基于并行处理的采样装置和采样方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于并行处理的采样装置和采样方法。采样方法包括：接收输入信号，在第一采样时钟的每一周期跟踪输入信号，并将输出保持为与输入信号一致的采样波形；通过多条通路分别接收在第一采样时钟的每一周期输出的采样波形，控制多条通路分别在第二采样时钟的每一周期跟踪采样波形，并分别将输出保持为采样波形，其中，多个第二采样时钟分别驱动一条通路，多个第二采样时钟的频率相等且频率之和等于第一采样时钟的频率，且多个第二采样时钟的相位依次错开第一采样时钟的一个周期；对多路输出的采样波形进行数据融合，得到与第一采样时钟频率一致的宽带采样信号。本发明能够在信号采样完成之前抑制并行采样过程中产生的非均匀误差。
【专利说明】基于并行处理的采样装置和采样方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及信号采样【技术领域】，尤其是一种基于并行处理的采样装置和采样方法。
【背景技术】
[0002]目前的宽带接收体制中，IBW(瞬时带宽，Instantaneous Bandwidth)和DR(动态范围，dynamic range)逐渐成为信号接收的瓶颈问题。而ADC(模拟/数字转换器,Analogto Digital Converter)作为宽带接收的核心器件，其工艺水平成为限制IBW和DR技术指标的主要因素。在ADC的技术指标无法提升的情况下，频带折叠采样、压缩采样、单比特采样就成为拓展信号采集带宽的主要手段。然而，频段折叠采样会使射频通道变得更为复杂并会损失系统灵敏度；压缩采样则要求信号具有相应的稀疏性；单比特采样在信号幅度、相位上会有所损失并且系统动态低。这些都会限制采样系统的应用范围。
[0003]现有技术中，提高数字采样实时带宽的常见途径是采用并行结构。并行结构是指采用多路ADC进行并行交替采样，该途径可以使采样率倍增，M片ADC以较低采样率对输入信号并行交替采样，整体采样率就可以达到单片ADC的M倍。但采用并行结构也存在着缺点，由于多路ADC之间的采样时钟的差异性等因素会不可避免在并行采样过程中产生非均匀误差，从而产生寄生谱峰，若不加以处理，将影响到采样系统的DR。同时，在采样率大幅提高的情况下，单片ADC有限的模拟带宽又限制了采样系统的应用范围。
[0004]为解决非均匀误差的问题，传统的处理方法是在对多路ADC采样数据拼接过程中，以数字处理的方式补偿非均匀误差。这类方法虽然对系统非均匀误差的补偿效果比较优良，但是需要进行较多的运算量以及占用较多的处理资源，对采样系统的实时性产生较大影响，更为重要的问题在于，非均匀误差补偿是在信号采样已经完成的前提下进行的，仅仅是对具有误差的采样数据作一定修正和补偿，未能从根本上解决多路ADC进行并行采样过程中会产生的非均匀误差的问题，采样信号的保真度仍会受到非均匀误差的影响。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是:针对上述存在的问题，提供一种基于并行处理的采样装置和采样方法。
[0006]本发明采用的技术方案是:提供一种基于并行处理的采样装置，所述采样装置包括初级采样单元、二级采样单元、时钟管理单元和数据融合单元，其中:所述时钟管理单元向初级采样单元提供第一采样时钟，向二级采样单元提供多个第二采样时钟，多个第二采样时钟的频率相等且频率之和等于第一采样时钟的频率，且多个第二采样时钟的相位依次错开第一采样时钟的一个周期；所述初级采样单元接收输入信号，在第一采样时钟的每一周期跟踪输入信号，并将输出保持为与输入信号一致的采样波形；所述二级采样单元通过多条通路分别接收在第一采样时钟的每一周期输出的采样波形，控制多条通路分别在第二采样时钟的每一周期跟踪采样波形，并分别将输出保持为采样波形，其中，多个第二采样时钟分别驱动一条通路；所述数据融合单元对多路输出的采样波形进行数据融合，得到与第一采样时钟频率一致的宽带采样信号。
[0007]优选地，所述第一采样时钟和第二采样时钟的每一周期均分为跟踪阶段和保持阶段，每一第二采样时钟的跟踪阶段至少部分位于第一采样时钟的保持阶段，其中:所述初级采样单元具体用于在第一采样时钟的每一周期的跟踪阶段跟踪所述输入信号，并在保持阶段将输出保持为与输入信号一致的采样波形，直至下一周期的跟踪阶段到来为止；所述第二采样单元具体用于控制多条通路分别在第二采样时钟的每一周期的跟踪阶段跟踪初级采样单元在第一采样时钟的不同周期输出的采样波形，并在保持阶段分别将输出保持为采样波形。
[0008]优选地，所述采样装置还包括匹配单元，所述匹配单元用于接收所述初级采样单元在第一采样时钟的每一周期输出的采样波形，并对采样波形进行信号匹配后送入所述二次采样单元。
[0009]优选地，所述信号匹配的过程至少包括功率分配、阻抗匹配、幅度范围匹配和相位关系匹配。
[0010]优选地，所述采样装置还包括信号调理单元，所述信号调理单元用于接收所述输入信号，并对所述输入信号进行调理后送入所述初级采样单元，以使输入信号符合初级采样单元的接收要求。
[0011]本发明采用的技术方案是:提供一种基于并行处理的采样方法，所述采样方法包括:接收输入信号，在第一采样时钟的每一周期跟踪输入信号，并将输出保持为与输入信号一致的采样波形；通过多条通路分别接收在第一采样时钟的每一周期输出的采样波形，控制多条通路分别在第二采样时钟的每一周期跟踪采样波形，并分别将输出保持为采样波形，其中，多个第二采样时钟分别驱动一条通路，多个第二采样时钟的频率相等且频率之和等于第一采样时钟的频率，且多个第二采样时钟的相位依次错开第一采样时钟的一个周期；对多路输出的采样波形进行数据融合，得到与所述第一采样时钟频率一致的宽带采样信号。
[0012]优选地，所述第一采样时钟和第二采样时钟的每一周期均分为跟踪阶段和保持阶段，每一第二采样时钟的跟踪阶段至少部分位于第一采样时钟的保持阶段，其中:所述在第一采样时钟的每一周期跟踪输入信号，并将输出保持为与输入信号一致的采样波形的步骤具体为:在第一采样时钟的每一周期的跟踪阶段跟踪所述输入信号，并在保持阶段将输出保持为与输入信号一致的采样波形，直至下一周期的跟踪阶段到来为止；所述控制多条通路分别在第二采样时钟的每一周期跟踪采样波形，并分别将输出保持为采样波形的步骤具体为:控制多条通路分别在第二采样时钟的每一周期的跟踪阶段跟踪初级采样单元在第一采样时钟的不同周期输出的采样波形，并在保持阶段分别将输出保持为采样波形。
[0013]优选地，通过多条通路分别接收在第一采样时钟的每一周期输出的采样波形之前，所述采样方法还包括:对在第一采样时钟的每一周期输出的采样波形进行信号匹配。
[0014]优选地，所述信号匹配的过程至少包括功率分配、阻抗匹配、幅度范围匹配和相位关系匹配。
[0015]优选地，在接收输入信号之后，所述采样方法还包括:对所述输入信号进行调理。
[0016]综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是:通过初级采样单元以高采样速率进行采样，二次采样单元设置多条通路以低采样速率进行并行交替采样，二次采样单元采样的对象是初级采样单元输出的采样波形，而初级采样单元的采样波形在一个周期内会保持不变，因此二次采样单元采样过程中不会产生非均匀误差，从而能够在信号采样完成之前抑制并行采样过程中产生的非均匀误差，采样信号具有较高的保真度，可以提高数字采样带宽和提高采样信号的无虚假动态范围。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中:
[0018]图1是本发明实施例的基于并行处理的采样装置的结构框图。
[0019]图2是图1中的初级采样单元和二级采样单元的采样时序图。
[0020]图3是采用现有技术的并行采样数据融合后与采用本发明的基于并行处理的采样装置的采样波形融合后的频谱对比图。
[0021]图4是本发明实施例的基于并行处理的采样方法的流程示意图。
【具体实施方式】
[0022]本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
[0023]本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
[0024]如图1所示，是本发明实施例的基于并行处理的采样装置的结构框图。本实施例的基于并行处理的采样装置包括初级采样单元1、二级采样单元2、时钟管理单元3和数据融合单元4。
[0025]时钟管理单元3向初级采样单元I提供第一采样时钟，向二级采样单元2提供多个第二采样时钟，多个第二采样时钟的频率相等且频率之和等于第一采样时钟的频率，且多个第二采样时钟的相位依次错开第一采样时钟的一个周期。其中，第一采样时钟的频率与第二采样时钟的频率是倍数关系，且倍数等于第二采样时钟的数量。多个第二采样时钟的相位依次错开后，第一个第二采样时钟的初始相位对应第一采样时钟的第一个周期，第二个第二采样时钟的初始相位对应第一采样时钟的第二个周期，第三个第二采样时钟的初始相位对应第一采样时钟的第三个周期，以此类推。
[0026]初级采样单元I接收输入信号，在第一采样时钟的每一周期跟踪输入信号，并将输出保持为与输入信号一致的采样波形。其中，输入信号为高频或中频信号，初级采样单元I接收到输入信号后开始采样。初级采样单元I在第一采样时钟的第一个周期跟踪输入信号，并将输出保持为跟踪到的信号，即与输入信号一致的采样波形。初级采样单元I在之后的每一周期重复同样的操作。应当注意的是，输入信号的波形是随时在变化的，所以初级采样单元I在第一采样时钟的每一周期跟踪到的信号可能是不同的，进而保持的信号也可能是不同的。
[0027]二级采样单元2通过多条通路分别接收在第一采样时钟的每一周期输出的采样波形，控制多条通路分别在第二采样时钟的每一周期跟踪采样波形，并分别将输出保持为采样波形，其中，多个第二采样时钟分别驱动一条通路。多条通路的数量至少为2。多条通路可以是多片独立的ADC芯片，也可以是一片ADC芯片中多个并行的ADC通道。虽然多条通路同时接收到第一采样时钟的每一周期输出的采样波形，但是每一条通路由不同的第二采样时钟驱动，那么在第一采样时钟的某个周期，仅有一条通路在跟踪初级采样单元I在该周期输出的采样波形，也就是说，二级采样单元2中的多条通路是在时间上以并行交替采样的方式完成对初始采样单元I所保持的信号的二次采样，二级采样单元2的跟踪与保持的具体过程与初级采样单元I的跟踪与保持的具体过程相同，此处不再赘述。
[0028]数据融合单元4对多路输出的采样波形进行数据融合，得到与第一采样时钟频率一致的宽带采样信号。其中，数据融合单元4按照二次采样单元2中各通路的第二采样时钟的相位关系进行数据逐次交织，整合成与初始采样单元I第一采样时钟频率一致的宽带米样信号。
[0029]可选地，采样装置还可以包括匹配单元5和信号调理单元6。匹配单元5用于接收初级采样单元I在第一采样时钟的每一周期输出的采样波形，并对采样波形进行信号匹配后送入二次采样单元2。信号匹配的过程至少包括功率分配、阻抗匹配、幅度范围匹配和相位关系匹配。匹配单元5主要完成单路(初始采样单元I)到多路(二级采样单元2)的功率分配，并保证前后级的端口阻抗、相位匹配。匹配单元5的实现可以有两种方法:一是通过电阻网络搭建前后单路对多路的匹配电路；二是通过变压器完成信号的耦合，实现前后级的多输入输出端口的匹配。
[0030]信号调理单元6用于接收输入信号，并对输入信号进行调理后送入初级采样单元1，以使输入信号符合初级采样单元I的接收要求。信号调理单元6先于初级采样单元I接收输入信号，主要完成对输入信号的幅度、频段范围、稱合方式的调理，使输入信号符合初级采样单元I的输入端口的接收要求。
[0031]具体而言，请一并参见图1和图2。在图2中，第一采样时钟elk和第二采样时钟(clkl, clk2, -,clkM)的每一周期均分为跟踪阶段和保持阶段，跟踪阶段为一个周期中的高电平持续时间，保持阶段为一个周期中的低电平持续时间。并且每一第二采样时钟的跟踪阶段至少部分位于第一采样时钟的保持阶段，如图2所示，第二采样时钟clkl的高电平的下降沿相较于第一采样时钟elk的高电平的下降沿滞后，并至少部分位于第一采样时钟elk的低电平。第二采样时钟Clk2到clkM的高电平的下降沿也至少部分位于第一采样时钟elk的低电平。
[0032]初级采样单元I具体用于在第一采样时钟的每一周期的跟踪阶段跟踪输入信号，并在保持阶段将输出保持为与输入信号一致的采样波形，直至下一周期的跟踪阶段到来为止。第二采样单元2具体用于控制多条通路分别在第二采样时钟的每一周期的跟踪阶段跟踪初级采样单元I在第一采样时钟的不同周期输出的采样波形，并在保持阶段分别将输出保持为采样波形。
[0033]其中，现有技术的方式由于并行交替采样的各ADC采样时钟之间很难保证均匀分配的相位关系，对多路数据进行融合时会不可避免产生非均匀误差。而在本实施例提供的初级采样单元I在每一周期保持阶段输出的信号是不变的，第二采样单元2跟踪到的信号也是不变的，则可抑制由于采样时钟的相位关系的变化而带来的并行采样非均匀误差。
[0034]举例来说，假设输入信号为O到2的步进信号，步进长度为0.1。第二采样时钟的数量为5个，初级采样单元I分为5个周期进行采样，二次采样单元2分为5条通路。初级采样单元I在第一个周期开始跟踪到O，并保持输出为O ;在第二个周期跟踪到0.5，并保持输出为0.5 ;在第三个周期跟踪到1，并保持输出为I ;在第四个周期跟踪到1.5，并保持输出为1.5 ;在第五个周期跟踪到2，并保持输出为2。
[0035]二次采样单元2的第一条通路在第二采样时钟的跟踪阶段结束时接收到初级采样单元I保持输出的0，那么第一条通路只能跟踪到的信号0，并保持输出为0，同样的，第二条通路只能跟踪到的信号0.5，并保持输出为0.5 ;第三条通路只能跟踪到的信号1，并保持输出为I ;第四条通路只能跟踪到的信号1.5，并保持输出为1.5 ;第五条通路只能跟踪到的信号2，并保持输出为2。
[0036]二次采样单元2的多路输出分别为0、0.5、1、1.5、2，那么数据融合单元4进行数据融合后得到(0、0.5、1、1.5、2)的离散序列。
[0037]请再次参见图3，图3中A为采用现有技术的并行采样数据融合后的频谱图，B为采用本发明的基于并行处理的采样装置的采样波形融合后的频谱图，在本发明的一种实施例的具体实施过程中，设置初级采样单元I的采样时钟elk频率为Fs = 3GSPS，二次采样单元2的通路为两条，采样时钟clkl、clk2频率为Fs/2 = 1.5GSPS，输入信号频率为2100MHz。从图中明显可以看出，采用本发明采样装置进行采样波形融合后，频谱杂散明显变小，明显提高了信号采样的无虚假动态范围。
[0038]如图4所示，是本发明实施例的基于并行处理的采样方法的流程示意图。本实施例的基于并行处理的采样方法包括:
[0039]S1:接收输入信号，在第一采样时钟的每一周期跟踪输入信号，并将输出保持为与输入信号一致的米样波形。
[0040]其中，输入信号为高频或中频信号，接收到输入信号后开始采样。在第一采样时钟的第一个周期跟踪输入信号，并将输出保持为跟踪到的信号，即与输入信号一致的采样波形，并在之后的每一周期重复同样的操作。应当注意的是，输入信号的波形是随时在变化的，所以在第一采样时钟的每一周期跟踪到的信号可能是不同的，进而保持的信号也可能是不同的。
[0041]S2:通过多条通路分别接收在第一采样时钟的每一周期输出的采样波形，控制多条通路分别在第二采样时钟的每一周期跟踪采样波形，并分别将输出保持为采样波形，其中，多个第二采样时钟分别驱动一条通路，多个第二采样时钟的频率相等且频率之和等于第一采样时钟的频率，且多个第二采样时钟的相位依次错开第一采样时钟的一个周期。
[0042]其中，多条通路的数量至少为2。多条通路可以是多片独立的ADC芯片，也可以是一片ADC芯片中多个并行的ADC通道。虽然多条通路同时接收到第一采样时钟的每一周期输出的采样波形，但是每一条通路由不同的第二采样时钟驱动，那么在第一采样时钟的某个周期，仅有一条通路在跟踪在该周期输出的采样波形，也就是说，多条通路是在时间上以并行交替采样的方式完成对第一采样时钟的每一周期输出的采样波形的二次采样。
[0043]S3:对多路输出的采样波形进行数据融合，得到与第一采样时钟频率一致的宽带米样信号。
[0044]其中，按照各条通路的第二采样时钟的相位关系进行数据逐次交织，可以整合成与第一采样时钟频率一致的宽带采样信号。
[0045]在本实施例中，通过多条通路分别接收在第一采样时钟的每一周期输出的采样波形之前，采样方法还包括:对在第一采样时钟的每一周期输出的采样波形进行信号匹配。
[0046]信号匹配的过程至少包括功率分配、阻抗匹配、幅度范围匹配和相位关系匹配。匹配过程主要完成单路到多路的功率分配，并保证前后级的端口阻抗、相位匹配。信号匹配的实现可以有两种方法:一是通过电阻网络搭建前后单路对多路的匹配电路；二是通过变压器完成信号的稱合，实现前后级的多输入输出端口的匹配。
[0047]在接收输入信号之后，采样方法还包括:对输入信号进行调理。进行调理后再进行在第一采样时钟的每一周期跟踪输入信号，并将输出保持为与输入信号一致的采样波形。调理的过程主要完成对输入信号的幅度、频段范围、耦合方式的调理，使输入信号后续输入端口的接收要求。
[0048]通过上述方式，本发明实施例的基于并行处理的采样装置和采样方法通过初级采样单元以高采样速率进行采样，二次采样单元设置多条通路以低采样速率进行并行交替采样，二次采样单元采样的对象是初级采样单元输出的采样波形，而初级采样单元的采样波形在一个周期内会保持不变，因此二次采样单元采样过程中不会产生非均匀误差，从而能够在信号采样完成之前抑制并行采样过程中产生的非均匀误差，采样信号具有较高的保真度，可以提高数字采样带宽和提高采样信号的无虚假动态范围。相比现有的非均匀误差校正技术具有更好的实时性，且不占用额外的处理资源，并从信号采样源头直接抑制并行采样非均匀误差的产生。
[0049]本发明并不局限于前述的【具体实施方式】。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
【权利要求】
1.一种基于并行处理的采样装置，其特征在于，所述采样装置包括初级采样单元、二级采样单元、时钟管理单元和数据融合单元，其中: 所述时钟管理单元向初级采样单元提供第一采样时钟，向二级采样单元提供多个第二采样时钟，多个第二采样时钟的频率相等且频率之和等于第一采样时钟的频率，且多个第二采样时钟的相位依次错开第一采样时钟的一个周期； 所述初级采样单元接收输入信号，在第一采样时钟的每一周期跟踪输入信号，并将输出保持为与输入信号一致的采样波形； 所述二级采样单元通过多条通路分别接收在第一采样时钟的每一周期输出的采样波形，控制多条通路分别在第二采样时钟的每一周期跟踪采样波形，并分别将输出保持为采样波形，其中，多个第二采样时钟分别驱动一条通路； 所述数据融合单元对多路输出的采样波形进行数据融合，得到与第一采样时钟频率一致的宽带采样信号。
2.根据权利要求1的采样装置，其特征在于，所述第一采样时钟和第二采样时钟的每一周期均分为跟踪阶段和保持阶段，每一第二采样时钟的跟踪阶段至少部分位于第一采样时钟的保持阶段，其中: 所述初级采样单元具体用于在第一采样时钟的每一周期的跟踪阶段跟踪所述输入信号，并在保持阶段将输出保持为与输入信号一致的采样波形，直至下一周期的跟踪阶段到来为止； 所述第二采样单元具体用于控制多条通路分别在第二采样时钟的每一周期的跟踪阶段跟踪初级采样单元在第一采样时钟的不同周期输出的采样波形，并在保持阶段分别将输出保持为采样波形。
3.根据权利要求1的采样装置，其特征在于，所述采样装置还包括匹配单元，所述匹配单元用于接收所述初级采样单元在第一采样时钟的每一周期输出的采样波形，并对采样波形进行信号匹配后送入所述二次采样单元。
4.根据权利要求3的采样装置，其特征在于，所述信号匹配的过程至少包括功率分配、阻抗匹配、幅度范围匹配和相位关系匹配。
5.根据权利要求1的采样装置，其特征在于，所述采样装置还包括信号调理单元，所述信号调理单元用于接收所述输入信号，并对所述输入信号进行调理后送入所述初级采样单元，以使输入信号符合初级采样单元的接收要求。
6.一种基于并行处理的采样方法，其特征在于，所述采样方法包括: 接收输入信号，在第一采样时钟的每一周期跟踪输入信号，并将输出保持为与输入信号一致的米样波形； 通过多条通路分别接收在第一采样时钟的每一周期输出的采样波形，控制多条通路分别在第二采样时钟的每一周期跟踪采样波形，并分别将输出保持为采样波形，其中，多个第二采样时钟分别驱动一条通路，多个第二采样时钟的频率相等且频率之和等于第一采样时钟的频率，且多个第二采样时钟的相位依次错开第一采样时钟的一个周期； 对多路输出的采样波形进行数据融合，得到与所述第一采样时钟频率一致的宽带采样信号。
7.根据权利要求6的采样方法，其特征在于，所述第一采样时钟和第二采样时钟的每一周期均分为跟踪阶段和保持阶段，每一第二采样时钟的跟踪阶段至少部分位于第一采样时钟的保持阶段，其中: 所述在第一采样时钟的每一周期跟踪输入信号，并将输出保持为与输入信号一致的采样波形的步骤具体为:在第一采样时钟的每一周期的跟踪阶段跟踪所述输入信号，并在保持阶段将输出保持为与输入信号一致的采样波形，直至下一周期的跟踪阶段到来为止； 所述控制多条通路分别在第二采样时钟的每一周期跟踪采样波形，并分别将输出保持为采样波形的步骤具体为:控制多条通路分别在第二采样时钟的每一周期的跟踪阶段跟踪初级采样单元在第一采样时钟的不同周期输出的采样波形，并在保持阶段分别将输出保持为采样波形。
8.根据权利要求6的采样方法，其特征在于，通过多条通路分别接收在第一采样时钟的每一周期输出的采样波形之前，所述采样方法还包括: 对在第一采样时钟的每一周期输出的采样波形进行信号匹配。
9.根据权利要求8的采样方法，其特征在于，所述信号匹配的过程至少包括功率分配、阻抗匹配、幅度范围匹配和相位关系匹配。
10.根据权利要求6的采样方法，其特征在于，在接收输入信号之后，所述采样方法还包括: 对所述输入信号进行调理。
【文档编号】H03M1/54GK104270154SQ201410484254
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年9月19日 优先权日:2014年9月19日
【发明者】向川云, 彭艳, 刘宪军, 戴文, 陈俊霖, 刘晓伟 申请人:中国电子科技集团公司第二十九研究所