CN100449936C - 修正相位的正交调制器系统与方法 - Google Patents

Abstract

介绍了一种产生经相位修正的M-QAM信号的系统和方法。在一个实施方案中，相位修正的M-QAM调制器包含用于动态调节两个载波信号之间的相位关系的反馈回路，该相位关系是两个载波信号的相位关系与I和Q输入信号的相位关系之间的差值的函数。在另一实施方案中，从第一载波信号通过相位偏移电路得到第二载波信号，其中施加到第一载波信号的相位偏移量是包括QAM输出信号的两个分量信号的相位关系与I和Q输入信号的相位关系之间的差值的函数。

Description

修正相位的正交调制器系统与方法

技术领域

本发明涉及一种用于产生正交调幅(QAM)信号的系统和方法。尤其是，本发明涉及一种用于动态地产生经相位修正的正交调幅信号的系统和方法，经相位修正的正交调幅信号是其两个分量信号的相位关系与两个输入信号的相位关系之间的差值的函数，这两个输入信号通常被称为“I”信号和“Q”信号。

背景技术

尽管本发明的系统和方法不仅仅局限于无线通信系统，但QAM调制器的一种应用就是在无线通信系统中使用。常规的QAM调制器通常接收一个同相信号(I信号)和一个正交信号(Q信号)，它们都包含要向接收机传送的数字数据和第一载波信号。I信号和Q信号彼此之间相位通常偏移90°。第一载波信号通常通过相移电路将其相位偏移90°，从而产生第二载波信号。使用I信号调制第一载波信号，从而产生第一分量信号，使用Q信号调制第二载波信号，从而产生第二分量信号。通常，将第一分量信号和第二分量信号相加就产生正交调幅输出信号，该信号可经无线或有线系统发射到接收机。

QAM调制器的输出在特征上是当从I-Q平面来看时是信号点的一个星座图。该信号星座图中任何两点之间的最短距离(d_min)可被视为该通信系统因噪声影响而质量下降的敏感度的度量。通常，噪声会导致接收机错误地解释接收到的数据，由此增加该系统的比特差错率，并导致重发错误接收到的位。比特差错率越高，就需要更多次数的重发，从而该通信系统实现的数据吞吐量越低。增加数据吞吐量的方法之一是增加调制级数，但是，随着调制级数的增加，就会使信号星座图产生更多点，导致信号星座图的d_min值越小，因而增加该通信系统对噪声的敏感度。

理想的状况是调制器中第一载波信号和第二载波信号之间的相位偏移为90°，对于一个给定调制级及相关的信号星座图来说，此时d_min值最大。但是，在实际的系统中总会存在一些相位不均衡，也就是说，两个载波信号的相位关系不是相差90°，这使信号星座图的d_min值变小。

典型的现有技术系统试图用各种方法来解决相位不均衡的问题。其中一种现有技术系统和方法是获取特定通信系统的相位不均衡特征，然后将两个载波信号中的一个载波信号与一个常量静态相乘，从而补偿这种相位不均衡特征。这种方法存在的问题是相位不均衡可能会随非恒定因素发生变化，比如周围环境的温度。此外，这些现有技术系统和方法只有在相位不均衡相对较小时才有效。另一种现有技术系统和方法试图在一个开环反馈系统中，按照与某些测量参数，如周围环境温度的函数关系调整输入到QAM调制器中的一个或两个输入信号的电平。这种开环控制系统可以提供有限程度的控制，但这种系统因为需要使用CPU、内存和附带电路导致通常增加了QAM调制器的复杂度和成本。所得到的控制程度实际上只相当于CPU中的程序。

而另一种现有技术系统使用基于中频(IF)的部件，利用数字技术来修正相位不均衡。这种系统也因为使用额外的中频(IF)部件如CPU、上变频器和多个滤波级等等而增加了额外的复杂度和费用。另一种典型的现有技术系统和方法另外试图对由于周围环境温度改变导致的相位不均衡进行补偿，它通过一个预定量来补偿一个或两个载波信号。这种系统因为使用温度测量设备和伴随的信号处理硬件和软件而需要额外的复杂度和成本。

发明内容

本发明的一种实施方案避免了现有技术存在的问题和局限性，它通过提供反馈回路动态地控制施加到载波信号的相位偏移量，该偏移量是包含QAM输出信号的两个分量信号的相位关系与I和Q信号的相位关系之间的差值的函数。本发明系统在现有的工作条件下，仅仅增加了几个简单、廉价的部件，就实现了动态、闭环控制。

因而，本发明的目的之一是避免上述现有技术存在的许多问题和局限性，提供一种产生经相位修正的QAM输出信号的新颖系统和方法。

本发明的另一个目的是提供一种控制施加到载波信号的相位偏移量的新颖系统和方法，该相位偏移量是包含QAM输出信号的两个分量信号的相位关系与I和Q信号的相位关系之间的差值的函数。

本发明的另一个目的是提供一种产生误差信号的新颖系统和方法，误差信号是QAM调制器中输入和输出信号之间的相对相位不均衡的函数，其中，误差信号被用于对QAM调制器中两个载波信号之一进行相位修正。

本发明的另一个目的是为工作在射频(RF)范围的相位修正的M-QAM调制器提供一种新颖的系统和方法。

本发明的另一个目的是提供一种新颖的系统和方法来产生代表I和Q输入信号的经相位修正的QAM信号，其中I信号调制第一载波信号，Q信号调制第二载波信号，第二载波信号通过将第一载波信号施加到一个或多个相移电路产生的。

本发明的另一个目的是提供一种包含反馈回路的新颖的M-QAM调制器，反馈回路动态地调节两个载波信号之间的相位关系，该相位关系是两个载波信号的相位关系与I和Q输入信号的相位关系之间的差值的函数。

本发明的另一个目的是提供一种在相位修正的QAM调制器中产生QAM信号的新颖系统和方法，其中一个载波信号是通过将另一个载波信号施加到至少一个相移电路中得到的，其中施加的相位偏移量是第一信号和第二信号之间的相位差的函数，第一信号代表包含QAM输出信号的两个分量信号的相位关系，而第二信号代表输入到QAM调制器中的两个输入信号的相位关系。

本发明还有一个目的是提供一种新颖的系统和方法，提供闭环反馈控制，对为了产生第二载波信号而施加到第一载波信号的相位偏移量进行动态控制，其中施加的相位偏移量是包含QAM输出信号的两个分量信号的相位关系与两个输入信号(I和Q)的相位关系之间的差值的函数。

本领域的技术人员通过仔细研究权利要求书、附图和下面对优选实施方案的详细描述，很容易看到本发明的这些和其他的目的与优点。

附图说明

图1是没有相位修正的现有技术的常规正交调制器。

图2是说明分量I信号和Q信号之产有90°相移的16正交调幅星座图的概念图，它描绘了相邻星座图点之间的最短距离。

图3是说明分量I信号和Q信号之间相移小于90°的16正交调幅星座图的概念图，它描绘出相邻星座图点之间的较小最短距离。

图4是使用现有技术的正交调制器的功能框图，它说明了相位修正的一种方法。

图5是使用现有技术的正交调制器的功能框图，它说明了相位修正的另一种方法。

图6是根据本发明的正交调制器实施方案的功能框图，它说明了使用反馈回路来控制移相器中施加到载波信号的相位偏移量。

图7是根据本发明的正交调制器另一实施方案的功能框图，它说明了对载波信号进行相位偏移的多级移相器，其中，移相器由反馈回路控制。

图8是根据本发明的正交调制器另一实施方案的功能框图，它说明了二级移相器，其中一级将固定相位偏移量施加到载波信号，另一级施加到载波信号的相位偏移量由反馈回路控制。

图9是根据本发明的正交调制器另一实施方案的功能框图，它说明了使用反馈回路来控制施加到I信号的电平调节量。

图10也是根据本发明的正交调制器另一实施方案的功能框图，它说明使用反馈回路来控制施加到I信号和Q信号的电平调节量。

具体实施方式

在这几个附图中，类似的附图标记代表着类似的部件。

如上面的讨论和图1所示，常规的QAM调制器100接收到一个同相信号，称为I信号110，通常表示为：I＝i(t)；一个正交信号，称为Q信号120，通常表示为：Q＝q(t)。其中，i(t)和q(t)表示通信系统中，从发射机将要发射到接收机的信息。

I信号和Q信号通常包含通过载波发射给接收机的数字数据。通常由振荡器101产生的第一载波信号130，被施加到乘法器103，由I信号110调制产生第一分量信号150。本发明预期在该技术领域产生载波信号的任何标准装置。第一载波信号130还被施加到相位偏移电路102，理想情况下，相位偏移电路将第一载波信号的相位偏移90°，这样就产生第二载波信号140。第二载波信号被施加到在乘法器104以被Q信号120调制，从而产生第二分量信号160。第一分量信号和第二分量信号在加法器105中合并，从而产生QAM输出信号170。

当从I-Q平面看时，可将QAM输出信号视为信号星座图点。图2是在I-Q平面中，理想的16正交调幅正交信号星座图200的概念图，其中I和Q分量之间有90°相移。尽管只展示了16正交调幅信号星座图，但可以理解本发明不仅仅局限于16正交调幅，本发明的系统和方法可以在任何级的调制下工作，也就是说，任何M-ary的信号星座图。从上面I信号和Q信号的常规表示中明显可以看出，I轴是横轴，Q轴是纵轴。信号星座图点以明确的图案排列，可以确定最短距离21，也就是该信号星座图任意两点之间的距离d_min1。图2中，d_min1被界定为信号星座图点22和23之间的距离。

如图3所示，I信号和Q信号之间的相位不均衡为α°，也就是说，I信号和Q信号的相位相互偏移(90+α)°，就导致I轴和Q轴偏移α°。伴随I轴和Q轴偏移的是信号星座图300的扭曲，图3部分地说明了这种情况。可以确定最短距离31，也就是该信号星座图中任意两点之间的距离d_min2。图3中，d_min2被确定为信号星座图点32和33之间的距离。由于相位不均衡α°导致信号星座图扭曲，使得d_min2＜d_min1。

参照图4，图4是一个说明使用现有技术的相位补偿的QAM调制器400的功能框图，其中代表部件和信号的附图标记与图1的QAM调制器100中代表对应部件和信号的附图标记相似。图4描绘的相位补偿的QAM调制器400的基本工作与图1中描绘的QAM调制器100的工作类似，仅有如下所述不同。使用现有技术的相位补偿的调制器400包含一个电平调节器406，该调节器将Q信号420与一个预定常量相乘。这个调整的预定常量用于补偿给定工作条件下已知的相位不均衡。电平调节器406的输出与I信号在加法器407中合并。加法器407的输出以与I信号110被施加到图1中乘法器103类似的方式施加到乘法器403。图4中相位补偿的QAM调制器400的其余工作与图1中的QAM调制器100的工作类似。如上所论，使用现有技术的相位补偿的QAM调制器400的局限性在于调制器只能补偿已知的、恒定的相位不均衡，不能及时有效地对随时间变化的相位不均衡做出响应。因此，在实际的工作条件下，不能动态地补偿相位不均衡。

图5是一个说明使用现有技术的相位补偿的QAM调制器500的功能框图，其中代表部件和信号的附图标记与图1的QAM调制器100中的代表对应部件和信号的附图标记相似。图5说明的相位补偿的QAM调制器500的基本工作与图1中的QAM调制器100的工作类似，仅有如下所述不同。I信号510和Q信号520都施加到电平调节器508和509。电平调节器可分别由控制信号580和590控制。电平调节器508的输出施加到乘法器503，用于调制第一载波信号530以产生第一分量信号550。同样，电平调节器509的输出施加到乘法器504，用于调制第二载波信号540以产生第二分量信号560。控制信号580和590可由查找表格或者CPU产生，用于向I和Q信号提供一个恒定的电平调节，或者以开环控制的方式作为外部测量的函数，比如周围环境的温度。图5中相位补偿的QAM调制器500的其余工作与图1中的QAM调制器100的工作类似。

现在注意一下本发明的系统和方法，图6是说明根据本发明的一个实施方案的功能框图，其中代表部件和信号的附图标记与图1的QAM调制器100中的代表对应部件和信号的附图标记相似。图6中相位补偿的QAM调制器600的基本工作与图1中的QAM调制器100的工作类似，仅有如下所述不同。

第一载波信号630c1(t)施加到移相器电路602，通过调节第一载波信号的相位误差信号690e(t)所控制的量，产生第二载波信号640c2(t)。I信号610在乘法器603中调制第一载波信号630，产生第一分量信号650c3(t)。同样，Q信号620在乘法器604中调制第二载波信号640，产生第二分量信号660c4(t)。第一分量信号650和第二分量信号660在加法器605中合并，产生经相位修正的正交调幅信号670。

误差信号690代表了第一和第二分量信号650和660的相位关系与I和Q信号610和620的相位关系之间的差值。将经相位修正的QAM信号670通过平方电路611，其输出结果通过低通滤波器613将载波信号和相关的谐波滤除，这样可确定第一分量信号和第二分量信号的相位关系。结果信号a(t)675代表了第一分量信号650和第二分量信号660的相位关系。I信号和Q信号在加法器606中合并，其输出施加到平方电路612，平方电路的输出信号685b(t)代表了I信号610和Q信号620的相位关系。信号a(t)和信号b(t)都施加到相关器614，该相关器决定着信号a(t)和信号b(t)的相关性。相关器产生的误差信号690e(t)与信号a(t)和信号b(t)之间的相关性成正比，该相关性又与第一分量信号650和第二分量信号660之间的相位不均衡成正比。误差信号690e(t)被反馈到移相器602中，以动态地修正第二载波信号c₂(t)的相位，从而修正第二分量信号c₄(t)的相位，以确保第一分量信号650和第二分量信号660在现有的相位关系下，彼此之间保持90°相位差。

虽然本发明不限定使用某一特定平方电路，但平方电路611和/或612可以在乘法电路中包含一个肖特基二极管。

参照图7，图7是本发明的系统和方法的第二个实施方案的功能框图，其中代表部件和信号的附图标记与图6中的QAM调制器600中代表对应部件和信号的附图标记相似。图7中相位补偿的QAM调制器700的基本工作与图6中的QAM调制器600的工作类似，仅有如下所述不同。

通过比较图6和图7可以看出，相位补偿的QAM调制器700与相位补偿的调制器600的不同之处在于，前者使用级联的移相器702-1、702-2...702-N取代了移相器602。由于每一个移相器只能在一个有限的范围内工作，因而也只能补偿很小的相位不均衡，而图7中的级联方法可以补偿较大的相位不均衡。

图8是本发明的系统和方法中的第三个实施方案的功能框图，其中代表部件和信号的附图标记与图6中的QAM调制器600中代表对应部件和信号的附图标记相似。图8中相位补偿的QAM调制器800的基本工作与图6中QAM调制器600的工作类似，仅有如下所述不同。

通过比较图6和图8可以看出，相位补偿的QAM调制器800与相位补偿的QAM调制器600的不同之处在于，前者使用级联的移相器802-1和802-2取代了移相器602。移相器802-1将一个相位偏移常量施加到第一载波信号830。由移相器802-1施加的这个相位偏移值小于90°。而移相器802-2所施加的相位偏移量则由误差信号890e(t)所控制，它是第一分量信号850c₃(t)和第二分量信号860c₄(t)的相位关系与I信号810和Q信号820的相位关系之间的差值的函数，这与图6中相位补偿的QAM调制器的工作相同。相位偏移常量通过移相器802-1加入到第一载波信号830 c₁(t)，而相位偏移变量通过移相器802-2加入到第一载波信号，这两个量的合并分别保持了第一分量信号850和第二分量信号860的相位关系在90°。

本发明的系统和方法的另外的优选实施方案在图9和图10中说明，其中代表部件的附图标记分别与图4和图5类似，代表信号的附图标记与图6类似。图9是对使用现有技术的图4的修正。在图4的基础上增加了一个反馈回路900，该反馈回路可以动态地调节施加到输入Q信号920的电平调整量。从图9可以看出，反馈回路900将误差信号990e(t)提供给电平调节器406，这样就可以动态调节相位不均衡。正如上面对图4的讨论，图4中的装置包含电平调节器406，该调节器将Q信号420与一个预定常量相乘，将结果信号施加到I信号410，从而补偿已知的相位不均衡。图4的装置中，不能通过调节Q信号420来实现动态调节。图9所描绘的本发明的装置动态调节通过由反馈回路900探测到实际相位不均衡的函数修正Q信号920的量。

同样地，图10是对使用现有技术系统的图5的修正。在图5的基础上增加了反馈回路1000，来动态地调节施加到输入I信号和输入Q信号的电平调节量。由图10可以看出，反馈回路1000将误差信号1090e(t)提供给电平调节器508和509，从而动态地调节相位不均衡。正如上面对图5的讨论，图5中的装置包含电平调节器508和509，它们分别将I信号510和Q信号520与一个为补偿已知相位不均衡设定的预定常量相乘。图5的装置可以通过测量外部条件来实施开环控制，比如测量周围环境的温度，分别将控制信号580和590发送到电平调节器508和509，从而动态地调节I信号和Q信号的修正量。但是，图5的装置不能基于相位不均衡的直接测量对电平调节器508和509实施闭环动态控制。图10所描绘的本发明的装置可以通过反馈回路1000以闭环反馈模式动态地调节I信号1010和Q信号1020的修正量，该修正量是实际探测到的相位不均衡的函数。

尽管已经描述了本发明的优选实施方案，但应理解，上述实施方案只是示意性的，当给予通过仔细研读本领域技术人员就自然想到的所有等同、多种变化和修改时，本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (12)

1.一种响应于作为同相输入信号的I信号和作为正交输入信号的Q信号产生正交调幅信号的方法，包括以下步骤：

通过用I信号调制第一载波信号产生第一分量信号；

通过用Q信号调制第二载波信号产生第二分量信号，其中第一载波信号和第二载波信号基本上为相位正交关系；以及

将第一分量信号和第二分量信号合并，从而产生正交调幅信号，

所述方法进一步包括以下步骤：

通过以下步骤确定第一和第二分量信号的相位关系与I和Q信号的相位关系之间的差值：

使产生的正交调幅信号通过平方电路，然后通过低通滤波器以滤除载波信号和相关的谐波，从而产生第一相关信号，

在求和电路中合并I和Q信号，然后将求和电路的输出施加到平方电路，从而产生第二相关信号，和

将第一和第二相关信号施加到相关器；以及

通过响应于所述差值调节第二载波信号的相位，修正所述正交调幅信号。

2.根据权利要求1的方法，其中确定相位关系的差值的步骤还包括以下步骤：产生随第一和第二相关信号之间的差值而变的误差信号，并且其中修正的步骤还包括以下步骤：应用误差信号来动态地调节第二载波信号的相位。

3.根据权利要求1的方法，其中第一载波信号由振荡器产生，而第二载波信号是通过将第一载波信号施加到相位偏移电路以将第一载波信号的相位偏移一个预定量产生的。

4.一种相位修正的正交幅度调制器，包括：

用于产生第一载波信号的第一电路装置；

用于从所述第一载波信号相位偏移90°产生第二载波信号的第二电路装置；

用于用作为同相输入信号的I信号调制所述第一载波信号，从而产生第一分量信号的第一乘法器；

用于用作为正交输入信号的Q信号调制所述第二载波信号，从而产生第二分量信号的第二乘法器；

用于合并所述第一分量信号和所述第二分量信号，从而产生正交调幅信号的第一求和装置；

用于合并所述I信号和所述Q信号，从而产生合并信号的第二求和装置；以及

用于响应于第一和第二分量信号的相位关系与I和Q信号的相位关系之间的差值产生误差信号的误差产生装置，该误差产生装置包括：

用于使产生的正交调幅信号通过平方电路，然后通过低通滤

波器以滤除载波信号和相关的谐波，从而产生第一相关信号的装置，

用于在求和电路中合并I和Q信号，然后将求和电路的输出施加到平方电路，从而产生第二相关信号的装置，以及

用于将第一和第二相关信号施加到相关器，以产生所述误差信号的装置，

由此，所述误差信号被施加到所述第二电路装置，以便动态地修正第二载波信号的相位，用以获得所述第一载波信号和所述第二载波信号之间的正交相位关系。

5.根据权利要求4的调制器，其中所述正交调幅信号是具有M点星座图的QAM信号。

6.根据权利要求4的调制器，其中所述第二电路装置是一个相位偏移电路，适用于接收所述第一载波信号，并能够从所述第一载波信号产生所述第二载波信号。

7.根据权利要求6的调制器，其中所述相位偏移电路包括多个级联的相位偏移电路。

8.根据权利要求4的调制器，其中所述第一求和装置包括：

用于合并所述第一和第二分量信号，从而产生所述正交调幅信号的第一求和电路；

用于产生与所述正交调幅信号的平方成正比的平方信号的第一平方电路；和

用于滤除所述平方信号中频率高于预定频率的分量，从而产生第一相关信号的低通滤波器。

9.根据权利要求8的调制器，其中所述第二求和装置包括：

用于合并所述I和Q信号，从而产生合并信号的第二求和电路；和

用于产生与所述合并信号的平方成正比的第二相关信号的第二平方电路。

10.根据权利要求9的调制器，其中所述误差产生装置包括一个相关器，用于比较第一和第二分量信号的相位关系与I和Q信号的相位关系之间的相位差，从而产生所述误差信号，该误差信号被施加到所述第二电路装置。

11.根据权利要求7的调制器，其中每个相位偏移电路被配置为补偿一个不同范围的相位不均衡。

12.一种用于产生代表作为同相信号的I信号和作为正交信号的Q信号的正交调幅信号的调制器，其中用I信号调制第一载波信号，从而产生第一分量信号，用Q信号调制第二载波信号，从而产生第二分量信号，且其中所述第一和第二载波信号基本上为相位正交关系，其特征在于包括一个反馈回路，用于动态调节所述第一和第二载波信号之间的相位关系，该相位关系是第一和第二分量信号的相位关系与I和Q信号的相位关系之间的差值的函数，并且为了确定两者之间的差值，所述反馈回路包括：

用于使产生的正交调幅信号通过平方电路，然后通过低通滤波器以滤除载波信号和相关的谐波，从而产生第一相关信号的装置，

用于在求和电路中合并I和Q信号，然后将求和电路的输出施加到平方电路，从而产生第二相关信号的装置，

用于将第一和第二相关信号施加到相关器，以产生误差信号的装置，以及

用于将产生的误差信号施加到相位偏移电路的装置。

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