CN106375252B - 一种iq与tiadc频率联合失真的修正方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自适应修正IQ（in‑phase/quadrature）与时间交织模数转器频率联合失真的方法。IQ联合TIADC可以数字化非常广泛的瞬时射频带宽，但是由于模拟器件的不匹配，接收机中会产生失真成分，限制了系统的无杂质动态范围(SFDR)。通常，通信复合信号具有循环特性（circularity），而IQ和TIADC的频率失真破坏了信号的循环性，根据卷积法相关的原理得到的方法可以修正接收机中IQ与时间交织转化器（IQ‑TIC）频率联合失真，不需要任何参考信号，补偿效果好。

Description

一种IQ与TIADC频率联合失真的修正方法及系统
技术领域
本发明涉及模数转换领域，更具体地，涉及一种IQ与TIADC频率联合失真的自适应修正方法及系统。
背景技术
无线通信领域要求无线宽带系统具有高速、高集成密度和低成本效率的特点。随着数字化技术的推广，这些系统广泛使用模数转换器来数字化模拟信号，对ADC模块的要求越来越高。现有技术中，ADC模块一般由跟踪保持电路和量化器组成。跟踪保持电路决定ADC模块的模拟带宽，量化器决定ADC模块的数字带宽。高速无线宽带系统要求高带宽的ADC模块，而提高ADC模块数字带宽的重要方法是使用数片ADC模块采用时间交织(Time-interleaved)的方式来进行采样。对于给定的ADC模块，通过时间交织采样提高的信号带宽最大只能达到ADC的模拟带宽。一个可行的提高ADC模块模拟带宽的方法是利用复数下变频，如IQ。消除了镜像频率成分的IQ，可以提高ADC模块的频谱利用率而不需要高性能的模拟电路。
在上述的基础上可以得知，提高ADC模块模拟带宽和数字带宽的可行方案是在下变频阶段后，I分支和Q分支再分别连接TI-ADCs，即相同采样频率的多路ADCs交织采样同一路模拟信号。但是，由于制造工艺本身固有的缺点，每一片ADC模块不可能完全一样，I分支和Q分支也不可能完全一样，这就产生频率相关误差，造成失真成分，导致其性能降低。频率失真主要决定TI-ADCs的无杂质动态范围，同样，在下变频阶段，IQ的频率失真主要决定其无杂质动态范围。所以，本发明主要考虑IQ和TI-ADC频率失真的联合影响。再者，接收机中通信复合信号具有循环特性，但是不匹配的IQ和TIADC破环了信号的循环性，使得实际输出信号中存在理想信号的共轭成分，产生镜像频率干扰。
发明内容
本发明的目的主要是为接收机中的IQ与时间交织模数转器的频率联合失真，提供了一套实用、可靠、使用广泛的修正方法，该方法利用信号的二阶统计特性和循环性，对接收机的输出结果进行时间交织频率失真修正、IQ频率失真修正、时间交织镜像频率失真修正，最大程度上减少频率响应误差的影响。
为实现以上发明目的，采用的技术方案是：
一种IQ与两通道TIADC频率联合失真的修正方法，用于对采用下变频和2通道时间交织模数转换器结构的接收机的输出结果x2(n)进行修正，从而去除TIADC频率失真、IQ频率失真和TIADC镜像失真对输出结果x2(n)的影响，包括以下步骤：
(1)对TIADC频率失真进行修正
S11.以因子2对x2(n)进行上采样，输出采样结果x2,up(n)；然后将x2,up(n)经过通带为[-Ωs/2,0]的带通滤波器，带通滤波器输出xa(n)；
S12.将上采样结果x2,up(n)乘以进行频移得到x2,m(n)，x2,m(n)经过带通滤波器后带通滤波器的输出结果为xb(n)，将xb(n)取共轭后与xa(n)相加得到iTI(n)；其中j为相位表示，ΩS表示采样频率，n表示离散变量；
S13.使x2,m(n)经过由iTI(n)控制的滤波器wTI后得到
S14.以因子2对进行下采样，得到TIADC频率失真的估计值利用x2(n)减去得到修正TIADC频率失真后的输出结果v2(n)；
(2)对IQ频率失真进行修正
S21.对v2(n)取共轭，得到
S22.使经过v2(n)控制的滤波器wIQ，输出IQ频率失真的估计值
S23.利用v2(n)减去得到修正IQ频率失真后的输出结果y2(n)；
(3)对TIADC镜像失真进行修正
S31.将y2(n)乘上进行频移，频移后的结果取共轭后为
S32.使经过iIT(n)控制的滤波器wIT，滤波器wIT的输出值乘以得到TIADC镜像失真的估计值
S33.利用y2(n)减去得到修正TIADC镜像失真后的输出结果z2(n)；z2(n)作为x2(n)的修正结果进行输出。
同时，本发明还在以上的基础上，提供了一种应用以上方法的系统，其具体的方案如下：
一种系统，包括交织失真修正模块、IQ失真修正模块和交织镜像失真修正模块，其中交织失真修正模块基于步骤(1)的方法对TIADC频率失真进行修正；IQ失真修正模块基于步骤(2)的方法对IQ频率失真进行修正；交织镜像失真修正模块基于步骤(3)的方法对TIADC镜像失真进行修正。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
IQ联合TIADC可以数字化非常广泛的瞬时射频带宽，但是由于模拟器件的不匹配，接收机中会产生失真成分，限制了系统的无杂质动态范围(SFDR)。通常，通信复合信号具有循环特性(circularity)，而IQ和TIADC的频率失真破坏了信号的循环性，因此，本发明提供的方法根据卷积法相关的原理可以修正接收机中IQ与时间交织转化器(IQ-TIC)的频率联合失真，不需要任何参考信号，补偿效果好。
附图说明
图1为IQ-TIC的结构示意图及修正系统的结构示意图。
图2为本发明提供的方法的流程图。
图3为对TIADC频率失真的修正示意图。
图4为对TIADC频率失真的修正流程图。
图5为对IQ频率失真的修正示意图。
图6为对IQ频率失真的修正流程图。
图7为对TIADC镜像频率失真的修正示意图。
图8为对TIADC镜像频率失真的修正流程图。
图9为IQ-TIC的实数输入信号xRF(n)频域图(局部)
图10为IQ-TIC的输出信号x2(n)频域图(局部)。
图11为经过TIADC频率失真修正后的信号频谱与原始信号频谱的对比图。
图12为经过IQ频率失真修正后的信号频谱与原始信号频谱的对比图。
图13为经过TIADC镜像频率失真修正后的信号频谱与原始信号频谱的对比图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。
实施例1
如图1所示，图1为下变频和时间交织模数转换器(IQ-TIC)的结构示意图，输入信号分别进入I分支和Q分支，经过I分支和Q分支输出后再分别进入2通道的TIADCs，每条通道以相同的采样率但不同的采样时刻(相邻通道相差时刻)对高速输入信号进行采样，最终合并出输出信号，以此实现信号下变频和高速采样的模数转化。
其中x(n)通过I/Q下变频后输出xI(n)和xQ(n)，经过TIADC后输出分别为x2I(n)和x2Q(n)，则系统总输出为x2(n)＝x2I(n)+x2Q(n)。
对输出信号x2(n)频谱的第一奈奎斯特区域分析发现，存在四种频谱，分别是线性失真的理想成分，处于IQ失真位置上的毛刺，处于TIADC失真位置上的毛刺与处于TIADC镜像位置上的毛刺。
因此，若要对这些失真进行修正，必需将处于失真位置上的毛刺进行去除。
在以上基础上，如图2所示，本发明提供的修正方法具体包括以下步骤：
(1)先对TIADC失真进行估计和修正。基本的原理是估计毛刺成分再用原始系统输出信号x2(n)减去它。如图3、4所示，首先，以因子2上采样x2(n)输出x2,up(n)，经过通带为[-Ωs/2,0]的带通滤波器输出为xa(n)；将上采样结果x2,up(n)乘以进行频移得到x2,m(n)，经过带通滤波器输出为xb(n)；将xb(n)取共轭加上xa(n)得到iTI(n)；在使x2,m(n)经过由iTI(n)控制的滤波器wTI得到最后以因子2下采样输出TIADC失真估计值将x2(n)减去得到TIADC失真修正后的值v2(n)。
(2)再对IQ失真进行估计和修正。基本的原理是估计毛刺成分再用输出信号v2(n)减去它。如图5、6所示，该步骤首先对v2(n)取共轭，使其理想成分和v2(n)的IQ毛刺成分对齐；再使经过v2(n)控制的滤波器wIQ，输出误差估计值最后将v2(n)减去得到IQ失真纠正后的值y2(n)。
(3)最后对TIADC镜像失真进行估计和修正。如图7、8所示，该步骤首先将y2(n)乘上进行频移，取共轭后为再使经过iIT(n)控制的滤波器wIT，输出值乘与得到TIADC镜像失真估计值最后将y2(n)减去得到TIADC镜像失真纠正后的值z2(n)。
以上方法是基于两个基本的先决条件：1.无毛刺基带复信号是零均值；2无毛刺基带复信号是循环性(circular),即它的CACF(complementary auto-correlationfunction)Cx(τ)＝E[x(t)x(t-τ)]＝E(x(t)x*(t-τ)*)＝0，其中x(t)表示无毛刺的基带复信号，τ为时间间隔。经过有误差的I/Q下变频和有误差的两通道时间交织模数转换系统(TIADC)后，输出信号x2(n)没有循环性。该算法的N阶补偿滤波器公式为式中，i(t)为构建的误差识别信号，如本专利中的iTI(n)、v2(n)、iIT(n)信号；ci＝E[i2c(t)i2c(t)]＝[Ci(0),Ci(1),...,Ci(N-1)]T，表示i(t)的CACF；
Ri(τ)＝E[i(t)i*(t-τ)]是i(t)信号的自相关函数；
-1表示求逆矩阵。
实施例2
本实施例根据实施例1的方法进行了具体的实验，实验使用的接收机输入信号的频谱位置为-0.3，0.3，具体如图9所述。下变频使用的频率为0.5pi，TIADC的采样频率是N＝2。如图10所示，经过IQ-TIC结构的输出信号中共有四种频率成分，频谱位置(归一化频率)分别为-0.8，-0.2，0.2，0.8，分别位于TIADC的镜像失真位置、线性失真的理想成分位置、IQ失真位置、TIADC失真位置。图11、图12、图13分别是TIADC失真、IQ失真和TIADC镜像失真的修正频谱图。由图11、图12、图13可知，经过修正方法修正后，TIADC的镜像毛刺成分由-24dB减少到-45dB，IQ毛刺由-25dB减少到-40dB，TIADC毛刺由-33dB减少到-49dB。
从以上的实验结果可以看出本方法具有很好的自适应性、广泛性和实用性。
实施例3
本发明在实施例1的基础上，提供了一种应用实施例1方法的系统，该系统的结构如图1所示，包括交织失真修正模块、IQ失真修正模块和交织镜像失真修正模块，其中交织失真修正模块基于步骤(1)的方法对TIADC频率失真进行修正；IQ失真修正模块基于步骤(2)的方法对IQ频率失真进行修正；交织镜像失真修正模块基于步骤(3)的方法对TIADC镜像失真进行修正。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种IQ与两通道TIADC频率联合失真的修正方法，用于对采用下变频和2通道时间交织模数转换器结构的接收机的输出结果x2(n)进行修正，从而去除TIADC频率失真、IQ频率失真和TIADC镜像失真对输出结果x2(n)的影响，其特征在于：包括以下步骤：
(1)对TIADC频率失真进行修正
S11.以因子2对x2(n)进行上采样，输出采样结果x2,up(n)；然后将x2,up(n)经过通带为[-Ωs/2,0]的带通滤波器，带通滤波器输出xa(n)；
S12.将上采样结果x2,up(n)乘以进行频移得到x2,m(n)，x2,m(n)经过带通滤波器后带通滤波器的输出结果为xb(n)，将xb(n)取共轭后与xa(n)相加得到iTI(n)；其中j为相位表示，ΩS表示采样频率，n表示离散变量；
S13.使x2,m(n)经过由iTI(n)控制的滤波器wTI后得到
S14.以因子2对进行下采样，得到TIADC频率失真的估计值利用x2(n)减去得到修正TIADC频率失真后的输出结果v2(n)；
(2)对IQ频率失真进行修正
S21.对v2(n)取共轭，得到
S22.使经过v2(n)控制的滤波器wIQ，输出IQ频率失真的估计值
S23.利用v2(n)减去得到修正IQ频率失真后的输出结果y2(n)；
(3)对TIADC镜像失真进行修正
S31.将y2(n)乘上进行频移，频移后的结果取共轭后为
S32.使经过iIT(n)控制的滤波器wIT，滤波器wIT的输出值乘以得到TIADC镜像失真的估计值
S33.利用y2(n)减去得到修正TIADC镜像失真后的输出结果z2(n)；z2(n)作为x2(n)的修正结果进行输出；
滤波器wTI、滤波器wIQ、滤波器wIT的公式表示为：
Ci表示iTI(n)/v2(n)/iIT(n)的CACF；
Ri(τ)表示iTI(n)/v2(n)/iIT(n)的自相关函数；
2.一种用于实现如权利要求1所述IQ与TIADC频率联合失真的修正方法的系统，其特征在于：包括交织失真修正模块、IQ失真修正模块和交织镜像失真修正模块，其中交织失真修正模块基于步骤(1)的方法对TIADC频率失真进行修正；IQ失真修正模块基于步骤(2)的方法对IQ频率失真进行修正；交织镜像失真修正模块基于步骤(3)的方法对TIADC镜像失真进行修正。
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