【摘要】：超寬帶采樣技術(shù)要求模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)電路具有極高的瞬態(tài)性能,是太赫茲通信和雷達、高端測量儀器、毫米波脈沖成像等前沿應用的基礎。頻率交織技術(shù)(FI-ADC)能夠突破時間交織架構(gòu)(TI-ADC)在滿功率模擬帶寬和時鐘穩(wěn)健性方面的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸,在未來超寬帶采樣領(lǐng)域擁有廣闊的發(fā)展前景。目前FI-ADC大多基于混合濾波器組,由于結(jié)構(gòu)復雜、集成難度大,相關(guān)研究仍面臨諸多挑戰(zhàn)鑒于FI-ADC內(nèi)部存在多種電路非理想性,包括本振(LO)時鐘引入的諧波失真和混疊,I/Q支路失衡造成的鏡像誤差,子帶隔離不理想引起的頻譜泄露與失配誤差(頻響失配和帶寬失配),子ADC過采樣率不足導致的頻譜混疊,以及LO和采樣時鐘抖動與相位噪聲等,為實現(xiàn)FI-ADC系統(tǒng)電路規(guī)模的大范圍縮減和高密度集成,擬提出一種基于全數(shù)字實時樣點重構(gòu)的超寬帶信號采樣與測量框架,并針對該框架在實現(xiàn)過程中存在的關(guān)鍵技術(shù)問題開展深入研究,主要工作如下1)針對FI-ADC中存在的頻譜泄露與混疊、子帶失配及時鐘隨機抖動等非一致性誤差進行了系統(tǒng)級電路行為描述。將M通道的TI-ADC與FI-ADC分別簡化并抽象為單通道的直接采樣結(jié)構(gòu)和基帶采樣結(jié)構(gòu),通過構(gòu)建物理模型,總結(jié)統(tǒng)計特征,分析和討論了兩種結(jié)構(gòu)的動態(tài)性能,并在此基礎上比較了 TI-ADC和FI-ADC系統(tǒng)的ENOB頻率響應穩(wěn)定性和時鐘魯棒性2)提出了基于Krylov子空間法的數(shù)字綜合濾波器組優(yōu)化設計方案以提高FI ADC系統(tǒng)的重構(gòu)精度和效率。推導了頻域均衡模型對應的矩陣描述,將失配誤差的補償問題轉(zhuǎn)化為線性系統(tǒng)的求解問題;研究和比較了基于多種Krylov子空間法設計的綜合濾波器組對于系統(tǒng)誤差的補償效果;提出使用Gauss-Seidel預處理技術(shù)以進一步優(yōu)化算法的性能;通過構(gòu)建子帶間頻譜泄露的數(shù)理統(tǒng)計模型,提出了基于自相關(guān)矩陣的頻譜泄露誤差量化體系,以更加直觀地衡量FI-ADC系統(tǒng)中的子帶交疊效應,以及合理地評價各綜合濾波器組設計方案對頻譜泄露的補償性能。3)大范圍縮減了現(xiàn)有FI-ADC系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)規(guī)模,省去了模擬混頻器之后用于子帶分解和抗混疊的模擬低通濾波器(LPF)組,以及用于各通道頻率響應失配均衡的數(shù)字綜合濾波器組。考慮到FI-ADC中的各種誤差之間存在的相互影響,提出在進行任何失配誤差校準之前首先進行通道重組,隨后利用全數(shù)字樣點重構(gòu)電路對所有誤差進行統(tǒng)一修正的設計思想,稱這種簡化的頻率交織架構(gòu)為LPF-less FI-ADC。4)將鏡像誤差和LO諧波干擾加入討論范圍,并分別從理論和實際層面論證了上述幾種誤差之間的相互作用與影響,指出了對其進行同時統(tǒng)一修正的必要性。首先忽略諧波混疊,建立了LPF-less FI-ADC的頻域誤差模型;基于該模型分別推導了系統(tǒng)信噪失真比和鏡像抑制比對于任意通道數(shù)M的封閉表達式,并據(jù)此詳細分析了采樣時鐘抖動和LO時鐘相位噪聲對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響;基于自相關(guān)矩陣量化方法研究和分析了 LPF-less FI-ADC中子帶交疊、帶內(nèi)混疊和帶間混疊三種交疊效應在頻譜泄露和鏡像誤差中的傳播規(guī)律和作用機理;重點研究了LO時鐘諧波干擾對LPF-less FI-ADC的影響;首次提出了在每個模擬信號通路內(nèi)僅使用單個由方波LO時鐘驅(qū)動模擬混頻器的全數(shù)字諧波抑制方案,大大簡化了FI-ADC的射頻前端電路。推導了在諧波混疊存在的情況下,LPF-less FI-ADC的頻域誤差模型。5)推導了M通道LPF-less FI-ADC的離散時間等效模型,及其相對應的矩陣描述;推導了2M周期時變(PTV)系統(tǒng)的頻域模型和線性級聯(lián)的PTV系統(tǒng)模型;推導了等效模型的矩陣形式;提出了基于坐標松弛迭代的實時樣點重構(gòu)框架以實現(xiàn)所有線性誤差的在線統(tǒng)一修正。闡述了基于Richardson、Jacobi和Gauss-Seidel三種松弛迭代重構(gòu)方案的基本原理與收斂條件;分別對兩種PTV數(shù)字濾波器在提出的樣點重構(gòu)框架中的實現(xiàn)方案進行了原理闡述和模型推導;并進行了相關(guān)的實現(xiàn)復雜度分析與比較。
【學位授予單位】：電子科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TN792

【參考文獻】

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4 劉素娟;楊s，

本文編號：2670395