[发明专利]基于FWNN预测网络的流水线结构的模数转换系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种模数转换系统，可用于高速、大动态范围、高信噪比的模拟信号采集。

背景技术

傅里叶变换光谱（FTS）技术是一种以迈克尔逊干涉仪为核心的光谱分析技术，干涉信号的特点在于零光程差附近的信号非常强、最大光程差附近的信号非常弱，信号幅度相差可达100dB以上。

基于FTS的探测技术首先把干涉光经光电转换环节变为微弱的电流信号，再进行信号调理。放大电路包括前置放大，主放和低通滤波电路并具有增益可调功能，主要是为了实现对探测器输出的电信号进行放大并滤除高频噪声，以适应ADC的采样动态范围。根据信号的特性，为获得很高的信噪比，通常需通过高速过采样和数字滤波技术来达到，故对数据采集系统的速度和精度提出了非常高的要求，如采样速度为80MHz、有效位数大于18位等等。

由于FTS技术中，信号动态范围非常大、信噪比要求非常高。受模数转换芯片发展水平的限制，尚没有单片ADC能够满足这种需求，更没有应用于宇航级设备上的芯片产品，一定程度上限制了FTS技术的探测精度。

发明内容

本发明的技术解决问题是：本发明克服现有技术的不足，提供了一种基于FWNN预测网络的流水线结构的高精度模数转换系统，可以在保证高速采样的前提下提高AD系统的有效位数，进而提高系统的转换精度。

本发明的技术解决方案是：基于FWNN预测网络的流水线结构的模数转换系统，包括两个AD转换模块、一个FWNN预测网络、一个DA转换模块、一个延时模块、一个误差放大器和一个数据合成模块，其中：

第一AD转换模块：位宽为M1，对外部输入的模拟信号A1进行数字采样后得到数字信号D1并送至FWNN预测网络；

延时模块：对外部输入的模拟信号A1进行时长为T的延时后得到延时模拟信号A2并送至误差放大器的同向输入端；所述的时长T为第一AD转换模块的模数转换时间、FWNN预测网络的预测时间以及DA转换模块的数模转换时间之和；

FWNN预测网络：利用数字信号D1，采用BFGS训练算法构建FWNN预测模型，并利用FWNN预测模型预测得到模拟信号A1在进行时长为T的延时后对应的数字信号D2并送至DA转换模块；利用误差数字信号Diff_D对构建的FWNN预测模型的参数进行校正，提高FWNN预测模型的预测精度；

DA转换模块：对数字信号D2进行数模转换得到预测模拟信号A3并送至误差放大器的反向输入端；

误差放大器：对延时模拟信号A2和预测模拟信号A3进行误差放大，放大倍数为G，得到放大后的误差模拟信号Diff_A并送至第二AD转换模块，其中G<1/Δ，Δ为FWNN预测网络的相对误差；

第二AD转换模块：位宽为M2，对放大后的误差模拟信号Diff_A进行模数转换得到误差数字信号Diff_D并同时送至FWNN预测网络和数据合成模块，其中N>M1≥M2；

数据合成模块：对数字信号D2和误差数字信号Diff_D进行信号合成，得到M3位的数字信号向外部输出，其中M3=M1+[log₂(G)]-1，其中符号[X]表示取不大于X的最大整数。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明将两个高速低位宽的AD芯片构成一个二级流水线结构，通过FWNN预测网络模块来预测T时刻后的输入信号，进而最小化输入信号与预测信号之间的误差，从而通过高增益的差分放大器，将误差放大后，进行二级AD转换，最后将两级AD转换的数据送入数据合成模块，获得高精度的AD转换数据。本发明结合单片AD芯片的速度优势和FWNN网络的预测功能，采用二级流水线的AD转换结构，构成了AD转换系统，实现了高速高精度的模数转换功能。本发明构成的AD转换系统的转换速度取决于单片AD和DA芯片的速度，可达80MHz～120MHz，系统位宽大于20位，可以满足许多高速、大动态范围、高信噪比的模拟信号的采集领域，尤其是基于FTS技术的干涉信号的数据采集。

附图说明

图1为本发明系统的组成原理框图；

图2为本发明FWNN预测网络模块结构图。

具体实施方式

如图1所示，为本发明模数转换系统的原理框图，主要包括：一个二级流水AD转换结构、一个FWNN预测网络模块、一个DA转换环节、一个延时单元、一个高增益误差放大器和一个数据合成模块。