[发明专利]一种基于双曲正切函数的流水线ADC变步长LMS校准系统

说明书

本发明请求保护一种基于双曲正切函数的流水线ADC变步长LMS校准系统，包括待校准ADC，降频器，低速高精度ADC，LMS自适应滤波器和减法器。在传统LMS算法的基础上，引入双曲正切函数tanhx，通过建立步长与误差的非线性关系，u(n)＝αu(n‑1)+β²tanh(e(n‑1))，根据误差信号大小实时更新步长；同时在抽头权系数更新时增加一个与误差有关的扰动因子r(n)，抵消部分过大的迭代增量，减小抽头权系数的振荡幅度。待校准ADC的输出端与变步长LMS自适应滤波器的输入端相连，输出通过降频器降频后与减法器的一个输入端相连，减法器的另一个输入与低速高精度ADC的输出端相连接，输出端与滤波器的控制端相连，使得待校准的流水线ADC的输出逐渐逼近低速高精度ADC的输出。具有校准精度高，收敛速度快等优点。

技术领域

本发明属于模拟集成电路设计技术领域，特别涉及一种基于双曲正切函数的流水线ADC变步长LMS校准算法。

背景技术

随着现代无线通信技术和信号处理技术的发展，模数转换器被广泛的用于通信系统、生物医学系统以及数字成像系统中。然而工艺技术的发展和需求的不断提升，当ADC的精度达到10位以上时，由于电容的不匹配、运算放大器的有限增益、电荷注入、比较器失调，以及工艺误差等各种误差验证限制了ADC的性能，传统的模拟电路设计已经很难突破这个精度的瓶颈。所以在高速、高精度ADC的设计中都会采用校准技术。校准技术按实现手段可以分为数字校准技术和模拟校准技术。数字校准技术按是否会影响正常输出的工作特点可以分为前台校准和后台校准，相对于模拟校准技术来说，数字校准技术灵活度较高，不会带来额外的模拟电路模块，通过把电路中失配误差在数字领域描述，然后再数字领域通过一定的校准对其进行调整，调整到正常值而不关心模拟领域的数值，是目前用的比较多的校准技术，在一定程度上代表了ADC的发展方向。

数字后台校准技术在流水线ADC上应用广泛，一般需要用到自适应滤波算法。在几种自适应滤波算法中，LMS算法用平方误差代替均方误差求最小梯度，不需要计算有关的相关函数也不需要计算逆矩阵，具有算法简单，运算效率高等优点，从而广泛应用于流水线ADC的数字校准中。

传统用于流水线ADC校准的LMS算法采用固定步长更新抽头权系数的方式，不能同时满足快速收敛和小稳态误差的要求，使得收敛速度和失调精度上有较大的矛盾，即步长较大时，收敛速度较快，但失调比较大；步长较小时，失调较小，但收敛速度较慢。

传统用于流水线ADC校准的变步长LMS算法如一种符号变步长LMS算法(SVSS-LMS)及系统，是通过引入符号函数sign更新步长因子u(n)，从而更快的通过误差进行权值更新。抽头权系数更新时如果迭代增量过大会产生抽头权系数在最优值附近反复振荡、拖慢收敛速度的情况。假设上一时刻抽头权系数值Wn-1小于Wopt，此时输出信号小于参考信号，e(n-1)大于0，这样符号函数输出值为1，增加瞬时步长，所以Δ1＝u(n-1)e(n-1)x(n-1)＞0，当Δ1较小时则有W(n)＝W(n-1)+Δ1＞W(n)；仍然小于Wopt并且从负的方向靠近Wopt；但是Δ1较大时，在W(n-1)上叠加的增加量过大，W(n)可能会大于Wopt，且比W(n-1)离Wopt更远；这种情况可能会反复出现，使得抽头权系数在最优值附近振荡，收敛速度减慢。

本发明引入双曲正切函数tanhx，通过建立步长与误差的非线性关系，u(n)＝αu(n-1)+β²tanh(e(n-1))，根据误差信号大小实时更新步长；同时在抽头权系数更新时增加一个与误差有关的扰动因子r(n)，抵消部分过大的迭代增量，减小抽头权系数的振荡幅度。加入扰动因子后，如果当前迭代得到e(n)e(n-1)＜0且W(n-1)小于Wopt，e(n-1)大于0，Δ1＝u(n-1)e(n-1)x(n-1)大于0，即下一时刻的抽头权系数更新为W(n)＝W(n-1)+Δ1+Δ2，因为e(n)e(n-1)＜0，r(n)＜0，Δ2＜0，变化趋势与Δ1相反；设置|Δ2|＜|Δ1|，所以|Δ1+Δ2|＜|Δ1|，即加入了扰动因子后避免因Δ1很大时出现W(n-1)离Wopt更远的情况，减下了抽头系数在最优值范围附近振荡的记录，提高了收敛的速度。