CN103293519A - 基于流水线工作方式的i/q通道误差校正方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于流水线工作方式的I/Q通道误差校正方法及其系统，首先在第一数据缓冲模块中先对I和Q通道的信号进行重新排序得到矩阵H，以适合下一级QR分解模块处理的顺序；然后，在QR分解模块中对重新排序的信号进行QR分解；接着在求R的逆矩阵和矩阵相乘模块中对QR分解得到的R矩阵求逆；之后，R的逆矩阵与H矩阵相乘，得到按一定规律排序的校正后的I和Q通道信号；最后，在第二数据缓冲模块中再将得到的信号进行排序，再次排序后的信号则为正确顺序I和Q通道的校正信号。本发明方法节约硬件资源，整个硬件结构进行流水线操作，分时处理多组I/Q通道信号，提高了数据的吞吐量。

Description

基于流水线工作方式的I/Q通道误差校正方法及其系统

技术领域

本发明涉及微变检测领域，特别是涉及一种基于流水线工作方式的I/Q通道误差校正方法及其系统。

背景技术

随着中国城市建设规模不断扩大，城市交通建设越来越复杂，房屋、地铁、立交桥等的质量问题越来越得到社会的重视。建筑物的微多普勒现象即微动对于维护工作者来说极为重要，是建筑物质量的重要指标之一，也就自然被越来越重视。利用步进频率脉冲雷达（SFIR）可以对建筑进行微动测量，这种方法不受天气的影响，作用距离也可通过增加雷达功率来提高，能够更全面的反映建筑的微动特性。

然而步进频率脉冲雷达在实际工作过程中受到制作工艺和外部工作环境的影响，在系统的接收机中会产生I/Q通道幅度相位的不一致，破坏了I/Q两路信号的正交性；从而导致在一维距离成像时出现假目标，同时也会对微动的测量造成误差。

目前消除I/Q通道的幅度和相位的误差的结构有很多，主要都是自适应的方法。较早的主要都是在模拟电路中进行I/Q通道的正交矫正；之后随着数字电路的快速发展，出现了很多数字化的电路结构。两种结构的基本思想都是通过计算前面信号的幅度和相位的误差，再通过反馈调节后面的信号的幅度和误差。

现有的一种数字处理方法如下所述：

设I、Q为理想情况下的I/Q两路通道信号，则幅相不一致的I/Q两路信号可写为：

x＝I     (1)

y＝G[Qcosσ+Isinσ]     (2)

其中G=（1+d）是Q通道与I通道的增益之比。公式(2)可再变形为：

y＝CQ+DI    (3)

其中C=Gcosσ和D=Gsinσ。根据式(1)和(3)，利用三角公式，可以将增益和相位不一致分别表示为：

$d=G-1=\sqrt{C^2+D^2}-1---\left(4\right)$

σ＝arctg(D/C)   (5)

考虑到在x和y的许多次随机采样情况下，正交输出I和Q乘积的期望值为零，得到D的期望值为：

$\stackrel{\‾}{D}=\stackrel{\‾}{\mathrm{xy}}/\stackrel{\‾}{x^2}---\left(6\right)$

由于期望值

和

的相等以及

为零有

$\stackrel{\‾}{C}=\sqrt{\stackrel{\‾}{y^2}/\stackrel{\‾}{x^2}-\stackrel{\‾}{D^2}}---\left(7\right)$

综上，统计独立的x和y数据组可以按下面的步骤来求取幅相误差值：

（1）计算期望值

和

（2）由式(6)和式(7)求解

和

（3）由式(4)和(5)求解d和σ；

在获得了d、σ之后就可以根据式(2)计算Q＝(y-GIsinσ)/Gcosσ。

现有技术中数据处理过程存在多次求均值、反正切、求平方和开方的运算，这些都要使用大量的硬件资源去实现。

现有技术通过反馈调节Q通道的值，因此会存在逐渐调节的过程，输出结果的开始部分还存在幅相误差。

发明内容

技术问题：针对步进频率脉冲雷达在实际工作过程中受到制作工艺和外部工作环境的影响，在系统的接收机中会产生I/Q通道幅度相位的不一致，破坏了I/Q两路信号的正交性；从而导致在一维距离成像时出现假目标，同时也会对微动的测量造成误差的问题，本发明提供了一种基于流水线工作方式的I/Q通道误差校正方法及其系统。

技术方案：基于流水线工作方式的I/Q通道误差校正方法，包括如下步骤：在现场可编程门阵列中，

I和Q通道信号进入第一数据缓冲模块进行重新排序得到矩阵H；

所述矩阵H进入QR分解模块进行QR分解，进行QR分解后将得到多组I/Q通道信号各自的R矩阵；

多组I/Q通道信号各自的R矩阵进入求R的逆矩阵和矩阵相乘模块，将求出矩阵R的逆矩阵与对应的矩阵H的数据进行相乘，得到按一定规律排列的多组校正后的I/Q通道信号；

上述校正后的信号进入第二数据缓冲模块进行数据的重新排序，数据经过重新排序后将会一组一组的按输入整个硬件时的顺序输出校正后的I/Q通道信号。

作为优选，所述第一数据缓冲模块和第二数据缓冲模块采用流水线结构和乒乓操作。

作为优选，所述的QR分解模块采用坐标旋转计算机算法进行吉文斯旋转的方法实现QR分解；其中，QR分解模块包括控制单元和CORDIC旋转模块，控制单元发出控制指令，CORDIC旋转模块根据控制指令进行相应的操作。

作为优选，所述的求R的逆矩阵和矩阵相乘模块采用流水线结构。

基于流水线工作方式的I/Q通道误差校正系统，包括：第一数据缓冲模块，用于将进入该模块的I和Q通道信号进行重新排序得到矩阵H；

QR分解模块，用于接收来自第一数据缓冲模块的所述矩阵H，并将其进行QR分解，进行QR分解后将得到多组IQ通道信号各自的R矩阵；

求R的逆矩阵和矩阵相乘模块，用于接收多组I/Q通道信号各自的R矩阵，将求出矩阵R的逆矩阵并与对应的矩阵H的数据进行相乘，得到按一定规律排列的多组校正后的I/Q通道信号；

第二数据缓冲模块，用于接收多组校正后的I/Q通道信号，将相应数据进行重新排序，数据经过重新排序后将会一组一组的按输入顺序输出校正后的I/Q通道信号。

所述第一数据缓冲模块和第二数据缓冲模块采用流水线结构和乒乓操作。

所述的QR分解模块采用坐标旋转计算机算法进行吉文斯旋转的方法实现QR分解；其中，QR分解模块包括控制单元和CORDIC旋转模块，控制单元发出控制指令，CORDIC旋转模块根据控制指令进行相应的操作。

所述的求R的逆矩阵和矩阵相乘模块采用流水线结构。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：1.本发明通过运用矩阵计算和正交信号性质，实现了对I/Q通道误差的矫正；消除了在步进频率雷达测微动时一维距离成像时的假目标。2.本发明设计的结构可以流水线操作，因此硬件的工作效率高。同时，本发明结构比现有技术复杂度低，实现数据校正功能所用的器件比现有技术少很多。3.由于输出的结果是直接通过计算得来的，没有逐渐调节的过程，因此所得的结果都是矫正后的结果，相比于现有技术结果更优。

附图说明

图1为本发明实施例的流程图；

图2为本发明实施例的总体结构框图；

图3为本发明实施例的第一数据缓冲模块内部结构图；

图4为本发明实施例的QR分解模块的总体结构图；

图5为本发明实施例的CORDIC行旋转模块内部结构图；

图6为本发明实施例的求R的逆矩阵和矩阵相乘模块的内部结构图；

图7为本发明实施例的第二数据缓冲模块内部结构图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

本发明实施例流程图和总体结构框图如附图1和2所示。图中可看出，本实施例由前后两个数据缓冲模块、QR分解模块、求R的逆矩阵和矩阵相乘模块组成。在该实施例中，当流水线建立时可以在每2个时钟周期输出一对I/Q通道矫正后的数据。该方法包括如下步骤：在现场可编程门阵列中，

S101：I和Q通道信号进入第一数据缓冲模块进行重新排序得到矩阵H；

S102：所述矩阵H进入QR分解模块进行QR分解，进行QR分解后将得到多组I/Q通道信号各自的R矩阵；

S103：多组I/Q通道信号各自的R矩阵进入求R的逆矩阵和矩阵相乘模块，将求出矩阵R的逆矩阵与对应的矩阵H的数据进行相乘，得到按一定规律排列的多组校正后的I/Q通道信号；

S104：上述校正后的信号进入第二数据缓冲模块进行数据的重新排序，数据经过重新排序后将会一组一组的按输入整个硬件时的顺序输出校正后的I/Q通道信号。

以下对各个部分做详细说明：

第一个数据缓冲模块如附图3所示：由控制单元和四个小块RAM组成。每个小块RAM各存储n组的I或Q数据通道即n×N个数据，上面两个RAM块为一组共用读写信号w1和地址信号a1；下面两个RAM块为一组共用读写信号w2和地址信号a2。I和Q路信号经过多路选择器输入到对应RAM块中。由于I/Q通道的数据是两路同时传输数据，而RAM输出数据是一路进行，为了达到时序的对应，RAM块的读入读出数据的频率是I/Q通道采样频率的2倍；所以RAM块读入读出时地址信号每两个周期变化一次。I/Q通道的数据根据控制单元发出的指令按顺序存入RAM块中，第一组RAM存满后，再将数据存入第二组中同时读第一块的数据；之后交替存储和读出两块RAM。

为了对应于QR分解模块处理数据的顺序，数据缓冲模块的数据输出顺序为：先从第一块RAM块开始，输出第一个数据，接着输出第二块的第一个数据，之后输出第一块RAM的第N+1个数据和第二块RAM的第N+1个数据，以后按此顺序直到前n组数据输完。其中第一块和第二块RAM的交替输出可通过多路选择器完成。当第一组RAM输完后，再按上面顺序输出第二组RAM中的数据；之后便交替输出两组RAM块的数据，形成流水线。

QR分解模块如附图4和附图5所示，其中附图4是总体结构，附图5是附图4中CORDIC行旋转模块的内部结构。QR分解模块是整个结构的核心部分，决定了其他部分的控制模块的工作方式。附图4中可看出QR分解模块由2个控制单元和两个CORDIC行旋转模块组成；控制单元发出控制指令，CORDIC旋转模块根据控制指令进行相应的操作。具体工作原理如下所述：

控制单元：第一级控制单元从上一数据缓冲模块的控制单元中接受start、first和last三个信号；其中start是开始信号，first标志着从上一级来的数据是否是每组采样数据的第一行数据，last标志着从上一级来的数据是否是每组采样数据的最后一行数据。控制单元根据这三个信号，发出两个控制信号model和start给CORDIC行旋转模块。通过model信号控制CORDIC行旋转模块的模式，CORDIC行旋转模块根据model的值进行三种不同模式的操作。第二级的控制单元与第一级的控制单元功能类似，只是在输出信号中多了一个switch信号，这是由于第二级的CORDIC行旋转模块并不是对上一级Y_out输出的所有数据都进行操作，而是只对每行数据的第二个结果进行Givens旋转（这是Givens旋转进行QR分解的数学原理决定），因此通过switch信号使不需要的数据不输入到第二级CORDIC行旋转模块。

CORDIC行旋转模块：根据Givens旋转进行QR分解的原理，矩阵H的第一行第一列数据和第二行第一列数据输入CORDIC单元进行Givens旋转即使Y的值向0不断趋近；然后第一行第二列数据和第二行第二列数据做与前面两个数据相同方向的旋转。在实际操作中，用每个CORDIC单元中的head标志这对数据是否为第一列数据。若是，则Yn的信号向0方向选择并保存旋转方向和改变head的值；若不是，则按前面保存的旋转方向旋转并改变head的值，准备下一组数据的旋转。由于第二级CORDIC行旋转模块要处理的数据每行只有1列，因此不需要head信号，每对数据都通过Yn进行旋转方向的判断。然后第三行第一列数据需要与第一行第一列数据旋转后的数据反馈作为一对数据进行Givens旋转，而第一行第一列数据需要进过整个坐标旋转计算机算法（CORDIC算法）迭代的周期才能反馈数据；因此第三行第一列数据要等待整个CORDIC算法迭代周期才能进行运算，这样会出现较长时间的空操作。为了提高工作效率形成流水操作，可在第一组的一行数据输入之后输入下面几组相同行的数据，这样便可在第一组数据等待反馈时进行其他组的数据计算，相互不会受到影响。由于每组数据的每行有2个数据，因此CORDIC算法迭代周期为偶数2n即同时进行n组数据的计算。n的大小决定了数据缓冲模块的大小。

CORDIC行旋转模块有三种工作模式，三种模式依次在CORDIC行旋转模块中进行。

第一种模式：当数据缓冲模块输出的数据是每组数据的第一行时（由first信号进行判定），CORDIC行旋转模块工作在第一种模式。这时输入的数据经过数据选择器mux1被输入到延迟单元，而不是进行Givens旋转。这行数据经过2n个周期的延迟后经多路选择器mux2输入CORDIC算法单元的X端口中，此时这组的第二行数据应正好与第一行数据对齐经过数据选择器mux1输入到Y端口。这样n组数据的第一行和第二行数据就可以形成2n对数据进入CORDIC单元进行Givens旋转。

第二种模式：当数据缓冲模块输出的数据是每组数据的第二行时，CORDIC行旋转模块工作在第二种模式。如上所述，此时输入数据经过多路选择器接入到CORDIC算法单元的Y端口。第一行数据和第二行数据通过X端口和Y端口一对一对进入CORDIC单元进行Givens旋转。

第三种模式：当数据缓冲模块输出的数据是每组数据的第三行到最后一行时，CORDIC行旋转模块工作在第三种模式。此时，第一行数据端口经过Givens旋转的结果从X_out输出经过多路选择器mux2连接到X端口，此时应与第三行的数据对齐进入CORDIC算法单元进行Givens旋转。此后进行相同的操作，直达第N行数据（由last信号判定）进行Givens旋转的计算结果不再反馈到X端口，而是作为R矩阵的第一行数据输出。之后，将进行的是下一n组数据的计算，重新从第一模式开始。

求R逆矩阵和矩阵相乘模块：如附图6所示：求R逆矩阵和矩阵相乘模块由2个除法器，3个乘法器，1个加法器，3个多路选择器，6个大小为n个存储单元的RAM，1个控制单元和2个延迟单元组成。设由QR分解模块计算出来的2*2上三角非奇异矩阵R为

附图中上一路输入是每组数据R矩阵的r1、r2顺序输出，下一路输入是r3的值。上一路信号经过多路选择器选择将r1和r2信号分开，r1信号经过1个周期的延迟与r2信号对齐。由于QR分解模块中第一级的CORDIC行旋转模块输出的r1/r2信号经过2n个周期延迟，而r3信号比r2迟2n个周期，因此r3信号与r2信号对齐；所以r1、r2和r3信号同时到达RAM块。6个RAM块中第1、3和5块为一组共用地址线a1和读写信号w1，第2、4和6为一组共用地址线a2和读写信号w2。当第一个n组数据的r1、r2和r3信号到来时将三个信号分别存入第1、3和5块RAM中，当第二个n组数据的r1、r2和r3信号到来时将三个信号分别存入第2、4和6块RAM中；此后交替将信号存入两组RAM中。由于要得到的数据为和

数据做如附图6中的运算。其中I/Q信号（先输入I后输入Q）经过多路选择器分别与r1和r3相除，此时RAM每两个周期输出一组数据。当数据到达第3个多路选择器时，第一个周期上路信号为所需信号，第二个周期下路信号为所需信号。

第二数据缓冲模块如附图7所示：由控制单元和四个小块RAM组成。每个小块RAM各存储n组的I或Q数据通道即n×N个数据，上面两个RAM块为一组共用读写信号w1和地址信号a1；下面两个RAM块为一组共用读写信号w2和地址信号a2。与第一个数据缓冲模块的读写是互逆的过程，即第一个的读地址和第二个的写地址变化相同，第一个的写地址和第二个的读地址变化相同。第二数据缓冲模块：由于输入数据是一路而输出数据是两路并行，所以要保证时序对应输入数据的频率是输出频率的2倍。四个小RAM块根据控制单元发出的地址和读写指令，将数据按第一个数据缓冲模块的逆序读写。输入时，将data数据按照与第一数据缓冲模块对应的地址写入RAM块中，进行上面两个RAM块和下面两个RAM块交替的写入。当上面两个RAM存满后，便开始输出数据。从上面两个I和Q数据块中同时输出I、Q两路数据；将RAM块中的数据一组一组按顺序输出。

Claims (8)

1.基于流水线工作方式的I/Q通道误差校正方法，其特征在于，包括如下步骤：在现场可编程门阵列中，

I和Q通道信号进入第一数据缓冲模块进行重新排序得到矩阵H；

所述矩阵H进入QR分解模块进行QR分解，进行QR分解后将得到多组I/Q通道信号各自的R矩阵； 

多组I/Q通道信号各自的R矩阵进入求R的逆矩阵和矩阵相乘模块，将求出矩阵R的逆矩阵并与对应的矩阵H的数据进行相乘，得到按一定规律排列的多组校正后的IQ通道信号；

上述校正后的信号进入第二数据缓冲模块进行数据的重新排序，数据经过重新排序后将会一组一组的按输入整个硬件时的顺序输出校正后的I/Q通道信号。

2.根据权利要求1所述的基于流水线工作方式的I/Q通道误差校正方法，其特征在于：所述第一数据缓冲模块和第二数据缓冲模块采用流水线结构和乒乓操作。

3.根据权利要求1所述的基于流水线工作方式的I/Q通道误差校正方法，其特征在于：所述的QR分解模块采用坐标旋转计算机算法进行吉文斯旋转的方法实现QR分解；其中，QR分解模块包括控制单元和CORDIC旋转模块，控制单元发出控制指令，CORDIC旋转模块根据控制指令进行相应的操作。

4.根据权利要求1所述的基于流水线工作方式的I/Q通道误差校正方法，其特征在于：所述的求R的逆矩阵和矩阵相乘模块采用流水线结构。

5.基于流水线工作方式的I/Q通道误差校正系统，其特征在于，包括：

第一数据缓冲模块，用于将进入该模块的I和Q通道信号进行重新排序得到矩阵H；

QR分解模块，用于接收来自第一数据缓冲模块的所述矩阵H，并将其进行QR分解，进行QR分解后将得到多组I/Q通道信号各自的R矩阵；

求R逆矩阵和矩阵相乘模块，用于接收多组I/Q通道信号各自的R矩阵，将求出矩阵R的逆矩阵并与对应的矩阵H的数据进行相乘，得到按一定规律排列的多组校正后的I/Q通道信号；

第二数据缓冲模块，用于接收多组校正后的I/Q通道信号，将相应数据进行重新排序，数据经过重新排序后将会一组一组的按输入顺序输出校正后的I/Q通道信号。

6.根据权利要求5所述的基于流水线工作方式的I/Q通道误差校正系统，其特征在于：所述第一数据缓冲模块和第二数据缓冲模块采用流水线结构和乒乓操作。

7.根据权利要求5所述的基于流水线工作方式的I/Q通道误差校正系统，其特征在于：所述的QR分解模块采用坐标旋转计算机算法进行吉文斯旋转的方法实现同时对多组两路信号的QR分解；其中，QR分解模块包括控制单元和CORDIC旋转模块，控制单元发出控制指令，CORDIC旋转模块根据控制指令进行相应的操作。

8.根据权利要求5所述的基于流水线工作方式的I/Q通道误差校正系统，其特征在于：所述的求R的逆矩阵和矩阵相乘模块采用流水线结构。

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