专利名称：一种时间交替采集系统的实时信号重构方法
技术领域：
本发明涉及一种信号重构方法，具体来讲，涉及一种时间交替采集系统的实时信号重构方法。
背景技术：
随着电子信息技术的不断发展，对实时采样速率极强的依赖性已经成为现代时域测量仪器的瓶颈问题。而模数转换技术(ADC)的研究因受到材料、芯片工艺等因素的制约，限制了其技术指标的快速提升。
在现有条件下，采用并行时间交替采样结构仍是迅速提高系统实时采样率的唯一途径。并行时间交替采集系统采用M片ADC以相同的采样率对输入模拟信号进行并行逐次交替采样，后端按一定规律重组各ADC的采样值，使系统整体采样率达到单片ADC采样率的M倍。
然而，并行时间交替采样引入了新的问题由于M个通道之间的采样时钟延迟误差的不一致性，造成实际采样是非均匀的，相对于对被采样信号进行不需要的相位调制，严重降低系统的无杂散动态范围和实际信噪比。
信号重构，就是利用有限个采样所得到的数据值按照一定的法则进行运算，以确定原始未知信号在所需的各个理想时间点上的值，实现对时基非均匀信号的重构，从而保障时间交替采集系统的性能。
时基误差相对于时间交替采集系统的采样周期Ts是一个十分微小的时间量。传统的信号重构方法需要在时间交替采集系统里产生M个微小的时间量用于修正采样时钟，不仅导致系统为校正时基误差而增加的电路过于复杂，计算量大，设计繁琐，对系统性能有很大的影响。同时，由于实际应用中，时基误差会随着环境温度以及ADC器件的老化而发生变化，传统方法需要重新设计以实现信号重构，效率低，难以满足高速采集系统的实时性要求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种。
为实现上述目的，本发明时间交替采集系统的实时信号重构方法，包括以下步骤 (1)、时间交替采集系统对输入信号x(t)进行采样，设通道0为参考通道，将通道0输出的采集数据y[Mn]减去该通道输出延迟M个采样时钟周期的采集数据y[M(n-1)]，得到通道0相邻时刻的采样数据差e0，0[n] e0，0[n]＝y[Mn]-y[M(n-1)] 然后，将采样数据差e0，0[n]乘以1/M，得到理想采样信号x(nTs)的一阶导函数x′(nTs)与采样时钟周期Ts的乘积Tsx′(nTs) 式中，M为时间交替采集系统的通道数，Ts为时间交替采集系统的采样时钟周期，n为采样点； (2)、将通道m输出的采集数据y[Mn+m]减去通道0输出的采集数据y[Mn]，得到通道间偏差信号em，0[n] em，0[n]＝y[Mn+m]-y[Mn] 式中，m＝1～(M-1)； (3)、根据步骤(1)获得的理想采样信号x(nTs)的一阶导函数x′(nTs)与采样时钟周期Ts的乘积Tsx′(nTs)以及步骤(2)获得的通道间偏差信号em，0[n]，得到以下误差函数
式中，
为采样间隔非均匀度估计； 对采样间隔非均匀度估计
进行最小均方迭代，迭代次数为k，使误差函数
的均方误差最小，得到k次迭代后的采样间隔非均匀度估计
(4)、根据步骤(3)得到的k次迭代后的采样间隔非均匀度估计
以及步骤(1)得到的理想采样信号x(nTs)的一阶导函数x′(nTs)，得到误差分量em[n] 各通道的误差分量em[n]构成时间交替采集系统非均匀性误差分量e[n]； (5)、将时间交替采集系统的采集输出y[n]减去步骤(4)获得的非均匀性误差分量e[n]，得到重构的理想采样信号x(nTs) x(nTs)＝y[n]-e[n]。
本发明的发明目的是这样实现的 自适应控制是一种在工作过程中不断检测系统参数或运行指标，根据参数的变化或运行指标的变化，改变控制参数或控制作用，使系统运行于最优或接近于最优工作状态的反馈控制。在本发明中，将自适应控制方法用于非均匀信号重构，通过将误差的综合影响作为反馈量，控制重构过程，不仅可以实现误差估计与信号重构的有机结合，降低一次性获取误差的复杂度，而且可以自动跟踪误差的变化。
为获得时基误差引入的影响，将时间交替采集系统的采集数据y[n]在n时刻处做Taylor展开 y[n]＝x(nTs+rnTs)≈x(nTs)+(rnTs)x′(nTs)+o(rnTs)(1) 其中，x(·)为输入信号；Ts为系统采样时钟周期；rn为采样间隔非均匀度；x′(·)为信号的一阶导数；o(·)为信号Taylor展式的高阶导数余项，可以忽略不计。由式(1)可以得到理想采样信号x(nTs)以及非均匀误差分量e[n] x(nTs)＝y[n]-e[n](2) e[n]≈rnTsx′(nTs) (3) 从式(2)可以看出，由于时基偏差的存在，相当于在理想信号上叠加了非均匀误差分量e[n]，其大小取决于采样间隔非均匀度rn、采样时钟Ts以及输入信号的一阶导函数x′(nTs)。
在本发明中，实时信号重构就是，利用各通道采样数据的统计特性，构造误差函数，利用最小均方迭代，得到各通道k次迭代后的采样间隔非均匀度估计
从而计算出非均匀误差分量e[n]，然后，时间交替采集系统的采集数据y[n]中减去非均匀误差分量e[n]，便获取理想采样信号x(nTs)。在本发明中，将各通道k次迭代后的采样间隔非均匀度估计
作为整个时间交替采集系统的采样间隔非均匀度rn，从而依据式(2)、(3)进行实时信号重构获取理想采样信号x(nTs)。
本发明通过最小均方迭代，得到各通道k次迭代后的采样间隔非均匀度估计
自适应地获取时间交替采集系统的采样间隔非均匀度rn，进而得到系统时基非均匀所引入的误差分量e[n]，然后进行实时信号重构，克服目前并行采样误差校正方法计算量大、实时性不高、无法跟踪误差参数变化的劣势，以满足工程应用的实时性要求。
本发明为一种基于时域分析的更为适合工程应用的信号重构方法，大大减小了数学运算量，同时也能够取得很好的效果，在高速时间交替采样系统设计的工程应用上非常实用，具有很好的推广性。
图1是本发明时间交替采集系统的实时信号重构方法的原理框图； 图2是一并行交替采集系统校正前重构波形的时域分析图； 图3是图2所示校正前重构波形的频谱分析图； 图4是失配误差估计过程对比图。
具体实施例方式 下面结合附图对本发明的具体实施方式
进行描述，以便更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当采用已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
实施例 图1是采用本发明实时信号重构方法的时间交替采集系统的一种具体实施方式
原理框图 如图1所示，时间交替采集系统包括M片ADC，即ADC0、......、ADCM-1，各ADC输入端都连接在一起，均接入同样的模拟信号，即系统的输入信号x(t)。
时间交替采集系统对输入信号x(t)进行采样，输出采集数据y[Mn]、......、y[Mn+m]，这些采样数据在多路复用器，即MUX中按采样时序组合成时间交替采集系统的采集输出y[n]。
1)、设通道0，在本实施例中，即ADC0为参考通道，将ADC0输出的采集数据y[Mn]减去该通道输出延迟M个采样时钟周期的采集数据y[M(n-1)]，即上一时刻ADC0输出的采集数据，得到ADC0相邻时刻的采样数据差e0，0[n] e0，0[n]＝y[Mn]-y[M(n-1)] 在本实施例中，上述过程中，ADC0输出的采集数据采用延迟电路进行延迟，即z-1，然后，取负值，得到-y[M(n-1)]，送到一加法器中与ADC0输出的采集数据y[Mn]进行相加，即得ADC0相邻时刻的采样数据差e0，0[n]。
然后，再将采样数据差e0，0[n]送入乘法器中乘以1/M，得到理想采样信号x(nTs)的一阶导函数x′(nTs)与采样时钟周期Ts的乘积Tsx′(nTs) 式中，M为时间交替采集系统的通道数，Ts为时间交替采集系统的采样时钟周期，n为采样点。
2)、通道0，即ADC0输出的采集数据y[Mn]，取负值后送到一加法器中与ADCm输出的采集数据y[Mn+m]进行相加，得到通道间偏差信号em，0[n] em，0[n]＝y[Mn+m]-y[Mn] 式中，m＝1～(M-1)； 3)、将理想采样信号x(nTs)的一阶导函数x′(nTs)与采样时钟周期Ts的乘积Tsx′(nTs)送入另一乘法器中与采样间隔非均匀度估计
相乘，然后再输出到一加法器中与乘积Tsx′(nTs)相加；相加的结果
取负值后，送入最小均方迭代模块中，即LMS中与通道间偏差信号em，0[n]相加后，对采样间隔非均匀度估计
进行最小均方迭代，迭代次数为k，使误差函数
的均方误差最小，得到k次迭代后的采样间隔非均匀度估计
4)、同时，在步骤3)中乘法器相乘的结果，即为误差分量em[n] 各通道的误差分量em[n]构成时间交替采集系统非均匀性误差分量e[n]； 5)、将非均匀性误差分量e[n]取负值，然后送入一加法器中与时间交替采集系统的输出y[n]相加，得到重构的理想采样信号x(nTs) x(nTs)＝y[n]-e[n]。
对于自适应方法来说，虽然系统初始参数未知，但通过上述方法不断调整，系统初始参数不确定对系统运行性能的影响将逐步减小，经过一段时候后，系统最终将自动地调整到与期望的相一致。这样不需要特殊的校准信号，只需未知的被测信号即可估算出时基偏差用于重构，计算量小，适于工程应用。
实例 在本实施例中，针对8-bit ADC模型构建双通道并行交替采样系统，实现500MSPS数据采集，信号重构前后分别输入20MHz正弦波信号，对采集数据进行频谱分析结果如图2和图3所示。
图2为时间交替采集系统未进行重构输出的采样数据的频谱分析图。
如图2所示，由于布线和时钟延迟等方面的问题造成了时间交替采集的采样数据有着较大的时间失配误差。
图3为时间交替采集系统进行重构输出的采样数据的频谱分析图 经过对时间交替采集系统输出的采样数据的重构后，得到的重构的理想采样信号x(nTs)很大程度上去除了时基偏差分量，如图3所示，可以清楚地看到重构的理想采样信号x(nTs)误差成分的频谱分量极大减小，频域图变得非常“干净”。
图4是失配误差估计过程对比图 如图4所示，经过自适应迭代得到只需在采集约250个采样点，进行250次迭代，即约0.5μs后，迭代运算就可实现对时间非均匀的估计，速度快；同时，每次迭代运算中只需2次乘法运算，计算量小，重构过程中无需特别设计重构滤波器，降低了系统设计难度以及资源消耗。
本发明对系统误差分量的分析，实现了一种基于自适应控制，能在误差准确估计同时实现信号重构的算法，有助于系统性能的提高；其系统硬件设计难度低，运算量小，提高了算法实现效率；在无需增加额外的校准信号的情况下，可以自动跟踪因老化或环境因素导致的误差参数变化。实验证明，该发明弥补了传统信号重构方法实时性不高的缺陷，降低了系统的设计难度，保证了系统的采集精度。同时，该发明降低了硬件设计难度和成本，具有很好的市场推广价值。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式
进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式
的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
权利要求
1.一种时间交替采集系统的实时信号重构方法，包括以下步骤
(1)、时间交替采集系统对输入信号x(t)进行采样，设通道0为参考通道，将通道0输出的采集数据y[Mn]减去该通道输出延迟M个采样时钟周期的采集数据y[M(n-1)]，得到通道0相邻时刻的采样数据差e0，0[n]
e0，0[n]＝y[Mn]-y[M(n-1)]
然后，将采样数据差e0，0[n]乘以1/M，得到理想采样信号x(nTs)的一阶导函数x′(nTs)与采样时钟周期Ts的乘积Tsx′(nTs)
式中，M为时间交替采集系统的通道数，Ts为时间交替采集系统的采样时钟周期，n为采样点；
(2)、将通道m输出的采集数据y[Mn+m]减去通道0输出的采集数据y[Mn]，得到通道间偏差信号em，0[n]
em，0[n]＝y[Mn+m]-y[Mn]
式中，m＝1～(M-1)；
(3)、根据步骤(1)获得的理想采样信号x(nTs)的一阶导函数x′(nTs)与采样时钟周期Ts的乘积Tsx′(nTs)以及步骤(2)获得的通道间偏差信号em，0[n]，得到以下误差函数
式中，
为采样间隔非均匀度估计；
对采样间隔非均匀度估计
进行最小均方迭代，迭代次数为k，使误差函数
的均方误差最小，得到k次迭代后的采样间隔非均匀度估计
(4)、根据步骤(3)得到的k次迭代后的采样间隔非均匀度估计
以及步骤(1)得到的理想采样信号x(nTs)的一阶导函数x′(nTs)，得到误差分量em[n]
各通道的误差分量em[n]构成时间交替采集系统非均匀性误差分量e[n]；
(5)、将时间交替采集系统的采集输出y[n]减去步骤(4)获得的非均匀性误差分量e[n]，得到重构的理想采样信号x(nTs)
x(nTs)＝y[n]-e[n]。
2.根据权利要求1所述的实时信号重构方法，其特征在于，所述的迭代次数k为250次。
全文摘要
本发明公开了一种时间交替采集系统的实时信号重构方法，通过最小均方迭代，得到各通道k次迭代后的采样间隔非均匀度估计自适应地获取时间交替采集系统的采样间隔非均匀度rn，进而得到系统时基非均匀所引入的误差分量e[n]，然后进行实时信号重构，克服目前并行采样误差校正方法计算量大、实时性不高、无法跟踪误差参数变化的劣势，以满足工程应用的实时性要求。本发明为一种基于时域分析的更为适合工程应用的信号重构方法，大大减小了数学运算量，同时也能够取得很好的效果，在高速时间交替采样系统设计的工程应用上非常实用，具有很好的推广性。
文档编号H03M1/50GK101820286SQ200910216429
公开日2010年9月1日 申请日期2009年12月1日 优先权日2009年12月1日
发明者潘卉青, 田书林, 叶芃, 曾浩, 王厚军 申请人:电子科技大学