基于压缩采样的单路模拟信号的随机采样集成电路实现方法研究

模拟信号的采集和量化是完成信号获取、处理与传输不可缺少的的关键技术，其性能直接影响到后续信号处理的质量。随着现代信息技术的发展，信号带宽越来越大，数据传输速率与数据量不断增加，对前端的信号采集、模数转换的速度和精度提出了更高的性能要求。精度和速度一直是模数转换（ADC）设计中需要面对的矛盾，也是难以解决的瓶颈问题。压缩采样理论指出，对于可压缩信号而言，可以用低于奈奎斯特采样频率的频率进行采样。将该理论用于对连续时间信号的采集可以达到降低ADC采样频率，实现更高精度的转换、更快速度的传输的目的。本课题研究基于压缩采样方法的单路模拟信号采集电路实现方法及非理想因素对信号采样的影响，研究并实现基于模拟信号存储串行结构和基于多路ΔΣ调制并行结构的两种采样集成电路。包括随机采样、积分以及量化功能，同时具有随机观测矩阵的可控和同步功能以支持后续的数据恢复。

随着现代微电子技术以及通信领域的发展，信息的获取、处理、传输以及存储的数据量都在不断增长。信息从原始的模拟量转换到数字量的过程中，Nyquist采样对数据量及传输速度的约束也越来越明显。过高的采样率会增加电路实现的难度，从而导致量化精度的下降；海量数据的采集也会导致计算量的过分增大以及资源的浪费。压缩采样理论是针对符合稀疏条件的信号提出的一种方法，通过降低采样率，达到提高数据存储及传输速度的目的。.本项目研究一维时变信号的压缩采样技术，并探索硬件实现方法，即压缩采样模数转换器的设计实现。压缩采样模数转换器采用了压缩采样理论和技术，与传统的模数转换器结构相比，在处理具有稀疏特性和可压缩信号时，其中量化器的工作频率可以低于奈奎斯特频率，从而降低了信息的冗余度，也降低了系统关键电路的工作频率，有利于克服高性能模数转换器在高速应用中的技术瓶颈。.本项目的主要研究内容及成果包括：.1..完成了基于多路并行delta-sigma调制器的系统结构及电路设计，包括时钟产生、积分器、量化器和线性反馈移位寄存器等核心电路模块，采用了动态元件匹配等技术；.2..完成了基于逐次逼近模数转换结构（SAR ADC）的并行采样单一量化器的系统结构及电路设计，包括随机控制模块、受控积分模块、乒乓式模拟电压缓存模块、模拟电压缓冲模块和SAR ADC等核心电路模块，该结构使得所有模拟积分的结果依次输入到同一个量化器中，有效减少了量化器间的失配；.3..进行了相关算法的研究，包括对于信号恢复算法的选取、推导、实现及性能评估，提出了适合模数转换器系统的信号恢复算法形式，确定了观测矩阵规模与恢复算法性能之间的关系，针对硬件误差提出了针对采样信号的误差校准方法；.4..在UMC 180nm CMOS工艺下完成了以上两种结构的电路设计、版图设计及后仿真，完成了测试方案的设计、测试PCB电路设计和测试环境的搭建，完成了对芯片及系统的测试，测试结果验证了系统设计及功能的正确性，并依据测试结果对未来工作提出展望。