CN102118174A

CN102118174A - Cmmb接收机中i/q不平衡补偿装置及方法

Info

Publication number: CN102118174A
Application number: CN2009102020494A
Authority: CN
Inventors: 刘鹏
Original assignee: Shanghai Huahong Integrated Circuit Co Ltd
Current assignee: Shanghai Huahong Integrated Circuit Co Ltd
Priority date: 2009-12-30
Filing date: 2009-12-30
Publication date: 2011-07-06

Abstract

本发明公开了一种CMMB接收机中I/Q不平衡补偿装置，I、Q两路信号输入I/Q不平衡补偿装置后，首先进入补偿器，根据反馈的幅度和相位误差估计结果，以I路信号为基准，进行Q路信号补偿；幅度估计器根据I，Q两路信号进行功率误差估计值的计算；相位估计器根据I，Q两路信号得到相位误差估计值；幅度误差环路滤波器和相位误差环路滤波器进行高频误差过滤；在环路滤波器中环路带宽由步长控制器自动控制。本发明还公开了一种CMMB接收机中I/Q不平衡补偿的方法。本发明能使I/Q分支信号不平衡补偿结果快速收敛且补偿精度高；适合于如CMMB的突发传输系统，以及信道响应快速变化的快速衰落信道环境。

Description

CMMB接收机中I/Q不平衡补偿装置及方法

技术领域

本发明涉及数字信息传输领域，特别是涉及一种多载波移动多媒体广播系统CMMB(China Mobile Multimedia Broadcasting，中国数字移动多媒体广播系统)中的I/Q分支信号不平衡补偿装置。本发明还涉及一种CMMB接收机中I/Q不平衡补偿的方法。

背景技术

CMMB是中国国家广电总局于2006年10月颁布的中国移动多媒体广播行业标准，该标准于2006年11月1日起正式实施。CMMB是一种基于多载波OFDM(正交频分复用)技术的无线广播系统，采用先进的信道纠错编码和多载波OFDM调制技术，提高了抗干扰能力和对移动性的支持；采用时隙发射方式来降低终端的功耗。依据CMMB网络覆盖的设想，CMMB信号由S波段卫星覆盖网络和U波段地面覆盖网络实现信号覆盖。S波段卫星网络广播信道用于直接接收，Ku波段上行，S波段下行；分发信道用于地面增补转发接收，Ku波段上行，Ku波段下行，由地面增补网络转发器转为S波段发送到CMMB终端。为实现城市人口密集区域移动多媒体广播电视信号的有效覆盖，采用U波段地面无线发射构建城市U波段地面覆盖网络。

由于CMMB主要应用于便携及移动终端，CMMB接收系统在设计上遵循低功耗的要求，普遍在下变频器Tuner(调谐器)中使用零中频(zero IF)技术，将天线接收到的射频信号直接变到零中频的I，Q分支信号，这种设计功耗低，并且较之传统调谐器技术更利于芯片集成，所以在CMMB接收系统中普遍采用。但是这种零中频技术也存在一定的技术缺点，由于信号被直接变为零中频的I，Q两个分支的模拟信号，然后经过处理进入ADC(模数转换)变为数字信号，对I，Q两个分支信号在处理上会存在一定的不一致性，将使I，Q两个分支信号产生幅度和相位的不平衡。这样的I/Q不平衡将对接收信号的恢复产生明显的影响，降低接收质量，如图1-3所示。其中，图1是无I/Q不平衡；图2是有I/Q不平衡，无补偿；图3是有I/Q不平衡，有补偿。

对于CMMB系统而言，由于是信号突发传输，如何在每个数据突发段快速且精确的估计并补偿I/Q分支信号的不平衡误差，关系到整个接收系统的性能。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种CMMB接收机中I/Q不平衡补偿装置，使I/Q分支信号不平衡补偿结果快速收敛且补偿精度高；为此，本发明还要提供一种CMMB接收机中I/Q不平衡补偿方法。

为解决上述技术问题，本发明的CMMB接收机中I/Q不平衡补偿装置包括：

补偿器，与幅度误差环路滤波器、相位误差环路滤波器相连接，对输入的I，Q两路信号，根据幅度误差环路滤波器反馈的幅度误差估计值，和相位误差环路滤波器反馈的相位误差估计值，以I路信号为基准，进行Q路信号补偿；

幅度估计器，与补偿器相连接，用于计算I，Q两路信号的功率误差估计值；

相位估计器，与补偿器相连接，对I，Q两路信号进行相乘，得到相位误差估计值；

幅度误差环路滤波器，与幅度估计器相连接，过滤由幅度估计器输入的功率误差估计值中的高频误差，得到统计的I分支信号的幅度误差；

相位误差环路滤波器，与相位估计器相连接，过滤由相位估计器输入的相位误差估计值中的高频误差，得到统计的Q分支信号的相位误差；

第一步长控制器，与幅度误差环路滤波器相连接，用于自动控制幅度误差环路滤波器的环路带宽；

第二步长控制器，与相位误差环路滤波器相连接，用于自动控制相位误差环路滤波器的环路带宽。

本发明的CMMB接收机中I/Q不平衡补偿方法包括如下步骤：

步骤一，使用天线接收到的射频信号且直接变到零中频的I、Q两个分支信号分别计算相位差估计值和功率差估计值；

步骤二，由环路滤波器分别滤除所述相位差估计值和功率差估计值中的高频干扰；

步骤三，由步长控制器根据环路滤波器输出的瞬时信号误差计算连续误差信号的方差，以该方差结果为判据，从步长池中选择相应的步长值反馈到环路滤波器中作为环路滤波器的收敛带宽，进行下一阶段的环路滤波；

步骤四，使用环路滤波器输出的误差结果补偿I，Q两路信号的不平衡。

本发明基于接收信号的统计特性，通过监测I、Q两路分支信号的误差量，提出以方差为依据的步长控制信号，通过一个步长控制器自动调整误差补偿时环路滤波器的步长，得到收敛速度快且补偿精度高的I、Q两路分支信号不平衡补偿结果，使CMMB接收信号的I/Q不平衡误差能够快速且准确的得到补偿。有效克服了传统的时域I/Q信号不平衡补偿方法收敛速度和补偿精度不能同时优化的缺陷；特别适合如CMMB这样的突发传输系统，以及信道响应快速变化的快速衰落信道环境。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1-3是I/Q不平衡及其补偿对于CMMB接收信号的影响示意图；

图4是包含I/Q不平衡补偿装置的CMMB接收系统结构图；

图5是基于步长自动控制器的I/Q不平衡补偿装置一实施例结构图；

图6是I/Q不平衡补偿装置的控制流程图。

具体实施方式

为了抵抗接收机中I、Q两路基带模拟信号在幅度和相位上的不平衡畸变，在信号解调前需要进行I、Q不平衡补偿。对于CMMB系统，由于信号传输的特点，每一秒分为40个时隙，每个时隙25ms。不同的节目流在一秒钟内，在时间上进行时分复用传输，每个节目流在事先预定的时隙进行信号传输。对于某个特定的接收信号，信号传输方式为1秒钟1次突发，持续时间为几个时隙，是一种突发传输方式。这样就对I/Q信号不平衡补偿有收敛速度的要求，需要在较短时间内完成误差跟踪。此外，由于I/Q不平衡对于信号解调性能影响非常明显，误差跟踪的精度要比较高，否则将大大降低系统接收性能。

为了适应CMMB这种突发传输模式的通信系统，本发明采用了一种收敛速度快，且估计精度高的I/Q不平衡补偿方法。该方法基于接收信号的统计特性，通过监测I/Q两路分支信号的误差量，以方差为依据控制选择步长，由一个步长控制器自动调整误差补偿时环路滤波器的步长，得到收敛速度快且补偿精度高的I/Q分支信号不平衡补偿结果。

由于I，Q分支信号的不平衡是一个比较固定的误差，随时间变化很小。因此可以根据信号在时域上长期的统计计算不平衡误差。

图4是一个符合CMMB标准的信号接收装置，其中包括了I/Q不平衡补偿装置200。接收到的射频模拟信号首先进入一个解调模块100，数据解调后产生一个基带复数信号包括一个实部I和一个虚部Q；然后这两个分支信号I、Q进入I/Q不平衡补偿装置200，经过补偿后的复数信号进入一个快速傅立叶变换模块300，将接收数据从时域变换为频域；变换后的频域数据进入解扰模块400进行数据解扰运算；解扰之后的数据进入信道估计模块500，估计信号在无线信道传输过程中的信道响应；与此同时，频域数据延时保持和信道响应估计结果的同步，之后频域数据和信道响应估计结果进入信道解码模块600，进行信道解码处理。

结合图5所示，在一具体实施例中，所述I/Q不平衡补偿装置200包括：补偿器210，幅度估计器220，相位估计器230，幅度误差环路滤波器240，相位误差环路滤波器250，步长控制器260和270。

I、Q两路信号输入I/Q不平衡补偿装置200后，首先进入补偿器210，根据反馈的幅度和相位误差估计结果，以I路信号为基准，进行Q路信号补偿。补偿器210输出的I、Q两路信号分别进入幅度估计器220和相位估计器230。幅度估计器220根据I，Q两路信号进行功率误差估计值的计算；相位估计器230对I，Q两路信号进行相乘，得到相位误差估计值。幅度估计器220和相位估计器230输出的瞬时信号误差，分别进入幅度误差环路滤波器240和相位误差环路滤波器250进行高频误差过滤，过滤后的结果即为统计的I，Q分支信号的幅度误差和相位误差。在幅度误差环路滤波器240和相位误差环路滤波器250中，环路带宽将由第一步长控制器260和第二步长控制器270自动控制。

结合图6所示，系统开始工作后，所述I/Q不平衡补偿装置200处于误差捕获状态，环路滤波器240、250的初始步长较大，所以环路滤波器240、250输出结果的方差比较大。由于连续两个输出结果的方差可以反映输出结果的剩余误差，步长控制器260、270以此为依据作为步长控制信号；在方差的控制下，步长控制器260、270选择较大的环路步长，进行误差快速捕获，随着估计误差的逐渐缩小，步长控制信号在达到一定阈值时，自动切换至下一个较小的步长，并输出给环路滤波器240、250，更新环路带宽，I/Q不平衡补偿装置200进入误差跟踪状态；由于环路滤波器240、250的步长减小，估计结果的剩余抖动误差将减小，当步长控制信号达到下一个阈值时，步长控制器260、270继续切换步长值，从而最终达到一个精确的I/Q不平衡误差跟踪结果SE，参见公式1。

SE＝(x_i-x_i-l)² i＞l (公式1)

其中，l是参与方差计算的数据时序差，x_i是环路滤波器输出的瞬时误差值。

步长控制器260、270的结构及工作过程完全相同，下面结合图5以幅度误差环路滤波器240的步长控制器260为例，具体说明步长控制器的结构及步长切换控制过程，能够更有助于理解本发明基于自动可变步长控制器的快速I/Q不平衡补偿装置及方法的特点及优点。

如图5所示，第一步长控制器260包括一个方差监测器262，一个步长池261和一个步长选择器263。方差监测器262与幅度误差环路滤波器240的输出端连接，接收幅度误差环路滤波器240输出的瞬时信号误差，计算连续误差信号的方差；该方差可以体现出环路收敛的程度，依据该方差从步长池261中选择新的幅度误差环路滤器240的步长值；方差监测器262打开步长选择器263相应的开关，将新的步长值反馈送入幅度误差环路滤波器进行下一阶段的功率误差环路滤波运算。

所述第二步长控制器270包括一个方差监测器，一个步长池和一个步长选择器；方差监测器与相位误差环路滤波器的输出端连接，接收相位误差环路滤波器输出的瞬时信号误差，计算连续误差信号的方差；依据该方差从步长池中选择新的相位误差环路滤器的步长值；方差监测器打开步长选择器相应的开关，将新的步长值反馈送入相位误差环路滤波器，进行下一阶段的相位误差环路滤波运算。

由于环路滤波器240、250的滤波效果完全受环路滤波步长的影响，步长较大时，其跟踪信号的变化速度快，收敛较快，但收敛后信号抖动较大；当步长较小时，其表现信号变化的能力较差，跟踪速度慢，但收敛后信号比较稳定，精确度高。在本发明的实施例中根据瞬时误差自动控制环路步长的选择，可以在误差较大的初始阶段，使用较大的步长，加快收敛速度；当瞬时误差结果逐渐缩小时，重新选择较小的步长送入环路滤波器，环路滤波器的收敛抖动将被减小，提高滤波输出数据的精确度。从而同时获得收敛速度和滤波精度两个因子。

下面的仿真结果能进一步体现本发明的优越性。加载于信号上的I/Q不平衡模型如下：

b′(t)＝μb(t)+vb^*(t) (公式2)

μ＝cos(θ/2)+jαsin(θ/2)(公式3)

ν＝αcos(θ/2)-jsin(θ/2)(公式4)

α = \frac{10^{β / 20} - 1}{10^{β / 20} + 1}

(公式5)

其中，b是无I/Q不平衡的信号，b′是有I/Q不平衡的信号。θ是相位不平衡度数，β是dB单位的幅度不平衡。幅度不平衡取±3dB，相位不平衡取±10度。步长池1为[2^-5，2^-8]。信号模型和信道模型如表1所示。

表1.仿真条件

信号模型	CMMB信号FFT模式：4K，星座模式：16QAM，LDPC码率：2/3
		信道模型	AWGN信道，SNR＝8.7dB

分别使用步长2^-5，2^-6，2^-7，2^-8以及本发明实施例中提出的可变步长进行I/Q不平衡补偿。仿真结果表明本发明的自动可变步长的I/Q不平衡补偿比传统的时域补偿收敛更快，且很快就可以得到很高的误差估计精度；非常适合应用于突发传输系统，以及信道响应快速变化的快衰落信道。在I/Q不平衡补偿后，CMMB接收系统被明显改善。表2为其性能比较结果。

表2.性能结果

综合以上所述，本发明的基于自动步长控制的I/Q不平衡补偿装置及方法具有以下特点：

(1)能自动的根据误差收敛的结果调整环路滤波器的步长。

(2)在误差输出结果的方差控制下进行步长切换。

(3)具有一个宽范围的适应多种环境的步长池。

以上通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种CMMB接收机中I/Q不平衡补偿装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述I/Q不平衡补偿装置开始工作后先处于误差捕获状态；两个环路滤波器的初始步长较大，根据其输出的瞬时信号得到的方差比较大；两个步长控制器以方差为依据选择较大的环路步长，进行误差快速捕获；随着估计误差的逐渐缩小，步长控制信号达到一定阈值时，两个步长控制器自动切换至下一个较小的步长，并分别输出给两个环路滤波器，更新环路带宽，I/Q不平衡补偿装置进入误差跟踪状态；环路滤波器的步长减小，估计结果的剩余抖动误差将减小，当步长控制信号达到下一个阈值时，两个步长控制器继续切换步长值，直至最终得到一个精确的I/Q不平衡误差跟踪结果。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述第一步长控制器包括一个方差监测器，一个步长池和一个步长选择器；方差监测器与幅度误差环路滤波器的输出端连接，接收幅度误差环路滤波器输出的瞬时信号误差，计算连续误差信号的方差；依据该方差从步长池中选择新的幅度误差环路滤器的步长值；方差监测器打开步长选择器相应的开关，将新的步长值反馈送入幅度误差环路滤波器，进行下一阶段的功率误差环路滤波运算。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述第二步长控制器包括一个方差监测器，一个步长池和一个步长选择器；方差监测器与相位误差环路滤波器的输出端连接，接收相位误差环路滤波器输出的瞬时信号误差，计算连续误差信号的方差；依据该方差从步长池中选择新的相位误差环路滤器的步长值；方差监测器打开步长选择器相应的开关，将新的步长值反馈送入相位误差环路滤波器，进行下一阶段的相位误差环路滤波运算。

5.一种CMMB接收机中I/Q不平衡补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：根据瞬时信号误差自动控制环路步长的选择，在误差较大的初始阶段，使用较大的步长，加快收敛速度；当瞬时信号误差结果逐渐缩小时，重新选择较小的步长送入环路滤波器。