时间交替采样技术及应用研究

摘要

随着电子信息技术在各个领域的应用和发展，人类正逐步迈向信息数字化和设备智能化的新时代，信息数字化处理技术成为研究的热点。信息信号的数字化处理，模数转换器(Analog-to-Digital Converter，ADC)作为核心器件，其采样位数和采样速率是衡量采集系统的两大指标。在现有的工艺条件下，单片ADC的采样位数和采样率相互限制，无法同时满足高速度和高精度的采样需求。然而，时间交替采样(Time-interleaved ADC，TIADC)技术在保证采样精度的前提下，可提高信号的采样率，具有重要的研究意义和应用价值。
　　TIADC采样技术采用N片高精度的ADC构成采样电路，每片ADC交替采样，再重组成一路采样率f s的数据输出，以满足高精度高采样率要求。TIADC采样技术能有效解决采集系统同时满足高速度和高精度需求的矛盾，在工程方面体现出巨大的应用价值。通过对TIADC采样理论的研究，提出自适应时间交替数据采集。结合时间交替采样电路的多路并行特点，并通过改进电路实现结构及优化相关工程算法，使时间交替采样技术在工程应用中表现出显著优势。因此，本文首先研究TIADC采样理论，并实现自适应时间交替数据采样；然后基于自适应TIADC采样技术，结合快速傅里叶(Fast Fourier Transform，FFT)和复相关算法，从结构优化和算法优化等方面作进一步研究。本文主要从以下四个部分展开研究：
　　1.自适应时间交替采样技术及实现：研究时间交替采样理论和时延估计方法，并针对多通道间的时间失配误差，采用相位谱法对进行时延估计，利用Farrow滤波器实现误差补偿，提出一种带时间补偿的自适应TIADC数据采集，并基于FPGA加以实现，为后续TIADC采样技术的拓展研究奠定基础；
　　2.基于自适应时间交替采样的频谱分析：分析频谱模块工作原理，研究频谱分析的实现结构，并基于自适应TIADC数据采样的设计基础，通过逻辑控制模块，实现时延估计电路和信号频谱分析电路的FFT功能模块选通，设计出一种复用FFT结构的自适应TIADC频谱分析；
　　3.基于自适应时间交替采样的频率估计：研究复相关频率测量原理，改进频率估计参数，实现基于自适应TIADC采样的测频方案。通过信号的TIADC预处理得两路正交信号，再分别作TIADC采样，并结合采样电路的并行特点，实现一种测频精度高、计算速度快的自适应TIADC分时复相关测频；
　　4.基于自适应时间交替采样的流速测量：研究宽带多普勒测速和复相关测频原理，实现基于自适应TIADC采样的宽量程流速测量。结合自适应TIADC的频率估计,采用并行复相关估计频偏量；针对复相关测频量程的局限性，采用时延测量流速作为修正依据,从而实现一种宽量程高精度的自适应TIADC流速测量。
　　本文所设计方案均基于高速高精度的TIADC采样技术展开研究，在以Xilinx FPGA，型号XC6SLX45-2CSG324为主控芯片，四路AD7980构成采样电路搭建的硬件平台下完成实验验证，实验表明，基于高速高精度的时间交替采样技术，所设计方案的相关性能指标有明显改良。

目录

声明

引言

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 内容安排

2 自适应时间交替采样技术及实现

2.1 时间交替采样的基本原理

2.2 自适应TIADC数据采样

2.3 自适应TIADC采样的硬件实现

2.4 实验结果与分析

2.5 本章小结

3 基于自适应时间交替采样的频谱分析

3.1 频谱分析原理

3.2 自适应TIADC的频谱模块设计

3.3 自适应TIADC频谱框架及FPGA实现

3.4 实验结果与分析

3.5 本章小结

4 基于自适应时间交替采样的频率估计

4.1 复相关测频原理

4.2 自适应TIADC的频率估计

4.3 自适应TIADC测频框架及实现

4.4 实验结果及分析

4.5 本章小结

5 基于自适应时间交替采样的流速测量

5.1 多普勒测速原理

5.2 自适应TIADC的流速测量

5.3 自适应TIADC的测流系统框架

5.4 实验结果与分析

5.5 本章小结

6 结束语

6.1 本文工作小结

6.2 未来工作展望

参考文献

附录A

在 学 研 究 成 果

致谢