聶偉，王天明，邱蓉

　　（北京化工大學(xué) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與通信實(shí)驗(yàn)中心， 北京 100029）

     摘要：利用改進(jìn)的完美重構(gòu)方法對多A/D采樣系統(tǒng)的時(shí)鐘偏斜誤差校正方法進(jìn)行了FPGA實(shí)現(xiàn)。采用自頂向下和模塊化的設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了多路采樣數(shù)據(jù)的相位同步模塊、數(shù)據(jù)位置映射模塊、并行多相濾波器組模塊以及多路數(shù)據(jù)合成模塊。對完美重構(gòu)方法中的濾波器組運(yùn)用多相分解技術(shù)將其化為并行結(jié)構(gòu)濾波器組，對輸出數(shù)據(jù)采用流水線結(jié)構(gòu)加法器組進(jìn)行處理，降低了系統(tǒng)運(yùn)算延遲，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。在MATLAB和ModelSim中進(jìn)行仿真，結(jié)果表明了該實(shí)現(xiàn)的正確性和有效性。

　　關(guān)鍵詞：時(shí)間交替采樣；時(shí)鐘偏斜誤差；多相分解；FPGA

0引言

　　在模擬信號采集中采樣速率是其重要指標(biāo)。傳統(tǒng)單一A/D采樣的不足是采樣速率低，不能滿足實(shí)際需求。為提高采樣速率，現(xiàn)多采用時(shí)間交替并行采樣技術(shù)，即TIADC（TimeInterleaved ADC）［14］。但是在多A/D采樣系統(tǒng)中，由于時(shí)鐘抖動(dòng)以及A/D器件的離散性，系統(tǒng)存在時(shí)鐘相位偏斜、增益和偏置誤差，這些誤差都具有隨機(jī)性。

　　在這三個(gè)誤差中，增益誤差和偏置誤差只需簡單運(yùn)算即可消除，而校正時(shí)鐘偏斜誤差卻比較困難［35］。文獻(xiàn)［5］提出的分?jǐn)?shù)延遲濾波器法，需要過采樣，占用很多的輸入信號帶寬；文獻(xiàn)［6］提出了插值法，該方法運(yùn)算量大，難以進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，主要用于離線校正；文獻(xiàn)［7］中提出完美重構(gòu)修正方法，其并行實(shí)現(xiàn)方式可帶來很高的數(shù)據(jù)處理速率；文獻(xiàn)［8］在完美重構(gòu)基礎(chǔ)上利用濾波器多相分解構(gòu)建濾波陣列，對數(shù)據(jù)處理速率進(jìn)行了有效提高。

　　本文在文獻(xiàn)［8］的基礎(chǔ)上，在FPGA中實(shí)現(xiàn)利用改進(jìn)的完美重構(gòu)方法實(shí)時(shí)校正時(shí)鐘偏斜誤差的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)利用FIFO對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存及相位對齊，然后進(jìn)行降速處理并對數(shù)據(jù)位置映射重置，再通過多相分解方法構(gòu)建濾波器陣列對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)，最終將處理數(shù)據(jù)合成輸出。這樣不但有利于實(shí)時(shí)處理，還減少了系統(tǒng)的運(yùn)算量［9］。

1時(shí)間交替并行采樣系統(tǒng)時(shí)鐘偏斜誤差校正方法

　　1.1完美重構(gòu)校正方法原理

　　時(shí)間交替并行采樣對任意波形的采樣示意圖如圖1所示。理想的多A/D器件采樣時(shí)鐘之間有相同的頻率和固定的等間隔相差，但實(shí)際采樣過程中，由于時(shí)鐘抖動(dòng)、傳輸路徑延遲等因素使得各個(gè)通道間相對理想相差存在著一定的相位偏離，從而產(chǎn)生時(shí)鐘偏斜差。

　　時(shí)鐘相位偏差會(huì)引起雜散頻譜，經(jīng)采樣后的輸出信號頻域表示為：

　　其中，As(k,rm)=1M∑M－1m=0e－jω0rme－j(2πmkMTs),M為通道數(shù)。由于時(shí)鐘相位偏差引起雜散頻譜（在頻點(diǎn)2πkMTs±ω0上），現(xiàn)一般用完美重構(gòu)方法來對采樣后的數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，圖2所示是基于完美重構(gòu)方法校正時(shí)鐘相位偏斜誤差的原理框圖。

　　如圖2所示，帶限模擬信號經(jīng)多路A/D并行采樣后將采樣數(shù)據(jù)輸入到濾波器組Fm(z)中，將每路輸出數(shù)據(jù)累加就可以得到重構(gòu)數(shù)據(jù)。圖2中，F(xiàn)m(z)可表示為：

　　其中，m=0,1,...,M－1,fm［k］是其濾波器系數(shù)，可以表示為：

　　式(3)中，di=i·Ts+ΔTiTs，其中Ts為系統(tǒng)采樣時(shí)鐘周期，ΔTi為第i個(gè)采樣通道與第1個(gè)采樣通道之間的時(shí)間偏差，d為常整數(shù)，wi(k)為凱撒窗函數(shù)，通過調(diào)節(jié)其參數(shù)來改變過渡帶大小，降低紋波，2L為濾波器階數(shù)，M為采樣通道數(shù)。

　　1.2改進(jìn)的完美重構(gòu)校正方法

　　為了使完美重構(gòu)校正方法在數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)高速實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)校正，把圖2中的濾波器組用多相結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)?？砂袴m(z)表示為：

　　如圖3所示為濾波器組的多相實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)。

　　它將每一路的重構(gòu)濾波器分解為若干子濾波器，其中Fkm(z)就是Fm(z)的多相分量。圖3中的F(b)(z)是m×m矩陣，可表示為：

　　最終的輸出可表示為：

　　Y(z)=F(b)(z)X(z)(6)

　　其中，

　　X(z)=［X0(z)X1(z)X2(z)...Xm(z)］T(7)

　　Y(z)=［Y0(z)Y1(z)Y2(z)...Ym(z)］T(8)

　　這里的X(z)是該系統(tǒng)的輸入序列，Y(z)是X(z)經(jīng)過多相結(jié)構(gòu)濾波器組校正后的輸出序列。

　　2校正系統(tǒng)的FPGA設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

　　2.1校正系統(tǒng)的FPGA設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

　　本設(shè)計(jì)選用Altera公司CycloneII系列的EP2C5芯片，采用原理圖與VHDL（VeryHighSpeed，Integrated Circuit Hardware Description Language）進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。軟件環(huán)境采用QuartusII，仿真工具為Modelsim。

　　利用前面介紹的改進(jìn)方法在FPGA中進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件，設(shè)A/D通道數(shù)為4路，每路A/D轉(zhuǎn)換精度為12位，每個(gè)通道的采樣速率為50 MHz，系統(tǒng)最高采樣頻率200 MHz，輸入信號頻率為12.5 MHz。

　　根據(jù)參數(shù)及數(shù)據(jù)降速要求，現(xiàn)給出如圖4所示的時(shí)間交替并行采樣時(shí)鐘偏斜誤差校正電路的總體設(shè)計(jì)框圖。

　　如圖4所示，帶限模擬信號xin(t)同時(shí)輸入到4個(gè)采樣時(shí)鐘相位依次相差90°的A/D進(jìn)行采樣，然后將A/D的輸出數(shù)據(jù)x0［n］、x1［n］、x2［n］、x3［n］送入FPGA進(jìn)行數(shù)字處理。FPGA主要由數(shù)據(jù)緩存同步模塊、數(shù)據(jù)映射模塊、多相濾波器組、數(shù)據(jù)合路模塊以及時(shí)鐘產(chǎn)生模塊組成。

　　2.2校正系統(tǒng)各模塊詳細(xì)設(shè)計(jì)

　　2.2.1數(shù)據(jù)緩存同步模塊的設(shè)計(jì)

　　圖5四個(gè)通道寫時(shí)鐘的控制結(jié)構(gòu)圖在該模塊中采用四個(gè)FIFO來完成數(shù)據(jù)緩存和數(shù)據(jù)相位對齊，其中每個(gè)FIFO的寫時(shí)鐘與它對應(yīng)通道的采樣時(shí)鐘一致。如圖5所示，WEN為寫使能信號，Wclk0、Wclk1、Wclk2、Wclk3分別是四個(gè)采樣通道對應(yīng)的寫時(shí)鐘，為使從4個(gè)FIFO中讀出的數(shù)據(jù)同步并且保證第一個(gè)數(shù)據(jù)是從FIFO0中讀出的，故在寫使能信號有效之后用Wclk3作為同步的讀時(shí)鐘。

　　2.2.2數(shù)據(jù)映射模塊設(shè)計(jì)

　　此模塊主要完成串并轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)順序重置。串并轉(zhuǎn)換的本質(zhì)就是移位寄存并行讀出的過程，該模塊實(shí)現(xiàn)比較簡單，每個(gè)通道只需要利用4個(gè)D觸發(fā)器外加計(jì)數(shù)器即可。需要注意的是，輸出數(shù)據(jù)是按照采樣的先后順序進(jìn)行合成，所以第一路輸入數(shù)據(jù)經(jīng)串并轉(zhuǎn)換后四路輸出數(shù)據(jù)應(yīng)為x0,x4,x8,x12；同理，得到其他三個(gè)通道共16路數(shù)據(jù)。

　　2.2.3多相濾波器組的設(shè)計(jì)

　　該模塊設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是多相濾波器的參數(shù)，其電路實(shí)現(xiàn)比較簡單。根據(jù)提供的時(shí)鐘相位誤差信息，在MATLAB中仿真確定濾波器的階數(shù)為64。

　　利用式(3)可以計(jì)算出4個(gè)A/D通道每個(gè)通道對應(yīng)的濾波器組的系數(shù)，對這16個(gè)濾波器的系數(shù)進(jìn)行多相分解，得到16×16=256個(gè)子濾波器的系數(shù)，每個(gè)系數(shù)不為零的子濾波器的階數(shù)都是4。

　　此16×16的濾波器陣列由式(5)可以表示為：

　　其中，每個(gè)元素Fj,i(z)代表一個(gè)子濾波器，可以由濾波器組里的Fi(z)計(jì)算得到，即：

　　式(10)中，F(xiàn)i(z)代表每個(gè)通道的重構(gòu)濾波器，式(11)中，fi［j+16·m］為濾波器系數(shù)，可以根據(jù)式(3)進(jìn)行計(jì)算。依照式(6)，濾波校正過程可表示為：

　　其中，Xi(z)表示16路輸入數(shù)據(jù)，Yi(z)表示濾波后的16路輸出數(shù)據(jù)。

　　分析可得，這個(gè)16×16的濾波器陣列只有3/4的濾波器系數(shù)不為零，故只需在FPGA中實(shí)現(xiàn)192個(gè)子濾波器即可。

　　依照式(12)，在圖6中給出了校正濾波器陣列數(shù)據(jù)流的示意圖，在FPGA中易于實(shí)現(xiàn)。每個(gè)輸出數(shù)據(jù)流由16個(gè)濾波器的輸出相加得到，在FPGA中用流水線型加法器組實(shí)現(xiàn)16輸入加法。

　　2.2.4數(shù)據(jù)合路模塊的設(shè)計(jì)

　　數(shù)據(jù)合路模塊的功能是實(shí)現(xiàn)16路12 bit的數(shù)據(jù)到1路12 bit的數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。該模塊工作輸入時(shí)鐘為12.5 MHz。由于最終16路數(shù)據(jù)串行輸出需要200 MHz時(shí)鐘，故通過PLL對系統(tǒng)輸入時(shí)鐘倍頻，再用一個(gè)4 bit計(jì)數(shù)器作為選通信號來完成合路。

3仿真及性能分析

　　3.1數(shù)據(jù)緩存同步模塊仿真

　　采用圖4結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生4個(gè)相位相差90°的輸入時(shí)鐘，每路輸入數(shù)據(jù)均為兩個(gè)12 bit數(shù)循環(huán)輸入。在QuartusII環(huán)境下進(jìn)行VHDL實(shí)現(xiàn)，在Modelsim中對該模塊進(jìn)行仿真，得到圖7所示仿真波形。

　　圖7中，4路數(shù)據(jù)data0~data3分別按照各自對應(yīng)通道的時(shí)鐘wclk0~wclk3進(jìn)行輸入操作，每個(gè)通道的時(shí)鐘相位依次相差90°，4路輸出數(shù)據(jù)q0、q1、q2、q3是在同一個(gè)讀時(shí)鐘rclk下讀取輸出，它們之間無相位差，rclk與wclk3頻率相位一致，可以看出該模塊程序?qū)崿F(xiàn)了緩存同步功能，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

　　3.2數(shù)據(jù)合路模塊仿真

　　此模塊需要把誤差處理模塊中的并行數(shù)據(jù)按照順序高速串行輸出，按照前面設(shè)計(jì)要求，在一個(gè)輸入數(shù)據(jù)周期內(nèi)串行輸出16個(gè)數(shù)據(jù)。用VHDL語言描述數(shù)據(jù)合路模塊并進(jìn)行仿真，其結(jié)果如圖8所示。

　　圖8數(shù)據(jù)合路模塊仿真波形圖圖8中，clk_in為輸出時(shí)鐘，它是經(jīng)過對系統(tǒng)輸入時(shí)鐘倍頻得到的，cnt是為了方便觀察引出的計(jì)數(shù)端口，輸出端y_out將16路并行輸入數(shù)據(jù)y0~y15進(jìn)行了串行輸出，輸出16個(gè)數(shù)據(jù)所需的時(shí)間與輸入端單個(gè)數(shù)據(jù)周期相同，輸入數(shù)據(jù)順序與輸出數(shù)據(jù)順序一致，說明該模塊設(shè)計(jì)正確。

　　3.3多相濾波器組MATLAB與Modelsim聯(lián)合仿真

　　由于在ModelSim中只能進(jìn)行時(shí)域數(shù)據(jù)波形仿真，無法看到頻域變化，故采用ModelSim和MATLAB聯(lián)合仿真。設(shè)置4個(gè)通道時(shí)鐘偏斜誤差分別為［0,-0.01,0.02,0.01］Ts，［0,-0.03,0.03,0.02］Ts，［0,-0.05,0.05,0.05］Ts三種情況。

　　在用VHDL實(shí)現(xiàn)了誤差校正模塊后，在Modelsim中對該模塊進(jìn)行仿真。按照仿真步驟，將MATLAB生成的正弦波采樣數(shù)據(jù)送給ModelSim，得到未經(jīng)校正的輸入信號和校正后的輸出信號，截圖如圖9所示。

　　從圖9中可以看到，經(jīng)過該模塊輸出的正弦波相對于輸入波形只是增加了延時(shí)，而輸出的幅值基本不變，這是由濾波器引起的。在此圖中從時(shí)域波形不能夠看出該模塊的校準(zhǔn)性能。為了驗(yàn)證濾波器的校準(zhǔn)功能，將輸出信號導(dǎo)入到MATLAB中進(jìn)行測試，得到校準(zhǔn)前后信號頻譜如圖10~12所示。

　　從校正前和校正后的頻譜可以看出，時(shí)間偏斜誤差越大，雜散頻譜幅度越高，此時(shí)該校正系統(tǒng)依舊能夠?yàn)V除雜散頻譜，保證采樣的均勻性。

4結(jié)束語

　　本文對改進(jìn)的時(shí)間交替并行采樣時(shí)鐘偏斜誤差校正方法進(jìn)行FPGA設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)，在Modelsim中仿真表明各模塊均能達(dá)到相應(yīng)功能要求；在MATLAB仿真測試中可以看到，在不同時(shí)鐘偏斜誤差參數(shù)下，未濾波時(shí)相應(yīng)雜散頻點(diǎn)幅度隨誤差參數(shù)變化，誤差越大，雜散頻譜幅度越大，而經(jīng)多相濾波陣列后均能夠有效濾除雜散頻譜，說明該方法正確有效，可以應(yīng)用于需要多A/D采樣的儀器前端。

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