【摘要】：隨著電子環(huán)境的復雜化和多樣化,環(huán)境中信號的頻率和帶寬一直處于高位增長狀態(tài),加之現(xiàn)代信號處理呈全數(shù)字化趨勢發(fā)展,對寬帶信號的高速采樣需求空前迫切和旺盛。以時間交替采樣與重構、頻率交替采樣與重構為代表的技術手段均可通過多通道并行采樣的方式有效提高系統(tǒng)采樣率,但前者的系統(tǒng)處理帶寬等于單個通道的模數(shù)轉換器件帶寬,寬帶信號的捕獲能力有限;而后者的系統(tǒng)處理帶寬等于所有通道模數(shù)轉換器件帶寬之和,在寬帶甚至超寬帶信號的高速采樣場景中具有明顯優(yōu)勢。同時,頻率交替采樣與重構還避開了時間交替采樣與重構容易受到工作時鐘失配影響的痛點,刺激著新一輪研究熱點的高度聚焦。本文著力于頻率交替采樣與重構技術,對通用型頻率交替采樣與重構模型及提出的改進型頻率交替采樣與重構模型中涉及的實現(xiàn)誤差評估分析、通道失配誤差雜散分析和校準等方面進行了理論研究。仿真驗證對理論研究的結果提供了有力的支撐。同時,深入推導了兩種模型在硬件實現(xiàn)時的優(yōu)化結構,并重點對改進型頻率交替采樣與重構模型進行了硬件環(huán)境測試,測試結果驗證了這種改進型模型的有效性。本文緊密圍繞頻率交替采樣與重構中的關鍵技術展開研究,主要體現(xiàn)在以下幾方面:1)針對通用型頻率交替采樣與重構模型,提出了兩種評估模擬采樣濾波器實際工作頻響的算法:離散傅里葉變換法和互相關運算法。兩種方法均可利用模型中唯一可觀測并獲取的模數(shù)轉換器輸出數(shù)據(jù)計算采樣濾波器頻率響應。不同的是,離散傅里葉變換法需要大量的樣本數(shù)據(jù);而互相關運算法則引入了額外的參考信號,降低了對樣本點數(shù)據(jù)量的要求,速度更快。2)建立了通用型頻率交替采樣與重構模型中通道失配誤差的等效模型,推導了帶有失配誤差的系統(tǒng)輸出頻譜表達式,在正弦激勵條件下對三種通道失配誤差(即偏置誤差、增益誤差和時間誤差)引起的雜散效應進行了定性分析。并根據(jù)多相濾波理論和線性相位FIR濾波器的系數(shù)對稱特性,推導了通用模型中重構過程的低速易實現(xiàn)結構。3)基于信道化思想,提出了一種改進型的頻率交替采樣與重構模型,通過模擬正交下變頻和單一的低通濾波,將信號劃分為多個均勻帶寬的頻帶并搬移至基帶,在量化轉換后,利用對稱的數(shù)字上變頻處理一方面可以恢復模型所需要的總體采樣率,另一方面可將各基帶信號的載波頻率還原至該通道輸入信號的原始狀態(tài),而同時存在的單一數(shù)字低通濾波器,既實現(xiàn)了數(shù)字信號上變頻時的抗混疊功能,也保障了輸出信號的無失真恢復。詳細論述了這種改進模型的工作機理,明確其僅需設計一個模擬采樣濾波器和一個數(shù)字重構濾波器,有效降低了設計復雜度。4)建立了改進型頻率交替采樣與重構模型中通道失配誤差的等效模型,對其存在的三種通道失配誤差進行了獨立性演算,并闡明了其差異性的雜散輸出。分析結果表明,改進模型受增益誤差和時間誤差的雜散影響較通用模型小。圍繞改進模型中的通道失配誤差校準問題,著重分析了一種基于希爾伯特濾波的直流偏置誤差校準方法,無需事先對偏置誤差進行估計,精度更高。5)介紹了一種高效的并行數(shù)字上變頻技術。通過對傳統(tǒng)數(shù)字上變頻處理過程中的低通濾波器和復混頻信號同時進行多相分解,可將濾波操作和正交混頻操作前置于插值操作,有效降低插值提速之前的數(shù)據(jù)處理壓力。6)深入探討了改進型頻率交替采樣與重構模型的硬件實現(xiàn)優(yōu)化。在并行數(shù)字上變頻技術的基礎上,遞進式地演繹了一種改進型頻率交替采樣與重構模型的高效多相DFT模型,進一步降低了數(shù)字重構時的運行速度、濾波器階數(shù),可實現(xiàn)性更佳且不會因通道數(shù)的增加而大打折扣。7)將改進型頻率交替采樣與重構模型在一寬帶中頻采集與處理模塊中進行了實現(xiàn),并進行了硬件驗證。介紹了模塊的硬件構架及各關鍵電路和算法設計,呈現(xiàn)的測試結果驗證了這種改進模型的可行性、有效性和實用性。
【圖文】：

邐ｎ逡逑圖１－１ＴＩＳＲ模型及時鐘信號逡逑從圖１－１可發(fā)現(xiàn)，ＴＩＳＲ模型構建原理簡便，可有效提氋總體采樣率，至今為逡逑止不僅大量學者的研宄推動著ＴＩＳＲ的發(fā)展，，而且許多基于ＴＩＳＲ技術研制的產品逡逑也應運而生。特別是對于國內環(huán)境，在存在集成電路工藝技術不夠成熟及芯片禁逡逑運的限制下，各領域人員主要依靠ＴＩＳＲ技術實現(xiàn)對采樣率的突破。南京大學史建逡逑業(yè)等研宄實現(xiàn)了邋８ＧＳＰＳ／１２ｂｉｔ的ＴＩＡＤＣ系統(tǒng)［２３］；國防科學技術大學ＡＴＲ重點實逡逑驗室實現(xiàn)了邋９．６ＧＳＰＳ／１０ｂｉｔ寬帶雷達接收機［２４］；普源精電使用ＴＩＳＲ技術實現(xiàn)了逡逑１０ＧＳＰＳ采樣率的ＴＩＡＤＣ采樣系統(tǒng)并應用于其ＤＳ／ＭＳ０７０００系列的示波器產品中，逡逑但帶寬僅僅為５００ＭＨｚ［２５］；電子科技大學測試研究所使用ＴＩＳＲ技術實現(xiàn)了高達逡逑１０ＧＳＰＳ采樣率的ＴＩＡＤＣ采樣系統(tǒng)，并應用于數(shù)字三維示波器產品中［２６］。逡逑但是ＴＩＳＲ不可避免地會產生時間相位失配、直流偏置失配、增益失配等通道逡逑間失配誤差［２７＃］，對信號重構的保真度帶來嚴重惡化。圖１－２展示了一個存在通道逡逑失配誤差的四通道ＴＩＡＤＣ系統(tǒng)輸出信號頻譜。因此

ＣＬＫ邋Ｍ－ｌ邋邐ｎ逡逑圖１－１ＴＩＳＲ模型及時鐘信號逡逑從圖１－１可發(fā)現(xiàn)，ＴＩＳＲ模型構建原理簡便，可有效提氋總體采樣率，至今為逡逑止不僅大量學者的研宄推動著ＴＩＳＲ的發(fā)展，而且許多基于ＴＩＳＲ技術研制的產品逡逑也應運而生。特別是對于國內環(huán)境，在存在集成電路工藝技術不夠成熟及芯片禁逡逑運的限制下，各領域人員主要依靠ＴＩＳＲ技術實現(xiàn)對采樣率的突破。南京大學史建逡逑業(yè)等研宄實現(xiàn)了邋８ＧＳＰＳ／１２ｂｉｔ的ＴＩＡＤＣ系統(tǒng)［２３］；國防科學技術大學ＡＴＲ重點實逡逑驗室實現(xiàn)了邋９．６ＧＳＰＳ／１０ｂｉｔ寬帶雷達接收機［２４］；普源精電使用ＴＩＳＲ技術實現(xiàn)了逡逑１０ＧＳＰＳ采樣率的ＴＩＡＤＣ采樣系統(tǒng)并應用于其ＤＳ／ＭＳ０７０００系列的示波器產品中，逡逑但帶寬僅僅為５００ＭＨｚ［２５］；電子科技大學測試研究所使用ＴＩＳＲ技術實現(xiàn)了高達逡逑１０ＧＳＰＳ采樣率的ＴＩＡＤＣ采樣系統(tǒng)，并應用于數(shù)字三維示波器產品中［２６］。逡逑但是ＴＩＳＲ不可避免地會產生時間相位失配、直流偏置失配、增益失配等通道逡逑間失配誤差［２７＃］
【學位授予單位】：電子科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN911.7

【參考文獻】

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本文編號：2605903