[发明专利]一种基于旋转矩阵的并行交替采样系统误差估计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种并行交替采样系统误差估计方法，尤其是涉及一种基于旋转矩阵的并行交替采样系统误差估计方法。

背景技术

随着数字信号处理技术应用范围的不断扩大，所需要处理信号的频带宽度（简称带宽）范围也越来越大。从信号带宽方面考虑，信号可以分为窄带信号、宽带信号和超宽带信号三类。窄带信号在大多数情况下用单个ADC转换芯片进行采样便可达到高精度的目的；在满足采样定理的前提下，宽带信号一般也可用单个高速率ADC转换芯片进行采样，但一般精度较低，不能进行高精度采样，无法满足大动态范围的使用要求，且电路的硬件成本较高；而对于超宽带信号，在满足采样定理的前提下，现有条件一般很难用单个ADC转换芯片进行采样。

因而，对于宽带信号和超宽带信号（信号带宽在几十兆至几百兆甚至上千兆）来说，用单个ADC转换芯片在满足采样定理和不满足采样定理的前提下，要实现信号的高精度采样和重构都是难于达到目的的。若利用数字信号处理的理论和方法，用多个低速率、高精度的ADC转换芯片构成一个多通道采样系统，在一定条件下，可以实现信号的高精度采样和信号的实时重构。依据信号处理的基本理论，对于M个通道的采样系统来说，系统要求每个ADC转换芯片的最低无失真采样频率是采用单个ADC转换芯片进行采样的1/M，随着对ADC转换芯片采样速率要求的大幅度降低，使信号带宽与采样速率之间的矛盾得到了很大的改善。实际使用过程中，上述多通道采样系统一方面在保持ADC转换芯片采样速率不变时，可以将系统允许输入的最大信号带宽提高为单个ADC转换芯片采样时的M倍；另一方面，在保持系统允许输入的最大信号带宽不变时，可以采用低速率、高精度的ADC转换芯片对输入信号进行采样，达到以M个低速率、高精度采样序列重构出信号的高速高精度采样序列的目的，解决采样速率与采样精度之间的矛盾。现代雷达、通信等信号处理系统，通常要求直接对天线接收信号进行数字化后再进行处理。对于宽带信号而言，这要求ADC转换芯片具有很高的转换速率，然而其采样速率每增加一倍，量化精度就要近似下降一位，从而导致动态范围下降约6dB；而且采样时钟的稳定性也将随着采样速率的提高而下降，这将加剧孔径抖动从而使信噪比降低，成本也会急剧增加。

并行交替采样技术，即前端利用多片ADC转换芯片并行逐次采样，后端串行多路复用，可以有效解决采样速率与信号带宽以及采样速率与采样精度之间的矛盾。但是，由于其依赖于各通道间的精确配合，相对于单通道采样，存在更多的系统误差。首先，各通道ADC转换芯片之间的增益和偏置难以做到严格的一致；其次，并行通道之间的采样时钟相位在现有技术条件下也无法实现精确控制（时基偏差）。因此，多通道系统误差将导致采样波形非线性失真，降低系统性能。

针对以上问题，大量文献提出了不同的系统误差估计方法，如信号谱分析法、相关法、参数模型法、盲估计法等，但信号谱分析法、相关法和参数模型法大多都要求频谱纯净的已知激励信号作为校正源，估计过程复杂，且误差参数变化后需重新校正；而盲估计法虽无需特殊激励信号，但需要多次迭代且不易收敛，计算量较大。

2009年《电子学报》37(10):2298-2301中由田书林、潘卉青、王志刚发表的《一种并行采样中的自适应非均匀综合校准方法》一文和2010年《电子测量与仪器学报》24(1):34-38中由潘卉青,田书林,叶芃等发表的《一种并行交替采样中时基非均匀信号自适应重构方法》一文中提出了利用自适应控制技术、利用最小均方误差准则将失配误差估计转化为多维非线性优化问题，分别对时基误差、增益误差以及偏置误差进行迭代的方法。但由于该方法未考虑噪声的影响，在低信噪比条件下估计精度将会下降，另外在迭代过程中容易陷入局部极小点。2012年09期《系统工程与电子技术》中由马仑、廖桂生、卢丹发表的《基于子空间投影的并行交替采样系统误差估计》一文中提出了一种基于子空间投影技术的并行交替采样系统误差估计方法，该方法对每一通道的采样数据分别进行傅立叶变换处理后（由于采用低速率ADC转换芯片对宽带信号采样，单个通道采样数据将产生频谱混叠），把多通道频域采样输出看作阵列输出，利用多通道时延对应的频域线性相位矢量与由采样数据得到的噪声子空间的正交特性估计通道失配误差。但是，由于在估计过程中需要进行迭代，同样面临计算量大以及容易陷入局部极小点等困难。

综上，目前所采用的并行交替采样技术还不够成熟和完善，并且现有的并行交替采样系统误差估计方法均不同程度地存在估计过程复杂、需要多次迭代且不易收敛、计算量较大、容易陷入局部极小点等缺陷和不足。

发明内容