的量化結(jié)果，欲得到原始信號信息還需要根據(jù) 壓縮采樣理論，根據(jù)原始信號的稀疏性應(yīng)用凸優(yōu)化等方法進(jìn)行信號的恢復(fù)。即傳統(tǒng)模數(shù)轉(zhuǎn) 換器從模擬信號輸入到數(shù)字信號輸出，需要經(jīng)過采樣、保持、量化、編碼四個過程，而壓縮采 樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器則需要稀疏變換、壓縮采樣、保持、量化、編碼、信號恢復(fù)等六個過程，對整個 系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了新的要求。
[0008] 其次，與應(yīng)用到數(shù)字圖像處理等領(lǐng)域不同，將壓縮采樣理論應(yīng)用到模數(shù)轉(zhuǎn)換器的 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)中，壓縮采樣不再只是軟件層面的算法實(shí)現(xiàn)工作，需要將信號的稀疏變換及壓縮 采樣通過硬件實(shí)現(xiàn)，而信號恢復(fù)需要使用恢復(fù)算法對壓縮采樣得到的數(shù)字編碼信號進(jìn)行恢 復(fù)，成為了一項(xiàng)需要多平臺、軟硬件結(jié)合的工作，傳統(tǒng)的在軟件層面進(jìn)行的恢復(fù)算法研究需 要針對硬件實(shí)現(xiàn)帶來的諸多新的問題進(jìn)行改進(jìn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的目的是提出一種壓縮采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器誤差校準(zhǔn)方法，針對的問題是，在 壓縮采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器在硬件實(shí)現(xiàn)中，會由于量化器的存在而引入量化誤差，同時(shí)存在電容 失配、工藝偏差、系統(tǒng)噪聲等影響，如不考慮硬件實(shí)現(xiàn)帶來的諸多誤差，直接使用傳統(tǒng)的恢 復(fù)算法，會導(dǎo)致恢復(fù)效果惡化，使得整個系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的精度等指標(biāo)降低，考慮硬件因素，應(yīng)用 本發(fā)明的誤差校準(zhǔn)方法，可有效提高系統(tǒng)性能。
[0010] 本發(fā)明提出的壓縮采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器誤差校準(zhǔn)方法，根據(jù)壓縮采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器的結(jié) 構(gòu)，在對壓縮采樣信號量化之后，引入誤差校準(zhǔn)方法，減少硬件實(shí)現(xiàn)部分引入的各項(xiàng)誤差， 之后再將校準(zhǔn)過的信號通過恢復(fù)算法進(jìn)行信息恢復(fù)，實(shí)現(xiàn)整個壓縮采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器信號處 理的完整流程，即將整個系統(tǒng)的信號處理流程由傳統(tǒng)的"信號觀測一一信號恢復(fù)"修改為 "信號觀測一一誤差估計(jì)與信號校準(zhǔn)一一信號恢復(fù)"，消除硬件實(shí)現(xiàn)中的非理想因素，具體 包括以下步驟：
[0011] 1)信號觀測:將模擬輸入信號與偽隨機(jī)控制序列相乘，再經(jīng)過一個低通濾波，完成 對信號的壓縮采樣，采樣頻率低于信號的Nyquist采樣頻率，再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到一系列 數(shù)字序列，即信號的壓縮采樣結(jié)果；
[0012] 2)誤差估計(jì)與信號校準(zhǔn):根據(jù)實(shí)際的壓縮采樣方法和電路結(jié)構(gòu)，確定誤差模型，再 由信號觀測結(jié)果可估計(jì)出壓縮采樣環(huán)節(jié)產(chǎn)生的誤差的大致范圍和波形，考慮量化誤差、電 容失配、工藝偏差、電路噪聲等因素的影響，在壓縮采樣觀測中，采樣頻率與輸入信號頻率 無關(guān)，采樣點(diǎn)服從獨(dú)立同分布，以單位峰值正弦信號輸入進(jìn)行仿真，引入觀測誤差并根據(jù)中 心極限定理對誤差進(jìn)行估計(jì)擬合，估值與實(shí)際誤差值基本吻合，根據(jù)估計(jì)值對信號進(jìn)行修 正，即實(shí)現(xiàn)信號的校準(zhǔn)；
[0013] 3)信號恢復(fù):信號恢復(fù)是利用信號的稀疏性，用較少的觀測信號實(shí)現(xiàn)對原始信號 的恢復(fù)，數(shù)學(xué)意義上是解一個欠定方程組，可應(yīng)用凸優(yōu)化等方法進(jìn)行求解，根據(jù)電路系統(tǒng)的 應(yīng)用特點(diǎn)，使用優(yōu)化算法中的交替方向法進(jìn)行信號恢復(fù)，并將傳統(tǒng)算法與校準(zhǔn)方法結(jié)合，提 出結(jié)合了誤差校準(zhǔn)的恢復(fù)算法。
[0014]上述壓縮采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器誤差校準(zhǔn)方法，結(jié)合了誤差校準(zhǔn)方法的恢復(fù)算法數(shù)學(xué)表 達(dá)式如下：
[0016] 本發(fā)明提出的進(jìn)行誤差校準(zhǔn)的壓縮采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器信號處理方法，根據(jù)壓縮采樣 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)，在對壓縮采樣信號量化之后，引入誤差校準(zhǔn)方法，減少硬件實(shí)現(xiàn)部分引 入的各項(xiàng)誤差，之后再將校準(zhǔn)過的信號通過恢復(fù)算法進(jìn)行信息恢復(fù)，即實(shí)現(xiàn)了整個壓縮采 樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器信號處理的完整流程，即將整個系統(tǒng)的信號處理流程由傳統(tǒng)的"信號觀 測一一信號恢復(fù)"修改為"信號觀測一一誤差估計(jì)一一信號校準(zhǔn)一一信號恢復(fù)"，系統(tǒng)框圖 如圖1所示，可有效消除硬件實(shí)現(xiàn)中的非理想因素。根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際實(shí)現(xiàn)中電路結(jié)構(gòu)的不同， 噪聲產(chǎn)生的原因及對應(yīng)的噪聲模型也隨之不同，本發(fā)明提出的誤差校準(zhǔn)方法可根據(jù)不同噪 聲模型調(diào)整參數(shù)設(shè)計(jì)，有效估計(jì)和擬合誤差，適用于不同結(jié)構(gòu)的電路設(shè)計(jì)及恢復(fù)算法選擇， 具有較強(qiáng)的通用性。
[0017] 本發(fā)明針對壓縮采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)中電路實(shí)現(xiàn)中不可避免的非理想因素及其 對后續(xù)信號恢復(fù)帶來的影響，提出了在傳統(tǒng)信號處理流程基礎(chǔ)上增加誤差估計(jì)及信號校準(zhǔn) 的思路，提出了"信號觀測一一誤差估計(jì)一一信號校準(zhǔn)一一信號恢復(fù)"的信號處理流程，可 依據(jù)不同結(jié)構(gòu)設(shè)定不同誤差模型，并對硬件誤差進(jìn)行估計(jì)，對硬件觀測信號進(jìn)行校準(zhǔn)，再將 校準(zhǔn)過的信號送入恢復(fù)模塊，可有效消除壓縮采樣實(shí)際電路中非理想因素帶來的性能惡 化，在恢復(fù)前對采樣信號進(jìn)行校準(zhǔn)，改善信號的恢復(fù)效果，實(shí)現(xiàn)更好的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)效果。3、如 權(quán)利要求1所述的信號處理方法，根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際實(shí)現(xiàn)中電路結(jié)構(gòu)的不同，噪聲產(chǎn)生的原因及 對應(yīng)的噪聲模型也隨之不同，本發(fā)明提出的誤差校準(zhǔn)方法可根據(jù)不同噪聲模型調(diào)整參數(shù)設(shè) 計(jì)，有效估計(jì)和擬合誤差，適用于不同結(jié)構(gòu)的電路設(shè)計(jì)及恢復(fù)算法選擇，具有較強(qiáng)的通用 性。
[0018] 4、應(yīng)用如權(quán)利要求1所述的信號處理方法，在進(jìn)行信號誤差估計(jì)及信號校準(zhǔn)過程 中，可估計(jì)硬件誤差范圍，根據(jù)中心極限定理對誤差進(jìn)行估計(jì)擬合，根據(jù)估計(jì)值對信號進(jìn)行 修正，實(shí)際實(shí)現(xiàn)中不限于采用以上算法選擇，只要采用權(quán)利要求1所描述的整體信號處理流 程，均在本專利保護(hù)范圍之內(nèi)。
【附圖說明】
[0019] 圖1本發(fā)明提出壓縮采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器誤差校準(zhǔn)方法的信號處理流程框圖。
[0020] 圖2-種簡化的信號觀測結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021] 圖3-種誤差估計(jì)仿真樣例。
【具體實(shí)施方式】
[0022] 本發(fā)明提出的壓縮采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器誤差校準(zhǔn)方法，其流程框圖如圖1所示，根據(jù)壓 縮采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)，在對壓縮采樣信號量化之后，引入誤差校準(zhǔn)方法，減少硬件實(shí)現(xiàn) 部分引入的各項(xiàng)誤差，之后再將校準(zhǔn)過的信號通過恢復(fù)算法進(jìn)行信息恢復(fù)，實(shí)現(xiàn)整個壓縮 采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器信號處理的完整流程，即將整個系統(tǒng)的信號處理流程由傳統(tǒng)的"信號觀 測一一信號恢復(fù)"修改為"信號觀測一一誤差估計(jì)與信號校準(zhǔn)一一信號恢復(fù)"，消除硬件實(shí) 現(xiàn)中的非理想因素，具體包括以下步驟：
[0023] 1)信號觀測:也就是壓縮采樣過程，將模擬輸入信號與偽隨機(jī)控制序列相乘，再經(jīng) 過一個低通濾波，完成對信號的壓縮采樣，采樣頻率低于信號的Nyquist采樣頻率，再通過 模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到一系列數(shù)字序列，即信號的壓縮采樣結(jié)果；
[0024] 2)誤差估計(jì)與信號校準(zhǔn):根據(jù)實(shí)際的壓縮采樣方法和電路結(jié)構(gòu)，確定誤差模型，再 由信號觀測結(jié)果可估計(jì)出壓縮采樣環(huán)節(jié)產(chǎn)生的誤差的大致范圍和波形，考慮量化誤差、電 容失配、工藝偏差、電路噪聲等因素的影響，在壓縮采樣觀測中，采樣頻率與輸入信號頻率 無關(guān)，采樣點(diǎn)服從獨(dú)立同分布，以單位峰值正弦信號輸入進(jìn)行仿真，引入觀測