混合滤波器组模拟数字转换器校准技术的研究

摘要

随着现代数字信号处理技术的快速发展，数据采集系统对于模拟数字转换器(ADC)的要求也越来越高，在保证高精度输出的同时采样速度也可以不断的提升。然而，单个ADC很难同时满足这两个条件。为解决上述问题，将多抽样率信号处理理论应用于ADC系统中，形成了以时间交替采样、离散时间正交镜像滤波器组和混合滤波器组为主的并行采样结构ADC系统。基于混合滤波器组的ADC系统可以有效的克服时间交替采样结构中的时间不匹配问题以及离散时间正交镜像滤波器组结构中的开关电容噪声问题而成为本论文的主要研究对象。
　　 在研读大量国内外最新研究成果的基础之上，对基于混合滤波器组ADC系统的数字校准技术进行了深入的分析与研究，并提出一些新观点、新模型和新方法。本文的主要工作如下：
　　 首先，在深入研究多抽样率数字信号处理理论的基础上，分析了时间交替采样ADC系统、正交镜像滤波器组ADC系统和混合滤波器组ADC系统的工作原理、频率响应以及完全重构条件。采用不同结构实现混合滤波器组中的分解滤波器组，通过深入剖析反傅立叶变换数字综合滤波器组设计算法后，阐明了基于功率互补结构混合滤波器组ADC系统的重构性能明显优于其他结构的原因。
　　 接着，将影响混合滤波器组重构性能的现实偏差引入到系统中。通过分析模拟电路偏差模型、通路失配偏差（偏置偏差、增益偏差、时间偏差、带宽失配偏差）模型、ADC量化效应模型和数字滤波器系数量化效应模型对混合滤波器组ADC系统频率响应的影响，并结合系统仿真说明了不同性质的现实偏差所带来的不同形式的恶化现象。
　　 然后，根据不同类型现实偏差的特点，分别提出数字综合滤波器组系数中心频带优化方法、模拟分解滤波器组系数偏差输入相关估计模型、相对带宽失配偏差模型校准方法以及针对校准系统非线性偏差的频率相关等效模型。系统仿真结果表明，利用上述方法校准后的混合滤波器组ADC系统均具有高性能的重构结果。
　　 最后，为验证频率相关等效模型校准算法的有效性和实用性，设计并实现了两通路12 bits200Msps混合滤波器组ADC系统。该系统主要由无源二端口模拟滤波器网络、两片12 bits100Msps的ADC芯片和两个128阶有限长冲激响应数字校准滤波器组成。采用非线性偏差频率相关等效模型优化方法对输出数据校准后，重构频谱中混叠噪声的无杂动态范围大于80dB，完全可以满足12bits精度ADC系统的需要。
　　 本论文针对混合滤波器组ADC系统现实偏差的校准技术进行了重点研究。理想条件下并行采样系统的完全重构条件是后续理论推导的基础；现实偏差模型的建立为数字校准指明了方向；利用系统仿真初步验证提出算法的可行性；通过实际电路的设计、制作、数据采集和处理证实了校准算法的准确性与实际意义，成功的自主研发了高精度高速度的混合滤波器组ADC系统，为实现更高采样频率的并行采样ADC系统设计积累了经验。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 选题的目的和意义

1.2 国内外研究进展

1.2.1 基于TI采样结构ADC系统研究现状

1.2.2 基于QMFB采样结构ADC系统研究现状

1.2.3 基于HFB采样结构ADC系统研究现状

1.3 课题来源及主要研究内容

1.3.1 课题来源

1.3.2 论文的研究内容

第2章 并行采样ADC系统的基本原理

2.1 引言

2.2 采样原理基础

2.2.1 采样定理

2.2.2 过采样与欠采样

2.2.3 连续时间信号的离散时间处理

2.3 抽样率变换的基本原理与实现

2.3.1 抽取与内插

2.3.2 M通路滤波器组

2.4 多抽样率信号处理在TIADC系统中的应用

2.4.1 TIADC系统的工作原理

2.4.2 等效TIADC系统频率响应分析

2.4.3 仿真结果与分析

2.5 多抽样率信号处理在QMFB ADC系统中的应用

2.5.1 QMFB ADC系统的工作原理

2.5.2 QMFB ADC系统的完全重构条件

2.5.3 仿真结果与分析

2.6 多抽样率信号处理在HFB ADC系统中的应用

2.6.1 HFB ADC系统的工作原理

2.6.2 HFB ADC系统的完全重构条件

2.6.3 不同形式下的HFB ADC系统

2.7 本章小结

第3章 混合滤波器组现实误差的分析与研究

3.1 引言

3.2 理想设计的重构性能

3.2.1 理想分解滤波器组设计

3.2.2 综合滤波器组设计

3.2.3 理想HFB重构性能

3.3 模拟现实偏差对HFB ADC系统的影响

3.4 通路失配偏差对HFB ADC系统的影响

3.4.1 偏置偏差

3.4.2 增益偏差

3.4.3 时间偏差

3.4.4 带宽失配偏差

3.4.5 综合偏差的影响

3.5 量化效应对HFB ADC系统的影响

3.5.1 ADC量化效应分析

3.5.2 数字滤波器的系数量化效应

3.6 本章小结

第4章 混合滤波器组的优化与现实误差的校准

4.1 引言

4.2 数字校准滤波器组的优化

4.2.1 数字滤波器组全局优化方法

4.2.2 数字滤波器组过采样优化方法

4.2.3 数字滤波器组中心频带优化方法

4.3 模拟偏差的测量与校准

4.3.1 二阶统计模型

4.3.2 输入相关估计模型

4.3.3 模拟偏差的校准

4.4 通路失配偏差的测量与校准

4.4.1 偏置偏差的测量与校准

4.4.2 增益偏差的测量与校准

4.4.3 时间偏差的测量与校准

4.4.4 带宽失配偏差的测量与校准

4.4.5 综合偏差的校准

4.5 频率相关等效模型的校准

4.5.1 非线性偏差的影响

4.5.2 频率相关等效模型

4.6 本章小结

第5章 混合滤波器组的设计与实现

5.1 引言

5.2 设计目标

5.3 两通路12 BITS 200MsPs HFB ADC系统设计

5.3.1 系统设计框图

5.3.2 模拟分解滤波器组设计

5.3.3 系统其他各部分详细设计

5.4 两通路12 BITS 200MsPs HFB ADC系统测试结果与分析

5.4.1系统测试条件

5.4.2 输出数据分析

5.4.3 系统重构结果

5.5 本章小结

结论和展望

参考文献

攻读博士学位期间所发表的学术论文

致谢