一种基于旋转矩阵的并行交替采样系统误差估计方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于旋转矩阵的并行交替采样系统误差估计方法，包括以下步骤：一、初始参数输设定；二、训练样本构建：先取一个时间段t内M个A/D转换芯片的采样序列，再作快速傅里叶变换至频域后，相应获得M个训练样本，M个训练样本组成一个训练样本集三、误差估计：采用数据处理器且利用所构建的训练样本集进行误差估计，过程如下：误差估计用双频率点选取、协方差矩阵估计、特征分解、大特征值及其对应的特征向量提取和时基误差估计。本发明方法步骤简单、设计合理且实现方便、使用效果好，能有效解决现有并行交替采样系统误差估计方法存在的估计过程复杂、需要多次迭代且不易收敛、计算量较大、容易陷入局部极小点等缺陷和不足。
【专利说明】一种基于旋转矩阵的并行交替采样系统误差估计方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种并行交替采样系统误差估计方法，尤其是涉及一种基于旋转矩阵的并行交替采样系统误差估计方法。
【背景技术】
[0002]随着数字信号处理技术应用范围的不断扩大，所需要处理信号的频带宽度(简称带宽)范围也越来越大。从信号带宽方面考虑，信号可以分为窄带信号、宽带信号和超宽带信号三类。窄带信号在大多数情况下用单个ADC转换芯片进行采样便可达到高精度的目的；在满足采样定理的前提下，宽带信号一般也可用单个高速率ADC转换芯片进行采样，但一般精度较低，不能进行高精度采样，无法满足大动态范围的使用要求，且电路的硬件成本较高；而对于超宽带信号，在满足采样定理的前提下，现有条件一般很难用单个ADC转换芯片进行采样。
[0003]因而，对于宽带信号和超宽带信号(信号带宽在几十兆至几百兆甚至上千兆)来说，用单个ADC转换芯片在满足采样定理和不满足采样定理的前提下，要实现信号的高精度采样和重构都是难于达到目的的。若利用数字信号处理的理论和方法，用多个低速率、高精度的ADC转换芯片构成一个多通道采样系统，在一定条件下，可以实现信号的高精度采样和信号的实时重构。依据信号处理的基本理论，对于M个通道的采样系统来说，系统要求每个ADC转换芯片的最低无失真采样频率是采用单个ADC转换芯片进行采样的1/M，随着对ADC转换芯片采样速率要求的大幅度降低，使信号带宽与采样速率之间的矛盾得到了很大的改善。实际使用过程中，上述多通道采样系统一方面在保持ADC转换芯片采样速率不变时，可以将系统允许输入的最大信号带宽提高为单个ADC转换芯片采样时的M倍；另一方面，在保持系统允许输入的最大信号带宽不变时，可以采用低速率、高精度的ADC转换芯片对输入信号进行采样，达到以M个低速率、高精度采样序列重构出信号的高速高精度采样序列的目的，解决采样速率与采样精度之间的矛盾。现代雷达、通信等信号处理系统，通常要求直接对天线接收信号进行数字化后再进行处理。对于宽带信号而言，这要求ADC转换芯片具有很高的转换速率，然而其采样速率每增加一倍，量化精度就要近似下降一位，从而导致动态范围下降约6dB ;而且采样时钟的稳定性也将随着采样速率的提高而下降，这将加剧孔径抖动从而使信噪比降低，成本也会急剧增加。
[0004]并行交替采样技术，即前端利用多片ADC转换芯片并行逐次采样，后端串行多路复用，可以有效解决采样速率与信号带宽以及采样速率与采样精度之间的矛盾。但是，由于其依赖于各通道间的精确配合，相对于单通道采样，存在更多的系统误差。首先，各通道ADC转换芯片之间的增益和偏置难以做到严格的一致；其次，并行通道之间的采样时钟相位在现有技术条件下也无法实现精确控制(时基偏差)。因此，多通道系统误差将导致采样波形非线性失真，降低系统性能。
[0005]针对以上问题，大量文献提出了不同的系统误差估计方法，如信号谱分析法、相关法、参数模型法、盲估计法等，但信号谱分析法、相关法和参数模型法大多都要求频谱纯净的已知激励信号作为校正源，估计过程复杂，且误差参数变化后需重新校正；而盲估计法虽无需特殊激励信号，但需要多次迭代且不易收敛，计算量较大。
[0006]2009年《电子学报》37 (10):2298-2301中由田书林、潘卉青、王志刚发表的《一种并行采样中的自适应非均匀综合校准方法》一文和2010年《电子测量与仪器学报》24(1):34-38中由潘卉青，田书林，叶芄等发表的《一种并行交替采样中时基非均匀信号自适应重构方法》一文中提出了利用自适应控制技术、利用最小均方误差准则将失配误差估计转化为多维非线性优化问题，分别对时基误差、增益误差以及偏置误差进行迭代的方法。但由于该方法未考虑噪声的影响，在低信噪比条件下估计精度将会下降，另外在迭代过程中容易陷入局部极小点。2012年09期《系统工程与电子技术》中由马仑、廖桂生、卢丹发表的《基于子空间投影的并行交替采样系统误差估计》一文中提出了一种基于子空间投影技术的并行交替采样系统误差估计方法，该方法对每一通道的采样数据分别进行傅立叶变换处理后(由于采用低速率ADC转换芯片对宽带信号采样，单个通道采样数据将产生频谱混叠)，把多通道频域采样输出看作阵列输出，利用多通道时延对应的频域线性相位矢量与由采样数据得到的噪声子空间的正交特性估计通道失配误差。但是，由于在估计过程中需要进行迭代，同样面临计算量大以及容易陷入局部极小点等困难。
[0007]综上，目前所采用的并行交替采样技术还不够成熟和完善，并且现有的并行交替采样系统误差估计方法均不同程度地存在估计过程复杂、需要多次迭代且不易收敛、计算量较大、容易陷入局部极小点等缺陷和不足。
【发明内容】
[0008]本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于旋转矩阵的并行交替采样系统误差估计方法，其方法步骤简单、设计合理且实现方便、使用效果好，能有效解决现有并行交替采样系统误差估计方法存在的估计过程复杂、需要多次迭代且不易收敛、计算量较大、容易陷入局部极小点等缺陷和不足。
[0009]为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是:一种基于旋转矩阵的并行交替采样系统误差估计方法，其特征在于该方法包括以下步骤:
[0010]步骤一、初始参数输设定:通过参数输入单元，输入需进行误差估计的并行交替采样系统中所采用A/D转换芯片的数量M、M个所述A/D转换芯片的采样频率fs和所采样宽带信号s(t)的带宽bps ;所述参数输入单元与数据处理器相接；
[0011]步骤二、训练样本构建:先取一个时间段t内M个所述A/D转换芯片的采样序列，每个所述A/D转换芯片的采样序列中均包括n个采样信号，其中n=t X fs ;再将M个所述A/D转换芯片的采样序列作快速傅里叶变换至频域后，相应获得M个训练样本；
[0012]M个训练样本分别为所述并行交替采样系统的M个采样通道的训练样本，且M个训练样本组成一个训练样本集；
[0013]步骤三、误差估计:采用数据处理器且利用步骤二中所构建的训练样本集，对所述并行交替采样系统进行误差估计，过程如下:
[0014]步骤301、误差估计用双频率点选取:从[-fs/2, fs/2]中随机选取两个数值fJPf2作为误差估计用的一对频率点，其中> f2且Af=f\-f2 ；
[0015]步骤302、协方差矩阵估计:从所述训练样本集中找出频率值为的样本数据组成训练样本A，并从所述训练样本集中找出频率值为f2的样本数据组成训练样本B ;之后，分别计算得出训练样本A和训练样本B的协方差矩阵Ra和Rb ；
[0016]步骤303、特征分解:对协方差矩阵Ra和Rb分别进行特征分解，得到Ra=Ua E a(Ua)H和Rb=Ub E b(Ub)H;其中，
【权利要求】
1.一种基于旋转矩阵的并行交替采样系统误差估计方法，其特征在于该方法包括以下步骤: 步骤一、初始参数输设定:通过参数输入单元(5)，输入需进行误差估计的并行交替采样系统中所采用A/D转换芯片(I)的数量M、M个所述A/D转换芯片(I)的采样频率fs和所采样宽带信号s(t)的带宽bps;所述参数输入单元(5) (5)与数据处理器(6)相接； 步骤二、训练样本构建:先取一个时间段t内M个所述A/D转换芯片(I)的采样序列，每个所述A/D转换芯片(I)的采样序列中均包括n个采样信号，其中n=t X fs ;再将M个所述A/D转换芯片(I)的采样序列作快速傅里叶变换至频域后，相应获得M个训练样本； M个训练样本分别为所述并行交替采样系统的M个采样通道的训练样本，且M个训练样本组成一个训练样本集； 步骤三、误差估计:采用数据处理器(6)且利用步骤二中所构建的训练样本集，对所述并行交替采样系统进行误差估计，过程如下: 步骤301、误差估计用双频率点选取:从[_fs/2，fs/2]中随机选取两个数值和f2作为误差估计用的一对频率点，其中> f2且Af=f\-f2 ； 步骤302、协方差矩阵估计:从所述训练样本集中找出频率值为的样本数据组成训练样本A，并从所述训练样本集中找出频率值为f2的样本数据组成训练样本B ;之后，分别计算得出训练样本A和训练样本B的协方差矩阵Ra和Rb ； 步骤303、特征分解:对协方差矩阵Ra和Rb分别进行特征分解，得到Ra=Ua E a(Ua)H和Rb=Ub E b (Ub)H;其中，且其为由M个特征向量u〖,…，< 构成的矩阵；Eu丨且其表示以M个特征值& A力对角线元素的对角矩阵，并且M个特征值由大到小进行排列；U6且其为由M个特征向量构成的矩阵；Zb =—莒{4且其表示以M个特征值为对角线元素的对角矩阵，并且M个特征值/由大到小进行排列；H表示矩阵共轭转置运算； 步骤304、大特征值及其对应的特征向量提取:从步骤303中M个特征值中，提取出前21+1个大特征值<，--?，芯+,及其对应的21+1个特征向量u(,? ? -,Ua2Ut，再利用公式g{<}对21+1个特征向量(…,!!^分别进行变形，获得21+1个向量其中j为正整数且j=l，-,21+1 ;同时，从步骤303中M个特征值^中，提取出前21+1个大特征值y 2t及其对应的21+1个特征向量& 5.其中，7aI 5…，八2/+1U1,*",U2/+1，zxJs 步骤305、时基误差估计:根据公式At =-Z(B)/2M/- T,得出所述并行交替采样系统的时延误差矢量人T ;式中Z表示取相位角，T = [0，I/Mfs,…
2/+1 21+1 21+1 (M-1)/MfJ1 ；,其中YA为步骤304中提取出的21+1个特
i=\征向量U6...Ui的求和；
2.按照权利要求1所述的一种基于旋转矩阵的并行交替采样系统误差估计方法，其特征在于:步骤三中估计出所述并行交替采样系统的时延误差矢量At后，还需进行增益误差估计，且其估计过程如下: 步骤401、时基误差补偿:利用步骤三中得出的所述并行交替采样系统的时延误差矢量At，对理想频域导向矢量P' (f)进行补偿，得出补偿后的频域导向矢量口^^，其中
3.按照权利要求1或2所述的一种基于旋转矩阵的并行交替采样系统误差估计方法，其特征在于:步骤305中时基误差估计完成后，得出所述并行交替采样系统的一个时延误差矢量，之后还需进入步骤306 ； 步骤306、返回步骤301，重新从[_fs/2，fs/2]中随机选取两个数值作为误差估计用的一对频率点，并按照步骤302至步骤305中的方法，得出所述并行交替采样系统的时延误差矢量; 步骤307、一次或多次重复步骤306，得出一个或多个所述并行交替采样系统的时延误差矢量; 步骤308、将当前情况下所得出的多个时延误差矢量取平均值，作为所述并行交替采样系统的时延误差矢量At。
4.按照权利要求2所述的一种基于旋转矩阵的并行交替采样系统误差估计方法，其特征在于:步骤401中进行时基误差补偿时，补偿后的频域导向矢量
5.按照权利要求1或2所述的一种基于旋转矩阵的并行交替采样系统误差估计方法，其特征在于:步骤二中n=100~1000。
6.按照权利要求1或2所述的一种基于旋转矩阵的并行交替采样系统误差估计方法，其特征在于:步骤二中取一个时间段t内M个所述A/D转换芯片(I)的采样序列时，采用滑窗法进行选取。
7.按照权利要求1或2所述的一种基于旋转矩阵的并行交替采样系统误差估计方法，其特征在于:步骤一中所述并行交替采样系统包括多个A/D转换芯片(I)、多个分别对多个所述A/D转换芯片(I)的采样时间进行控制的延时控制模块(2)、多个分别对多个所述A/D转换芯片(I)所采样信号进行傅里叶变换处理的数据处理单元(3)、分别与多个所述数据处理单元(3)相接且将多个所述数据处理单元(3)处理后的信号以数据阵列形式输出的多路复用器(4)和与多路复用器(4)相接的数据处理器(6)，多个所述延时控制模块(2)分别与多个所述A/D转换芯片(I)相接，多个所述A/D转换芯片(I)分别与多个所述数据处理单元(3)相接，多个所述延时控制模块(2)均由数据处理器(6)进行控制且其均与数据处理器(6)相接。
8.按照权利要求7所述的一种基于旋转矩阵的并行交替采样系统误差估计方法，其特征在于:所述并行交替采样系统还包括多个分别与多个所述A/D转换芯片(I)相接的增益控制模块(7)，多个所述增益控制模块(7)分别接在多个所述A/D转换芯片(I)与多个所述数据处理单元(3)之间；所述增益控制模块(7)为放大器或衰减器；多个所述增益控制模块(7)均由数据处理器(6)进行控制且其均与数据处理器(6)相接。
9.按照权利要求7所述的一种基于旋转矩阵的并行交替采样系统误差估计方法，其特征在于:步骤三中估计出 所述并行交替采样系统的时延误差矢量At后，数据处理器(6)根据估计得出的时延误差矢量At对多个所述延时控制模块(2)分别进行控制。
10.按照权利要求8所述的一种基于旋转矩阵的并行交替采样系统误差估计方法，其特征在于:步骤四中估计出所述并行交替采样系统的增益误差矢量f后，数据处理器(6)根据估计得出的增益误差矢量f对多个所述增益控制模块(7 )分别进行控制。
【文档编号】H03M1/54GK103780261SQ201410042693
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2014年1月28日 优先权日:2014年1月28日
【发明者】马仑, 王元庆, 杨鹏, 马锐捷 申请人:长安大学