基于线下估计和线上补偿的时间交错采样ADC失配误差补偿方法

邹应全; 吴太龙; 彭榆淞; 孙一航; 刘宜罡; 张翠芳

doi:10.11999/JEIT180098

引用本文: 邹应全, 吴太龙, 彭榆淞, 孙一航, 刘宜罡, 张翠芳. 基于线下估计和线上补偿的时间交错采样ADC失配误差补偿方法[J]. 电子与信息学报, 2019, 41(1): 226-232. doi: 10.11999/JEIT180098 shu

Citation: Yingquan ZOU, Tailong WU, Yusong PENG, Yihang SUN, Yigang LIU, Cuifang ZHANG. Method for Compensating Distortion Created by Mismatch Errors in Time-interleaved ADCs Based on Offline Estimation and Online Correction[J]. Journal of Electronics and Information Technology, 2019, 41(1): 226-232. doi: 10.11999/JEIT180098 shu

基于线下估计和线上补偿的时间交错采样ADC失配误差补偿方法

西南交通大学信息科学与技术学院成都 611756

作者简介: 邹应全: 男，1976年生，博士，副教授，研究方向为智能信息采集与处理;
吴太龙: 男，1991年生，硕士生，研究方向为智能信息处理与智能控制;
彭榆淞: 男，1990年生，硕士生，研究方向为智能信息处理与智能控制;
孙一航: 男，1994年生，硕士生，研究方向为无线信息传输技术;
刘宜罡: 男，1992年生，硕士生，研究方向为智能信息处理与智能控制;
张翠芳: 女，1961年生，博士，教授，研究方向为智能信息处理与智能控制

通讯作者: 张翠芳,cfzhang_scce@home.swjtu.edu.cn

摘要: 该文提出一种改进的时间交错采样模数转换器(TIADC)失配误差补偿方法。系统通过误差参数和简化的拉格朗日插值算法分别实现了对偏置、增益的失配误差补偿和采样时间的失配误差补偿。该补偿方法在FPGA中采用低复杂度的定点运算实现，在TIADC硬件平台中实现了对多通道ADC采样数据的线上校正。实验结果表明：所提改进方法在仿真环境下使无杂散动态范围提升了51 dB，并且在硬件实现过程中使SFDR优化达45 dB。在保持失配误差估计精度和补偿效果优良的前提下，该方法不仅降低了算法的计算复杂度，而且该补偿结构不受TIADC通道数目的限制。

关键词:

English

Method for Compensating Distortion Created by Mismatch Errors in Time-interleaved ADCs Based on Offline Estimation and Online Correction

School of Information Science and Technology, Southwest Jiaotong University, Chengdu 611756, China

Corresponding author: Cuifang ZHANG,cfzhang_scce@home.swjtu.edu.cn

Received Date: 2018-01-04
Accepted Date: 2018-10-22
Available Online: 2019-01-01

Abstract: A improved method is proposed for compensating the distortion created by mismatches in Time-Interleaved Analog-to-Digital Converters (TI ADCs). The error compensation of offset and gain is realized by error parameters, and the error compensation of sampling time is realized by the simplified Lagrange interpolation algorithm. The compensation method is implemented in FPGA with the low complexity of fixed-point algorithm, and the online calibration of multi-channel ADC sampling data is implemented in the TIADC hardware platform. The experimental results show that the proposed method improves the Spurious-Free Dynamic Range (SFDR) of sampling data up to 51 dB in the simulation environment, and optimizes the SFDR up to 45 dB in the process of hardware implementation. Under the premise of maintaining the error estimation precision and compensation effect, this method not only reduces the computational complexity of the algorithm, but also the compensation structure is not limited by the number of TIADC channels.

Key words:

1. [1]
  BLACK W C and HODGES D A. Time interleaved converter arrays[J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 1980, 15(6): 1022–1029. doi: 10.1109/JSSC.1980.1051512
2. [2]
  PETRAGLIA A and MITRA S K. Analysis of mismatch effects among A/D converters in a time-interleaved waveform digitizer[J]. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 1991, 40(5): 831–835. doi: 10.1109/19.106306
3. [3]
  KUIOSAWA N, KOBAYASHI H, MARUYAMA K, et al. Explicit analysis of channel mismatch effects in time-interleaved ADC systems[J]. IEEE Transactions on Circuits and Systems I, Fundamental Theory and Applications, 2001, 48(3): 261–271. doi: 10.1109/81.915383
4. [4]
  VOGEL C. The impact of combined channel mismatch effects in time-interleaved ADCs[J]. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2005, 54(1): 415–427. doi: 10.1109/TIM.2004.834046
5. [5]
  LOONEY M. Advanced digital post-processing techniques enhance performance in time-interleaved ADC systems[OL]. http://www.analog.com/cn/analog-dialogue/articles/advanced-digital-post-processing-techniques.html, 2017.1.
6. [6]
  BONNETAT A, HODE J M, FERRE G, et al. An adaptive all-digital blind compensation of dual-TIADC frequency response mismatch based on complex signal correlations[J]. IEEE Transactions on Circuits and Systems II, Express Briefs, 2015, 62(9): 821–825. doi: 10.1109/TCSII.2015.2435611
7. [7]
  BONNETAT A, HODE J M, FERRE G, et al. Correlation-based frequency-response mismatch compensation of quad-TIADC using real samples[J]. IEEE Transactions on Circuits and Systems II, Express Briefs, 2015, 62(8): 746–750. doi: 10.1109/TCSII.2015.2433472
8. [8]
  ELBORNSSON J, GUSTAFSSON F, and EKLUND J E. Blind equalization of time errors in a time-interleaved ADC system[J]. IEEE Transactions on Signal Processing, 2005, 53(4): 1413–1424. doi: 10.1109/TSP.2005.843706
9. [9]
  LIU Sujiang, CUI Jiashuai, MA Haixiao, et al. Blind timing error estimation based on the phasic relationship between nonoverlapping frequency points in time-interleaved ADCs[C]. IEEE International Conference on Solid-State and Integrated Circuit Technology, Guilin, China, 2014: 1–3. doi: 10.1109/ICSICT.2014.7021586.
10. [10]
  张尚良, 邹月娴. TIADC高速数据捕获和时间失配补偿的FPGA实现[J]. 数据采集与处理, 2011, 26(5): 601–608. doi: 10.3969/j.issn.1004-9037.2011.05.019
  ZHANG Shangliang and ZOU Yuexian. FPGA implementation of data acquisition and timing mismatch compensation for TIADC system[J]. Journal of Data Acquisition &Processing, 2011, 26(5): 601–608. doi: 10.3969/j.issn.1004-9037.2011.05.019
11. [11]
  刘洋, 刁节涛, 王义楠, 等. 交错采样技术中的失配误差建模与估计[J]. 仪表技术与传感器, 2015, 12: 132–135. doi: 10.3969/j.issn.1002-1841.2015.12.039
  LIU Yang, DIAO Jietao, WANG Yinan, et al. Modeling and identification of channel mismatches in time-interleaved technique[J]. Instrument Technique and Sensor, 2015, 12: 132–135. doi: 10.3969/j.issn.1002-1841.2015.12.039
12. [12]
  SEO M, RODWELL M, and MADHOW U. Generalized blind mismatch correction for two-channel time-interleaved ADCs[C]. IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing, Honolulu, Hawaii, USA, 2007, vol. 3: 1505–1508. doi: 10.1109/ISCAS.2007.378233.
13. [13]
  SCHMIDT C A, COUSSEAU J E, FIGUEROA J L, et al. Efficient estimation and correction of mismatch errors in time-interleaved ADCs[J]. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2016, 65(2): 243–254. doi: 10.1109/TIM.2015.2490378
14. [14]
  ZOU Yuexian, ZHANG Shangliang, LIM Yongching, et al. Timing mismatch compensation in time-interleaved ADCs based on multichannel Lagrange Polynomial Interpolation[J]. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2011, 60(4): 1123–1131. doi: 10.1109/TIM.2010.2085291
15. [15]
  SINDHI S K and PRABHU K M M. Reconstruction of N-th order nonuniformly sampled bandlimited signals using digital filter banks[J]. Digital Signal Processing, 2013, 23(6): 1877–1886. doi: 10.1016/j.dsp.2013.06.004
1. [1]
  徐祥俊, 邹月娴. 基于频域稀疏性的时间交替模数转换器时间相位失配盲测量算法. 电子与信息学报, 2012, 34(9): 2241-2246.
2. [2]
  邓红辉, 闫辉, 肖瑞, 陈红梅. 一种全数字前馈式时间交织模数转换器时间误差后台校准算法. 电子与信息学报, 2019, 41(0): 1-8.
3. [3]
  焦继业, 穆荣, 郝跃, 刘有耀. 面向移动图形顶点处理器的高性能低功耗定点特殊函数运算单元设计. 电子与信息学报, 2011, 33(11): 2764-2770.
4. [4]
  刘凯, 陈贵潮, 陶成, 周涛. 基于混合精度模数转换器的大规模MIMO-OFDM系统性能分析. 电子与信息学报, 2019, 41(11): 2541-2548.
5. [5]
  张鹤玖, 余宁梅, 吕楠, 刘尕. 一种用于时延积分CMOS图像传感器的10 bit全差分双斜坡模数转换器. 电子与信息学报, 2019, 41(6): 1466-1471.
6. [6]
  唐圣学, 何怡刚, 郭杰荣, 李宏民. -插值型A/D转换器的结构优化设计. 电子与信息学报, 2007, 29(7): 1775-1778.
7. [7]
  王兰美, 廖桂生, 王洪洋. 矢量传感器误差校正与补偿. 电子与信息学报, 2006, 28(1): 92-95.
8. [8]
  金圣经, 沈国光, 郭洪德, 张曙之, 刘风荣. 高速高精度A/D转换器. 电子与信息学报, 1981, 3(4): 213-221.
9. [9]
  高志成, 肖先赐. 基于多相滤波结构的分数比采样率转换. 电子与信息学报, 2002, 24(2): 204-209.
10. [10]
  郜参观, 邓云凯, 冯锦. 通道失配对多通道子带合成SAR性能的影响分析与补偿. 电子与信息学报, 2012, 34(1): 154-159.
11. [11]
  林福寅. K波段宽频带同轴波导转换器. 电子与信息学报, 1988, 10(1): 80-84.
12. [12]
  邹翔, 张旻, 钟子发. 基于失配误差正交分解的稳健自适应波束形成. 电子与信息学报, 2010, 32(10): 2320-2323.
13. [13]
  杨超, 阮颖铮. 空间谱估计测向中通道失配与阵元间互耦的一次性补偿. 电子与信息学报, 1995, 17(2): 206-209.
14. [14]
  李芳芳, 仇晓兰, 孟大地, 胡东辉, 丁赤飚. 机载双天线InSAR运动补偿误差的影响分析. 电子与信息学报, 2013, 35(3): 559-567.
15. [15]
  唐智, 周荫清, 李景文. 机载编队飞行InSAR的运动误差分析与补偿. 电子与信息学报, 2005, 27(6): 932-935.
16. [16]
  许进. 极大平面图的结构与着色理论 (4)-运算与Kempe等价类. 电子与信息学报, 2016, 38(7): 1557-1585.
17. [17]
  李建阳, 常文革, 黎向阳. 二阶运动补偿对低频超宽带SAR视线误差补偿的影响. 电子与信息学报, 2011, 33(4): 792-797.
18. [18]
  张玉良, 吴伟陵, 田宝玉. 基于FRM结构的FIR滤波器的采样率变换方法. 电子与信息学报, 2003, 25(8): 1021-1028.
19. [19]
  郑仕链, 杨小牛. 用于调制宽带转换器压缩频谱感知的重构失败判定方法. 电子与信息学报, 2015, 37(1): 236-240.
20. [20]
  张二力, 金佑民. 热离子能量转换器中物理过程的分析. 电子与信息学报, 1984, 6(4): 326-338.

图 1 TIADC采样结构

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图 2 偏置失配和增益失配误差补偿结构图

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图 3 采样时间失配误差补偿结构图

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图 4 采样输出序列频谱对比图

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图 5 Lagrange插值阶数$N$与SFDR、输入信号频率与采样频率比值${f_{\rm{t}}}/{f_{\rm{s}}}$的关系图

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图 6 硬件失配误差补偿结构运算时间仿真图

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图 7 定点运算与浮点运算的失配误差补偿频谱对比图

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图 8 TIADC系统中失配补偿前后输出数据频谱对比图

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表 1 失配误差的真实值与估计值

ADC通道	ADC1	ADC2	ADC3	ADC4	ADC5	ADC6	ADC7	ADC8
G	1.04440	0.95730	0.96170	1.02140	1.00460	0.97110	1.04570	1.02500
$\widehat G$	1.04440	0.95723	0.96150	1.02137	1.00456	0.97081	1.04555	1.02493
O	0.02130	–0.01120	0.04290	0.02940	0.01250	0.02600	–0.03320	–0.03170
$\widehat O$	0.02130	–0.01119	0.04292	0.02940	0.01251	0.02599	–0.03320	–0.03169
T (ps)	0	502	–877	324	–415	1109	757	–496
$\widehat T\; {\rm{(ps)}}$	2	503	–879	324	–417	1112	758	–498

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表 2 本文所改进的误差估计算法与文献[11]和文献[13]中误差估计算法的相对估计误差对比(%)

估计方法	偏置误差的相对估计误差	增益误差的相对估计误差	采样时间误差的相对估计误差
文献[11]	1.416	0.02	1.29
文献[13]	0.3	0.0096	1.28
本文改进方法	0.04	0.03	0.48

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表 3 硬件补偿电路的FPGA片上逻辑资源消耗情况

资源类型	总组合功能	专用逻辑寄存器	18 bit嵌入式乘法器	存储容量
资源消耗情况	111/8256	98/8256	5/18	0/165888

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表 4 偏置、增益和采样时间失配误差估计值

ADC通道	ADC1	ADC2
$\widehat G$	1.061100	1.061900
$\widehat O\;\left( {\rm{V}} \right)$	–0.057000	0.000053
$\widehat T\;\left( {\rm{ns}} \right)$	1.191200	1.424300

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图(8)表(4)

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通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com

1.
沈阳化工大学材料科学与工程学院沈阳 110142

基于线下估计和线上补偿的时间交错采样ADC失配误差补偿方法

通讯作者: 张翠芳,cfzhang_scce@home.swjtu.edu.cn

English

Method for Compensating Distortion Created by Mismatch Errors in Time-interleaved ADCs Based on Offline Estimation and Online Correction

Corresponding author: Cuifang ZHANG,cfzhang_scce@home.swjtu.edu.cn

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