CN101299615B - 射频接收机直流漂移的消除方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种射频接收机直流漂移的消除方法，在射频接收机的校准模式，通过接收用于校准的射频信号并经FFT运算，生成并存储不同接收机增益下对应的直流校准表；在工作模式，通过查找所存储的直流校准表，对射频信号进行直流漂移消除。本发明还公开了一种射频接收机直流漂移的消除装置。本发明可应用于所有可产生直流漂移的射频接收机，该方法可以最大限度地减小直流漂移对射频接收机性能造成的影响。

Description

射频接收机直流漂移的消除方法和装置

技术领域

本发明涉及一种通信技术，尤其与一种消除射频接收机直流漂移的方法和装置有关。

背景技术

零中频(Zero IF)或直接变换(Direct-Conversion)接收机具有体积小、成本低和易于单片集成的特点，正成为射频接收机中极具竞争力的一种结构。优化设计结构和选择合适的制造工艺，以提高系统的性能价格比，是射频工程师追求的方向。由于零中频接收机具有体积小、成本低和易于单片集成的特点，已成为射频接收机中极具竞争力的一种结构，在无线通信领域中受到广泛的关注。

但直流漂移信号是零中频结构接收机的主要缺陷，直流漂移信号的产生和来源主要有以下几个方面：

一、静态的直流漂移(或称直流偏差)，静态的直流漂移来自于芯片制造工艺失配(例如混频器的增益不同)，失配导致的直流偏差产生于正交解调器和/或可变增益放大器(Variable Gain Control，简称VGA)，正交解调器输出的直流漂移本身并不会引起接收机故障和性能的下降。然而，由于VGA电压空间限制，当VGA在高增益模式下运行，其增益高达60dB时，几毫伏的直流漂移就足以减小信号摆幅或使VGA饱和，从而降低接收机有效的动态范围。其他因素还有基带放大级固有的直流漂移以及这种直流漂移随温度的漂移等。所以在做基带放大部分的设计时，要保证该部分电路能提供足够的增益，同时也要保证这个增益不能过大，因为如果基带部分增益过大，那么尽管造成的漂移可以被修正，但这种漂移可能会继续漂移，而必须进行额外的补偿。

二，本振自混频，来自于本振信号从混频器本振到RF端口，由于混频器LNA的输入端与本振端口的信号隔离不是理想的，在LNA和混频器的输入端出现的泄漏信号与本振自身混频，从而在基带I/Q输出端产生直流成分通过整个信号链路，这种现象叫做自混频。本振信号经过天线泄漏到空间，形成对邻道的干扰。本振泄漏在超外差式接收机中不容易发生，因为本振频率和信号频率相差很大，一般本振频率都落在前级滤波器的频率以外。外部的强干扰信号进入混频器后的自混频在基带I/Q输出产生直流成分。当自混频随时间发生变化时，直流偏差问题将变的十分复杂。这种情况可以在下面的情况下发生：当泄漏的本振信号经天线发射出去后又从运动的物体反射回来经天线接收，通过低噪放进入混频器，经混频产生的直流偏差将是时变的。

零中频主要的优点就在于其成本低廉。它能够降低离散滤波的要求，减少电路板面积、元器件数量和系统功耗，另外，零中频在射频端为镜像信号抑制和中频信道选择减少了昂贵的射频滤波器件，提高了系统的集成度。但是，零中频固有的直流漂移信号成为此接收机结构的一种主要缺陷。直流漂移信号带给接收机的影响包括使AD转换器饱和，降低接收机的动态范围都会影响接收机解调的性能。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种射频接收机直流漂移的消除方法，来对接收机中产生的直流漂移信号进行精确的计算和估计，减小或者消除直流漂移信号对接收信号造成的影响，提高接收机的性能。

本发明的另一目的在于提供一种实现本发明射频接收机直流漂移的消除方法的射频接收机直流漂移消除装置。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

.一种射频接收机直流漂移的消除方法，

在射频接收机的校准模式，通过接收用于校准的射频信号并经FFT运算，生成并存储不同接收机增益下对应的直流校准表；

在工作模式，通过查找所存储的直流校准表，对射频信号进行直流漂移消除。

一种射频接收机直流漂移的消除装置，包括信号接收单元、FFT运算单元和直流漂移消除单元；

在射频接收机的校准模式，所述信号接收单元接收用于校准的射频信号并经FFT运算单元进行FFT运算，生成并存储不同接收机增益下对应的直流校准表；

在工作模式，所述直流漂移消除单元，通过查找所存储的直流校准表，对射频信号进行直流漂移消除。

由上述技术方案可知，本发明具有以下有益效果：本发明的射频接收机直流漂移的消除方法，利用射频接收机数字信号处理部分现有的FFT运算模块，在不同的接收机增益设置下，计算校准单音信号的功率，推算直流漂移信号幅值，得到不同接收机增益下对应的直流漂移信号校准表，最终在射频接收机工作时，通过查表的方式，消除不同增益对应的直流漂移信号，提高接收机的性能。本发明可应用于所有可产生直流漂移的射频接收机，该方法可以最大限度地减小直流漂移对接收机性能造成的影响。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1本发明实施例的直流漂移消除方法的校准模式流程图；

图2本发明实施例的直流漂移消除方法中进行FFT运算并生成直流校准表的流程图；

图3本发明实施例的直流漂移消除装置的模块结构图；

图4本发明实施例的直流漂移消除装置的电路图。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明。

本发明的射频接收机直流漂移的消除方法，需要在射频接收机的校准模式生成并保存直流漂移信号的直流校准表，该直流校准表是该射频接收机在不同增益下对应的直流漂移信号的直流校准表；在射频接收机的工作模式，通过查表的方式，消除不同增益对应的直流漂移信号。

首先，在射频接收机校准模式，生成并保存直流漂移信号的直流校准表，所述直流校准表由一定数量的对应不同增益值的表元构成，如图1所示，包括以下步骤：

步骤S100：准备工作，设定射频接收机的接收增益序列。本发明实施例的射频接收机直流漂移的消除方法，需要根据实际情况，将射频接收机的接收增益的取值范围分段，得到射频接收机的一个接收增益序列，AGC(i)(i＝1，2，...，N)，在初始状态，取i＝1。本发明的射频接收机直流漂移的消除方法，射频接收机的接收增益的分段方法，需要在校准时间和直流漂移的推算精度之间进行折中选择。如果分段越细致，则得到的推算精度就越高，同时也加长了进行校准和查找校准表的时间复杂度。在实践中，可以根据射频接收机的接收增益变化与直流漂移变化趋势之间的关联关系，确定接收增益的分段。

步骤S110：射频接收机接收用于校准的射频信号，并将其下变频为基带信号。该射频信号功率恒定，优选的为一个和载波频率有一定频偏的单音信号(即正弦波)，之所以要与载波信号有一定的频偏，是为之后的处理步骤中能够更容易更准确的推算直流漂移信号的幅值。该单音信号，既可以由外部信号源发射，也可由射频接收机自身内置的发射模块发射，并由射频接收机自身的信号接收模块接收。

其中，该单音信号在时域可以表示为：

S_rf＝A_rf cos(2π(f_c+f_cali))(1)

公式(1)中，A_rf为信号的幅度，f_c为接收机载波频率，f_cali为偏移载波信号的频率，如图2所示，射频接收机接收到的射频信号(包括单音信号)经带通滤波器(BPF)和低噪声放大器(LNA)放大后，与互为正交的两路本振信号(LO)混频，分别产生同相和正交两路基带信号。由于本振信号频率与射频信号频率相同，因此混频后直接产生基带信号，而信道选择和增益调整在基带上进行，由芯片上的低通滤波器(LPF)和可变增益放大器(AGC)完成。在上述调整完成后，输入数模转换器(ADC)进行模数转换并进行采样。

此校准信号经过射频接收机下变频后，其基带信号波形为：

S_bb＝A_bb cos(2πf_cali)(2)

公式(2)中，A_bb为射频信号经过下变频后再经过接收机放大器后输出的基带模拟信号幅度。

步骤S120：进行FFT运算并生成校准表。射频接收机中通常具有FFT(Fast Fourier Transform，快速傅立叶变换)模块，其作用是将采样的数据从时域变换到频域。如射频接收机通常采用的对基带信号进行处理的正交频分复用解调器(OFDM)中，就具有FFT模块，因此，对校准信号进行FFT运算，完全是利用了射频接收机中的现有结构。AD采样的点数，即N点的FFT运算的N值，可以根据实际需要选取，如取N＝256、512、1024等。

基带信号经过AD采样得到其对应的数字样点，样点直接输出至基带处理器中的FFT模块中。此步骤利用接收机数字信号处理部分中现有的FFT模块对基带信号的采样点进行FFT变换，从FFT变换的特点可以得知，基带信号的能量主要集中在频率偏移为f_cali处，直流漂移信号的能量集中在零频处。把基带信号映射到频域后，则在某一接收机增益下，可以得到偏移信号(校准单音信号)的信号功率和直流信号(漂移信号)的功率。

在本步骤中，对校准单音信号经过AD转换后的数字基带信号进行FFT变换，计算校准信号功率和在零频的直流信号功率的差值，根据校准单音信号幅度和AD满量程刻度的已知对应关系，推算出直流漂移信号对应的AD满量程刻度数值。其可细化为如下步骤：

步骤S122：取校准信号的功率和直流漂移信号功率的差值。把基带信号映射到频域后，则在某一接收机增益AGC(i)，i＝1，2，3…N下，可以得到偏移信号y_bb的信号功率P_bb(i)(单位：dBm)和直流信号的功率P_dc(i)(单位：dBm)，其功率的大小和接收机的增益AGC(i)，i＝1，2，3…N是一一对应的。FFT变换后，取校准信号的功率和直流漂移信号功率的差值ΔP(i)，如表1所示：

表1

步骤S123：得到校准信号功率和AD满量程刻度的对应关系。得到单音校准信号的功率P_bb和接收机AD的满量程刻度的一个对应关系，这种对应关系可以通过手动或者自动的方式准确的获得，其对应关系如表2所示：

表2

接收机增益AGC	校准信号功率	校准信号对应AD满量程刻度
			AGC(1)	Pbb(1)	K1dBFS
AGC(2)	Pbb(2)	K2dBFS
			...	...	...
AGC(N)	Pbb(N)	KNdBFS

表2中，K_idBFS数值是相对于AD的满量程刻度而计算的信号幅度大小，在具体的接收机实现中，这种对应关系是确定和已知的。

步骤S124：得到直流信号相对于AD满量程刻度的数值。为了得到直流信号的幅度，根据表1和表2的对应关系，可以得到在不同的接收机增益AGC(i)下，直流信号相对于AD满量程刻度的数值，如表3所示：

表3

在表3中，α_idBFS和β_idBFS分别为I路和Q路直流信号对应AD满量程刻度的幅值大小。在上述的步骤S121-S123中，相对于每一个确定的接收增益值，在步骤S124中，均生成所述直流校准表的一个表元；如图2所示，在初始状态，在接收增益序列中取其第一个值，即AGC(1)，当得到对应于AGC(1)的表元后，即执行步骤S 125：判断i+1的值是否大于N，如是，则说明直流校准表的各表元均已生成，即可退出循环，执行步骤S127。如果i+1的值不大于N，则执行步骤S 126：令i＝i+1，AGC＝AGC(i+1)，然后返回步骤S122，继续进行循环，直到得到直流校准表的所有表元。得到所有表元后，进行步骤S127：生成直流漂移信号校准表并将其存储，其格式如表4所示：

表4

在校准模式生成直流校准表后，射频接收机就可以在工作模式进行直流偏移信号消除步骤S200，该步骤利用之前FFT运算推算出的直流信号满量程刻度数值，在数字基带信号中消除直流信号。

本发明的直流漂移消除方法，可在射频接收机的基带处理器中进行FFT变换、直流校准表的生成与存储以及直流漂移的消除。因此，在本发明的本发明的直流漂移消除方法实现时，可以外加一基带数字信号处理器于现有的视频接收机上即可，无须对现有的射频接收机进行改装。

如图4所示，本发明的直流漂移消除方法，所述的直流漂移信号消除步骤，利用FFT运算模块中推算得出的直流漂移信号校准表，采用闭环处理的方式，在数字基带信号中消除直流漂移。首先根据确定的射频接收机的接收增益值，查找直流漂移信号校准表，按照校准表指示的电流大小，生成一校准电流，输入加法器，与加法器另一输入端输入的基带信号中的直流漂移信号进行抵销。

本发明另一方面提供一种实现本发明射频接收机直流漂移的消除方法的直流漂移消除装置。

本发明实施例的射频接收机直流漂移消除装置，包括：

信号接收单元，其在工作模式用于接收通常的射频信号下变频后的基带信号；在校准模式，该信号接收单元接收校准信号下变频后的基带信号，该校准信号是和载波具有一定频偏的单音校准信号，该单音信号的功率恒定。

具体的，如图4所示，射频接收机接收到的射频信号(包括单音信号)经带通滤波器(BPF)和低噪声放大器(LNA)放大后，与互为正交的两路本振信号(LO)混频，分别产生同相和正交两路基带信号。由于本振信号频率与射频信号频率相同，因此混频后直接产生基带信号，而信道选择和增益调整在基带上进行，由之后的低通滤波器(LPF)和可变增益放大器(AGC)完成；上述调整完成后，通过数模转换器(ADC)进行模数转换为数字基带信号并进行采样。

FFT运算单元，该单元利用数字基带信号处理器中FFT计算模块，对信号接收单元接收的校准单音信号的数字基带进行FFT变换，推算校准单音信号对应AD满量程刻度数值，生成直流校准表。

直流漂移消除单元，该单元将FFT运算单元生成的直流校准准表进行存储，例如保存在FLASH中；在射频接收机的工作模式，利用直流校准表，通过查表的方式，消除接收机直流漂移信号。

其中，所述的FFT运算单元，可以利用射频接收机基带处理器现有的FFT计算模块，不需要额外硬件或者软件实现，FFT运算模块对信号接收单元接收的数字基带信号进行FFT变换，计算不同接收机增益下，直流漂移信号和校准单音信号的功率差，由于有用的校准信号功率和AD满量程有已知的对应关系，通过上述功率差就可以推算出直流漂移信号幅度和AD满量程信号大小的对应关系，得出不同接收机增益下对应的I/Q两路直流漂移信号大小，生成直流校准表，保存于直流漂移消除单元。

其中，所述的直流漂移消除单元，在接收机正常工作时，利用FFT运算模块推算出的直流校准表，在对应的接收机增益(AGC)，通过闭环处理的方式，在数字基带信号中消除射频接收机产生的直流漂移。

如图3所示，本发明实施例的射频接收机直流漂移的消除装置，其中所述FFT运算单元和直流漂移消除单元，均设置在射频接收机的基带数字信号处理器中。

通过本发明一种消除射频接收机直流漂移的方法和装置，克服了现有接收机不能对射频接收机产生的直流漂移信号进行精确消除的缺陷，提高了接收机的性能。

以上所述的仅为本发明的较佳可行实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范内。

Claims (12)

1.一种射频接收机直流漂移的消除方法，其特征在于：

在射频接收机的校准模式，通过接收校准信号并经FFT运算，生成并存储不同接收机增益下对应的直流校准表；

在工作模式，通过查找所存储的直流校准表，对射频信号进行直流漂移消除；

其中，生成直流校准表每一表元的步骤包括：取校准信号的功率和直流漂移信号功率的差值；得到校准信号功率和AD满量程刻度的对应关系；得到直流漂移信号相对于AD满量程刻度的数值。

2.如权利要求1所述的射频接收机直流漂移的消除方法，其特征在于，所述校准信号为单音信号，所述单音信号的频率偏移载波一定频率。

3.如权利要求1所述的射频接收机直流漂移的消除方法，其特征在于，在校准模式，对所述校准信号下变频处理后的基带信号进行FFT运算，生成校准表，并在工作模式，在基带信号中通过闭环处理，对所述直流漂移进行消除。

4.如权利要求3所述的射频接收机直流漂移的消除方法，其特征在于，所述直流校准表存储于基带数字信号处理器的FLASH中。

5.如权利要求3所述的射频接收机直流漂移的消除方法，在所述校准模式，具体步骤包括：

步骤S100：设定射频接收机的接收增益序列；

步骤S110：接收校准信号并将其下变频为基带信号；

步骤S120：进行FFT运算并生成所述直流校准表的表元，所述直流校准表由一定数量的对应不同增益值的表元构成，按照所述生成直流校准表每一表元的步骤生成所有所述表元后，生成所述直流校准表。

6.如权利要求5所述的射频接收机直流漂移的消除方法，其特征在于，所述步骤S120中，通过对接收增益序列的不同取值的循环，按照所述生成直流校准表每一表元的步骤生成所述直流校准表的所述每一表元。

7.如权利要求6所述的射频接收机直流漂移的消除方法，其中所述步骤S120和工作模式进行直流漂移消除的操作，均在基带数字信号处理器中完成。

8.一种射频接收机直流漂移的消除装置，包括信号接收单元、FFT运算单元和直流漂移消除单元；

在射频接收机的校准模式，所述信号接收单元接收校准信号并经FFT运算单元进行FFT运算，计算不同接收机增益下，直流漂移信号和校准信号的功率差，并依据校准信号功率与AD满量程信号之间的对应关系，推算出直流漂移信号幅度和AD满量程信号大小的对应关系，得出不同接收机增益下对应的I/Q两路直流漂移信号大小，生成不同接收机增益下对应的直流校准表，所述直流校准表存储于所述直流漂移消除单元中；

在工作模式，所述直流漂移消除单元，通过查找所存储的直流校准表，对射频信号进行直流漂移消除。

9.如权利要求8所述的射频接收机直流漂移的消除装置，其特征在于，所述校准信号为单音信号，所述单音信号的频率偏移载波一定频率。

10.如权利要求8所述的射频接收机直流漂移的消除装置，其特征在于，在校准模式，由所述信号接收单元接收所述校准信号下变频后的基带信号，由所述FFT运算单元进行FFT运算，生成校准表，并在工作模式，所述直流漂移消除单元在基带信号中，通过闭环处理，对直流漂移进行消除。

11.如权利要求10所述的射频接收机直流漂移的消除装置，其特征在于，所述直流校准表存储于所述直流漂移消除单元的FLASH中。

12.如权利要求10所述的射频接收机直流漂移的消除装置，其中所述FFT运算单元和直流漂移消除单元，均设置在基带数字信号处理器中。

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