RF-ADC后臺(tái)校準(zhǔn)原理及收斂時(shí)間測(cè)量

各位親愛的老鐵們，轉(zhuǎn)眼間，2023年就只剩最后的一個(gè)季度了，相信各位在座的時(shí)間管理大師已經(jīng)在“決戰(zhàn)四季度，大干一百天”的覺悟中瘋狂輸出。今天超強(qiáng)冷空氣殺過來，各位已經(jīng)能感受到什么是真正的寒冬將至。雖然工作時(shí)間緊迫，但是學(xué)習(xí)依然不能落下，今天主要給大家介紹一下RF-ADC后臺(tái)校準(zhǔn)原理及收斂時(shí)間測(cè)量，內(nèi)容實(shí)屬硬核，大家需要慢慢品。

知識(shí)背景介紹

對(duì)于高速數(shù)字信號(hào)應(yīng)用來說，實(shí)現(xiàn)更高采樣率的高精度ADC 的行之有效的方法是采用多通道時(shí)間交織（Time-Interleaved）結(jié)構(gòu)，即使用M 片ADC芯片通過并行交替采樣方式來實(shí)現(xiàn)更高的采樣率。系統(tǒng)采樣率相對(duì)于單片ADC 提升了M 倍。

由于信號(hào)延遲以及制造工藝等原因，各通道間總存在一些非理想因素如偏置失配、增益失配以及時(shí)序失配等，這些失配導(dǎo)致ADC 系統(tǒng)性能下降，因此需要采取校正措施抑制或者消除這類失配。

本文首先介紹TI-ADC的原理及通道間各類失配對(duì)ADC性能的影響；然后測(cè)試并分析RF-VU3P中后臺(tái)校正大致完成時(shí)間，為后續(xù)快速校準(zhǔn)的工作提供理論基礎(chǔ)。

知識(shí)點(diǎn)1：TI-ADC基本原理及誤差分析

本節(jié)首先介紹TI-ADC的工作原理，建立了包含各類通道間失配的失配模型，在此基礎(chǔ)上分析不同失配對(duì)TI-ADC性能影響，為后續(xù)測(cè)試提供理論依據(jù)。

1.1TI-ADC工作原理

時(shí)間交織ADC 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 M次時(shí)間交織ADC陣列及時(shí)鐘方案

系統(tǒng)包含了M 個(gè)并行相同的子ADC(sub-ADC)。每個(gè)sub-ADC都有獨(dú)立的采樣保持器（Sample and Hold），分別對(duì)同一個(gè)模擬輸入信號(hào)x(t)進(jìn)行采樣，相鄰兩個(gè)sub-ADC相位差為2π/M。從整個(gè)時(shí)間交織系統(tǒng)看，輸入信號(hào)x(t)被以 fs=M*fsub 的頻率采樣，系統(tǒng)采樣率提高了M 倍。理想情況下，每個(gè)sub-ADC 的性能完全相同，采樣間隔均勻，整個(gè)ADC系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換速率相對(duì)于sub-ADC 提升M 倍。

現(xiàn)在對(duì)信號(hào)x(t)以系統(tǒng)頻率為fs采樣。理想情況下，相鄰子通道的采樣間隔為MTs，相鄰兩個(gè)子通道ADC 之間采樣的相位差為2π/M，以間隔為MTs的沖激串Pm(t)采樣得到的采樣序列為：

1.2時(shí)間交織ADC失配建模

時(shí)間交織技術(shù)優(yōu)勢(shì)是增加了帶寬，使得頻率規(guī)劃更為輕松，并且可以降低在ADC輸入端使用抗混疊濾波器帶來的復(fù)雜性以及成本。理想情況下，TI-ADC各通道等時(shí)間間隔地采樣數(shù)據(jù)，然而受限于工藝制造技術(shù)等現(xiàn)實(shí)問題，導(dǎo)致各sub-ADC參考電壓不一致，引入偏置誤差；sub-ADC間運(yùn)放的放大倍數(shù)不一致，引入增益誤差；采樣時(shí)鐘的相位間隔不同，引入了時(shí)序失配。

這些失配在輸出頻譜上表現(xiàn)為周期性雜散，降低TI-ADC的SNR及SFDR等動(dòng)態(tài)性能。隨交織通道數(shù)目的增加，通道間失配對(duì)TI-ADC的性能影響越嚴(yán)重。因此需要對(duì)TI-ADC失配誤差進(jìn)行建模，量化各類失配誤差對(duì)TI-ADC的影響。

1.2.1偏置失配

圖2以2路交織采樣為例，展示sub-ADC參考電壓不一致造成的雜散：

圖2 偏置失配

TI-ADC輸出以 fs/M 在M路sub-adc中切換，且由于偏置失調(diào)為直流分量，因此固定在輸出頻譜 ±k*fs/M 處產(chǎn)生雜散，雜散幅度取決于偏置失調(diào)幅度。

1.2.2增益失配

圖3以2路交織采樣為例，展示sub-ADC增益失配造成雜散：

圖3 增益失配

增益失配將會(huì)產(chǎn)生位于 ±(k*fs/M±fin) 處的雜散。校準(zhǔn)過程中為了降低增益失配引入的雜散，將其中一個(gè)sub-ADC作為基準(zhǔn)，調(diào)整其他sub-ADC的增益為與基準(zhǔn)盡可能接近的值。各sub-ADC的增益匹配度越高，該雜散越小。

1.2.3時(shí)序失配

圖4以2路交織采樣為例，展示sub-ADC時(shí)序失配造成雜散。與增益失配類似，時(shí)序失配產(chǎn)生的雜散位于±(k*fs/M±fin) 處。

圖4 時(shí)序失配

1.2.4TI-ADC失配模型

圖5為M通道TI-ADC包含偏置失配、增益失配和時(shí)序失配的失配模型。其中，a0,a1,...,am為各sub-ADC通道的偏置；b0,b1,...,bm 為各通道的增益；r0T,r1T,...rmT為各通道采樣時(shí)鐘偏差，|rm|<1,m=0,1,2,...,M-1。

圖5 M通道TI-ADC失配誤差模型

知識(shí)點(diǎn)2：TI-ADC后臺(tái)校準(zhǔn)時(shí)間測(cè)量

本節(jié)定量分析三類通道間失配對(duì)TI-ADC性能的影響。輸入信號(hào)采用正弦信號(hào)；分析某類誤差時(shí)，將其他兩類失配置零。由上節(jié)失配模型可知，僅存在偏置失配時(shí)，雜散位置位于：±kfs/M ；其他兩類雜散位置位于：±(kfs/M±fin) 。

RF-VU3P中使用校正技術(shù)來降低各類失配帶來的影響，從而實(shí)現(xiàn)高精度高采樣率的TI-ADC。通道間校正分為前臺(tái)校正和后臺(tái)校正兩階段。前臺(tái)校正在RF-ADDA硬核上電過程中ip控制下自動(dòng)完成，本文不做研究；后臺(tái)校正用于校正由溫度等環(huán)境影響引入的通道間失配，共有三種校正算法：偏置校準(zhǔn)(ocb)、增益校準(zhǔn)(gcb)和時(shí)序校準(zhǔn)(tscb)。

RF-VU3P中ocb校準(zhǔn)參數(shù)寄存器不可見。通過抓取后臺(tái)校準(zhǔn)過程中，gcb和tscb系數(shù)的變化曲線，使用失配模型分析后臺(tái)校準(zhǔn)系數(shù)收斂時(shí)間。

2.1RF-VU3P后臺(tái)校準(zhǔn)系數(shù)捕獲

后臺(tái)校準(zhǔn)系數(shù)捕獲及收斂時(shí)間計(jì)算過程：

凍結(jié)校準(zhǔn)；

DAC發(fā)送正弦波；

校準(zhǔn)解凍[start time]；

啟用計(jì)時(shí)器 && 捕獲系數(shù)；

計(jì)算系數(shù)收斂時(shí)間。

圖6 系數(shù)捕獲模塊

RF-VU3P工程基于RFDC example design制作，添加了圖6所示結(jié)構(gòu)捕獲后臺(tái)校準(zhǔn)寄存器系數(shù)。制作了Vitis工程來編寫microblaze的驅(qū)動(dòng)文件，用于和下位機(jī)進(jìn)行命令收發(fā)和數(shù)據(jù)傳遞。

2.2后臺(tái)校準(zhǔn)系數(shù)收斂時(shí)間量化

測(cè)試條件如下：

ADDA采樣率：3932.16MHz；

AXI_Lite時(shí)鐘：57.5MHz；

系數(shù)分辨率：1ms；

輸入信號(hào)：200MHz單音信號(hào)。

2.2.1收斂時(shí)間粗量化

圖7為gcb寄存器系數(shù)隨時(shí)間變化曲線。每個(gè)Tile的ADC共有4個(gè)gcb參數(shù)寄存器，每個(gè)寄存器為32bit。gcb_regN[27:16]為校準(zhǔn)code，gcb_regN[15:0]僅參與系數(shù)收斂計(jì)算，gcb_regN[31:28]恒為0。

圖7 gcb各系數(shù)寄存器系數(shù)隨時(shí)間變化曲線

此處系數(shù)收斂判斷條件是，系數(shù)中的校準(zhǔn)code與最終收斂的校準(zhǔn)code差值小于等于1個(gè)lsb，且持續(xù)時(shí)間大于5個(gè)捕獲周期。此方法評(píng)估gcb系數(shù)收斂時(shí)間為0.68s。

圖8為tscb寄存器系數(shù)隨時(shí)間變化曲線。每個(gè)Tile的ADC共有8個(gè)tscb參數(shù)寄存器，每個(gè)寄存器為32bit。tscb_regN[23:16]和tscb_regN[7:0]為sub-ADC N的校準(zhǔn)code，其余位為0。

圖8 tscb各系數(shù)寄存器系數(shù)隨時(shí)間變化曲線

此處系數(shù)收斂判斷條件是，系數(shù)中的校準(zhǔn)code與最終收斂的校準(zhǔn)code差值小于等于1個(gè)lsb，且持續(xù)時(shí)間大于5個(gè)捕獲周期。此方法評(píng)估tscb系數(shù)收斂時(shí)間為6.22s。

2.2.2收斂時(shí)間模型量化

圖9左圖為基于失配模型計(jì)算得到的SFDR隨單通道tscb校準(zhǔn)code誤差變化曲線，右圖為誤差code=100時(shí)頻率響應(yīng)。

圖9 sfdr隨tscb校準(zhǔn)code變化曲線

圖10左圖為基于失配模型計(jì)算得到的SFDR隨單通道gcb校準(zhǔn)code誤差變化曲線，右圖為誤差code=100時(shí)頻率響應(yīng)。

圖10 sfdr隨gcb校準(zhǔn)code變化曲線

圖11為基于失配模型計(jì)算得到的SFDR隨時(shí)間變化曲線，左側(cè)為tscb，右側(cè)為gcb。由圖可得tscb、gcb收斂時(shí)間和粗量化時(shí)間大致相同。

圖11 基于失配模型得到SFDR隨時(shí)間變化

戰(zhàn)術(shù)總結(jié)

今天主要給各位介紹了RF-ADC后臺(tái)校準(zhǔn)原理及收斂時(shí)間測(cè)量，由于內(nèi)容太硬了，為了方便大家硬飯軟吃，歡迎大家在評(píng)論區(qū)交流討論，一起學(xué)習(xí)進(jìn)步。

審核編輯：湯梓紅