基于物理约束条件扩散框架的高频 ADC 非线性失真补偿方法

《Scientific Reports》：Nonlinear distortion compensation for high-speed ADC using a diffusion model

　　

摘要

为了解决由采样开关和前端放大器的非线性、时钟抖动以及高频模数转换器（ADC）中的频率耦合引起的幅度/相位失真和互调失真问题，本文提出了一种基于物理约束的条件扩散框架，用于补偿ADC中的非线性失真。该研究采用一维时间序列Temporal-UNet作为去噪主干网络，并通过条件编码器将校准后的硬件参数向量与抖动频谱估计融合在一起。FiLM用于将条件信息注入残差块，以指导渐进式逆扩散过程。在逆向过程的每一步中，都会嵌入基于记忆多项式物理正向模型的数据一致性投影。采用高斯-牛顿近似解，并结合STFT（短时傅里叶变换）-L1和频谱收敛项来约束网络输出，从而抑制互调和相位失真。最后，在部署阶段，通过少步确定性采样、渐进式精炼、模型剪枝和量化等方法实现低延迟工程实现。并行多样本不确定性估计和轻量级在线微调确保了方法的可适应性和可靠性。基于混合仿真和实验数据集的全面评估表明，在10 MHz至450 MHz的输入频率范围内、0.1至1.0满量程的标准化输入幅度范围内，以及未补偿情况下满量程高频输入时的ENOB（有效位数）为4.37比特的情况下，所提出的方法在300 MHz以上的高频带内能够将总谐波失真（THD）和互调失真（IMD）分别抑制约73.04%和78.15%。有效位数（ENOB）增加了3.21 ± 0.16比特，信噪失真比（SNDR）增加了11.07 ± 0.76 dB，杂散自由动态范围（SFDR）增加了9.57 ± 0.99 dB。实验结果表明，该方法能够在不同频率带和复杂操作条件下实现高保真信号重建，为高速ADC系统中的精确测量和通信链路优化提供了可靠的技术方案。