[发明专利]单一ADC采集通道动态特性测试方法

说明书

一种单一ADC采集通道动态特性测试方法，属于电子测量领域。测试流程为对激励信号进行采样，获得观测样本；确定频率搜索边界，频率选择点，计算频率选择点对应的最小二乘残差，确定基频信号的模型；估计信噪谐波比SINAD和有效位数ENOB；构建残差序列矩阵，计算其协方差矩阵，进行特征分解，在相应谱峰的邻域搜索计算谐波频率，估计谐波幅值；估计信号非谐波比SNHR、无杂散动态范围SFDR和总谐波失真THD。本发明首次采用时‑频域分析与空间谱分析相结合的方法，准确估计观测样本中包含的激励信号，噪声成分以及谐波失真成分，能有效改善频谱分析存在的频谱泄露和栅栏效应，算法估计精度高，运算量小，便于硬件实现。

技术领域

本发明属于电子测量领域，具体涉及一种对单一ADC采集通道动态特性测试方法。

背景技术

采集电路在动态工作过程中，由于采样时钟的不确定性，采集电路中存在的非线性元器件、模数转换的量化误差以及谐波失真等因素，导致电路在模数转换过程中会产生各种误差。采集通道动态参数测试与评估就是对这些误差项定量的表征。采用正弦波信号对采集通道的动态特性测试算法主要有两类：一类为非参数法，典型算法是离散傅里叶变换(Discrete Fourier Transform，DFT)以及其快速实现算法快速傅里叶变换(FastFourier Transform，FFT)。另外，还包括有小波变换(Wavelet Transform，WT)，希尔伯特-黄变换(Hibert-Huang transform)以及Chirp Z变换也被用于分析正弦信号谐波参数。在信噪比条件较差或是小样本条件下，由于存在频谱泄露和栅栏效应，FFT频谱估计精度低。另一类为参数法，例如极大似然估计法(Maximum Likelihood Estimation,MLE)，非线性最小二乘估计(Nonlinear Least Square,NLS)方法，正弦拟合算法(Sine Fitting)，基于模型的功率谱估计方法，以及基于子空间特征分解的高分辨率谱估计。

已有文献表明，朱仕银等人在《北京理工大学学报》发表的“改进的数据采集系统性能测试的正弦拟合法”，提出了一种基于正弦拟合的采集电路性能测试算法，该方法最多只考虑信号中的三次谐波失真成分，设置拟合目标函数为基波的幅度A_v1、角频率ω、相位二次谐波和三次谐波的幅度A_v2，A_v3、相位共七个参数的函数。该算法的估计结果需要确保预置的基波幅度A_v1与角频率ω与真实值在非常接近的前提下，通过多次迭代过程，调整其他参数才能够获取较高的估计结果。对于激励正弦信号的频率参数未知的情况下，很难准确估计信号中包含的谐波成分。王慧等人在《电子学报》发表的“测试高分辨率ADC有效位数的HHT方法”拟合出激励信号的基波和谐波参数，得到待测ADC的有效位数ENOB。该算法与传统的四参数正弦拟合算法相比省去了需要对初始频率进行严格选择的限制，但是需要进行多次重复筛选，算法计算量和复杂度高。

现有技术的不足之处是，实际的采样过程大多为非相干采样，对正弦信号量化输出样本进行直接进行FFT频谱分析，会出现频谱泄露和栅栏效应，频率分辨率低。增加样本观测长度能在一定程度上提高频谱分辨率，但无法解决根本问题，并且导致算法计算量增加和硬件存储成本增加。并且在频率参数无法精确已知的情况下，传统的四参数正弦拟合算法为非线性迭代问题，若初始频率参数选取不当，迭代次数多，最终可能会导致算法局部收敛甚至发散。此外基于小波变换的参数估计，估计精度取决于母波的选择，并且无法直接估计谐波信号参数。

发明内容

发明目的：本发明旨在提供一种单一ADC采集通道动态特性测试方法，可以有效克服现有技术中存在的缺点。

本发明是这样实现的，其特征是包括如下步骤：

(1)对激励信号进行采样，获得观测样本x(n)：

(1.1)设对待测的单一ADC采集通道施加具有一定幅值特征和频率特征的单音正弦信号，波形为：