CN109560825B

CN109560825B - 零中频接收机正交误差校正方法

Info

Publication number: CN109560825B
Application number: CN201811483269.4A
Authority: CN
Inventors: 李骁; 魏明; 钱东; 乔文昇; 王立
Original assignee: Southwest Electronic Technology Institute No 10 Institute of Cetc
Current assignee: Southwest Electronic Technology Institute No 10 Institute of Cetc
Priority date: 2018-12-06
Filing date: 2018-12-06
Publication date: 2020-10-20
Anticipated expiration: 2038-12-06
Also published as: CN109560825A

Abstract

本发明公开了一种零中频接收机正交误差校正方法，利用本发明可以显著提高零中频接收机的动态范围和镜频抑制比。本发明通过下述技术方案予以实现：正交误差检测模块选定基带频率送入校正波形发生装置，产生覆盖整个接收带宽的测试信号，正交误差检测模块采集来自校正波形发生装置的正负频率的测试信号，从接收基带信号中提取正交误差模型中的本振误差、基带误差宽带化参数估计值，通过误差分析模块引入正交误差校正模块；正交误差校正模块分析频域幅相数据，综合生成基带误差校正滤波器与直接加权系数，校正Q通道在整个频段范围内的增益和相位相对误差。

Description

零中频接收机正交误差校正方法

技术领域

本发明涉及一种数字通讯系统相关联的正交误差的校正，尤其是应用于零中频接收机的宽带化正交误差校正方法。

背景技术

近年来，软件无线电作为一个新兴的技术对传统的无线电技术领域进行革命性的冲击。零中频已经变得很有实用价值。虽然零中频技术已发展多年，并且某些类型的寻呼和GSM手机也已采用，但是目前的零中频技术无法满足电路对高性能的要求。传统的调制解调方式是无线电信号射频RF进入天线，转换为中频IF再转换为基带(I，Q信号)。而零中频就是信号直接由RF变到基带，不经过中频的调制解调方法。零中频接收机虽然电路结构简单、易于集成、成本与功耗较低，但是，零中频架构存在器件及电路特性不一致导致的正交不平衡问题，影响信号解调。对于零中频架构来说，其I、Q两路上是独立的数据流，这就意味着基带频谱的正/负边带上都含有信息(频谱不对称)，对于I、Q两路信号的相位、幅度不平衡都会导致解调信号的星座图恶化。很显然零中频接收机也存在镜频干扰，只不过这个干扰就是它自己。为了解决这个干扰，要求接收机采用I、Q两路混频，这样可以抵消一个边带，但是这只是理论上。实际中只要I、Q两路混频器存在失配，就必然会带来镜频干扰。对整个零中频接收系统而言，正交失调误差是影响系统性能的主要因素。

目前,很多接收系统的中频信号都是通过晶体检波器进行正交相干检波以后转换为视频(低频)信号,然后再采用数字处理技术对信号进行处理，这样的模拟中频处理的优点是带宽比较宽，响应速度快,缺点是容易给视频信号引入噪声,系统动态范围小,以及由于模拟检波器件引起的幅相不平衡而造成很难消除正交误差。零中频接收机中的正交误差主要包括本振误差与基带误差。本振误差由本振到两个混频器输入端时的相位不是严格的90°所造成，对应为相位误差。基带误差由放大器和低通滤波器等基带器件的幅频响应不一致造成，对应为相位误差与幅度误差。现有技术解决正交通路不平衡问题的主要途径有优化电路设计与数字域校正。优化电路设计的方法主要为提高器件一致性，电路硬件成本高；数字域校正的方法利用数字信号处理算法对基带信号进行校正。现有的数字域校正方式，存在依赖于特定通信模式、信号带宽内正交不平衡度恒定等问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足之处，提供一种能够提高零中频接收机的动态范围、镜频抑制比高、接收信号质量好，对零中频接收机中的正交误差进行校正的方法。

本发明的上述目的可以通过以下措施来达到：一种零中频接收机正交误差校正方法，其特征在于包括如下步骤：

在零中频接收机中设置校正波形发生装置、切换开关、正交误差检测模块、误差分析模块、正交误差校正模块和正交误差模型，正交误差模型首先将整个零中频接收机的正交误差，按其所处的信号频率范围分为本振误差与基带误差两类，通过输出端上的两个ADC将带有本振误差与基带误差的基带信号I_BB(n)、Q_BB(n)送入正交误差校正模块和正交误差检测模块；正交误差检测模块将I通道作为参考通道，采集来自校正波形发生装置的正负频率的测试信号，测试信号通过零中频接收机在基带上区分本振误差、基带误差的各个参量，分别检测出本振误差、基带误差的幅度、相位误差的宽带化参数，求出I路的基带信号I_BB(t)、Q路的基带信号Q_BB(t)的相位差、幅度差，得到本振误差E_LO与基带误差的相位误差E_BB(F_BB)以及幅度误差A_BB(F_BB)，一方面将选定的基带频率F_BB送入校正波形发生装置产生可以覆盖整个接收带宽的测试信号，另一方面将本振相位误差E_LO和未去噪的基带误差的相位误差A_BB(f),、幅度误差E_BB(f)通过误差分析模块引入正交误差校正模块；正交误差分析模块从接收基带信号中提取正交误差模型中的本振误差、基带误差参数估计值，分析频域幅相数据，综合生成校正滤波器与直接加权系数；正交误差校正模块根据本振误差、基带误差的幅度、相位误差的宽带化参数生成基带误差校正滤波器与直接加权系数，通过校正滤波器和直接加权方式校正Q通道在整个频段范围内的增益和相位相对误差；切换开关在正交误差校正阶段令零中频接收机采集测试信号，在非校正阶段令接收机采集正常天线信号。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果。

1.镜频抑制比高。本发明采用令校正波形可以覆盖整个接收带宽的校正波形发生装置，将整个零中频接收机的正交误差按其所处的信号频率范围分为本振误差与基带误差两类，并将所有的误差归为这两类误差，分别进行检测校正。从而检测整个接收带宽内各频点的误差情况，进而实现宽带化误差检测。相对传统无划分的误差分类方式更加严谨，检测结果更加可信。

2.接收信号质量好。本发明采用正交误差检测模块采集来自校正波形发生装置的正负频率的测试信号，测试信号通过零中频接收机在基带上区分本振误差、基带误差的各个参量，正交误差检测模块通过接收通道对本振误差、基带误差参数的测量与估计，分别检测出本振误差、基带误差的幅度、相位误差的宽带化参数，进而检测整个接收带宽内各频点的误差情况；接收信号质量好。令校正信号瞬时覆盖多个校正频点的校正波形，进而提高校正速度。

3.动态范围宽。本发明通过误差分析模块，根据本振误差、基带误差的幅度、相位误差的宽带化参数，综合生成校正滤波器系数与直接加权系数，分别对本振误差与基带误差进行校正。通过引入独立的校正波形发生装置，令测试信号可以覆盖整个接收带宽，进而实现宽带化误差检测。误差检测模块将基带信号由时域转换到频域，并根据误差特点分别检测出本振误差、基带误差的幅度、相位误差的宽带化参数。分析模块将接收机的基带信号由时域转换到频域，分析正交误差参数，综合生成校正滤波器与直接加权系数，并通过校正滤波器和直接加权方式对各正交误差分别进行校正。校正滤波器可适应接收带宽内正交误差差异性，即宽带化。

综上所述，本发明通过引入独立的校正源及其控制模块，令测试信号可以覆盖整个接收带宽，正交误差模型将整个零中频接收机的误差按其所处的信号频率范围分为本振误差与基带误差两类，分别进行检测校正，通过校正波形令测试信号瞬时覆盖多个校正频点，进而提高校正速度。误差检测模块将基带信号由时域转换到频域，并根据误差特点分别检测出误差的幅相参数，进而实现宽带化误差检测。误差分析模块根据误差幅相参数与频域幅相数据，综合生成校正滤波器系数与直接加权系数，分别对本振误差与基带误差进行校正。直接加权方式适应本振误差的基带频率无关特点，复杂度低，使得整体校正方式更加灵活。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明进一步说明。

图1是本发明零中频接收机正交误差校正原理图。

图2是本发明宽带正交误差校正的一种误差检测及分析流程图。

图3是图1正交误差校正模块的正交误差校正原理框图。

具体实施方式

参阅图1。根据本发明，正交误差模型中正交误差可以分为本振误差与基带误差两类。正交误差模型并不表示信号的绝对误差，而是表示I通道和Q通道间的相对误差，在实现时，将I通道作为参考通道，将所有的失配均认为是由Q通道引起的。因此，校正正交误差只涉及校正Q通道在整个频段范围内的增益和相位相对误差。

对正交误差进行校正，正交误差检测模块首先需要能够从接收基带信号中提取本振误差、基带误差参数估计值。不失一般性的，设校正波形发生装置产生的测试信号为：

x(t)＝sin(2πF_RFt+θ_RF)，式中，t表示时间，F_RF表示测试信号的频率，θ_RF表示测试信号的初始相位，角标_RF表示测试信号。

在接收带宽之内，认为本振相位误差E_LO为一常值，I通道和Q通道的本振分别为：

LO_I(t)＝cos(2πF_LOt+θ_LO)、LO_Q(t)＝cos(2πF_LOt+π/2+θ_LO+E_LO)

其中，F_LO为本振频率，E_LO为本振相位误差，θ_LO表示本振的初始相位，角标I、Q表示I、Q通道本振，上述测试信号经过混频器后，得到受本振相位误差影响的I、Q两路信号分别为I'(t),Q'(t)：

由于低于本振和高于本振的频率都会折叠到基带，变成基带正频率。令基带频率F_BB为：

F_BB＝abs(F_RF-F_LO)

则，当测试信号频率高于I通道和Q通道的本振频率时：

当测试信号低于I通道和Q通道的本振频率时：

I、Q两路信号I'(t),Q'(t)通过低通滤波以及放大后，会受到基带误差影响。基带误差包含相位误差与幅度误差，基带误差是宽带化误差，即基带误差的相位误差和本振误差在接收带宽之内为基带频率F_BB的变量。首先考虑相位误差，由于正频率、负频率(高于本振、低于本振的射频信号)通过本振混频后，会产生增益以及附加相位θ_BB，不失一般性的，考虑低通滤波以及放大的增益为1，基带误差中引入的相位误差为E_BB(F_BB)，幅度误差为A_BB(F_BB)。基带部分分别对I、Q两路进行处理，基带部分不能区分正、负频率，因此，基带误差对正负频率的影响一致，于是基带误差中的相位误差与幅度误差满足：

当测试信号高于I通道和Q通道的本振频率时，I、Q两路基带信号I_BB(t)、Q_BB(t)为：

当测试信号低于I通道和Q通道的本振频率时，I、Q两路基带信号I_BB(t)、Q_BB(t)为：

定义phase(x(t))为取信号x(t)的相位，mag(x(t))为取信号x(t)的幅度。当测试信号频率高于I通道和Q通道的本振频率时，即F_RF＝F_LO+F_BB时：利用I通道基带信号I_BB(t)和Q通道基带信号Q_BB(t)的相位差求得

phase(I_BB(t))-phase(Q_BB(t))＝(θ_RF-θ_LO+θ_BB)-

(θ_RF-θ_LO+θ_BB-π/2-E_LO+E_BB(F_BB))

＝π/2+E_LO-E_BB(F_BB)

当测试信号频率低于I通道和Q通道的本振频率时，即F_RF＝F_LO-F_BB时：利用I通道基带信号I_BB(t)和Q通道基带信号Q_BB(t)的相位差求得

其次考虑相位误差，对于幅度误差而言，基带部分亦不能区分正、负频率，对于在基带频率F_BB上的幅度误差与I通道基带信号I_BB(t)和Q通道基带信号Q_BB(t)的幅度关系满足：mag(Q_BB(t))/mag(I_BB(t))＝A_BB(F_BB)，因此，利用校正波形发生装置产生一对射频频率F_RF为F_LO±F_BB的测试信号，并通过正交误差检测模块求出I路、Q路的基带信号I_BB(t)、Q_BB(t)的相位差、幅度差，则可得本振误差E_LO与基带误差的相位误差E_BB(F_BB)以及幅度误差A_BB(F_BB)。

定义I_BB(t,F_BB)、Q_BB(t,F_BB)为测试信号频率为F_RF＝F_LO+F_BB时的I、Q通道基带信号，I_BB(t,-F_BB)、Q_BB(t,-F_BB)为测试信号频率为F_RF＝F_LO-F_BB时的I、Q通道基带信号，且满足

则可以得到本振误差参量E_LO、基带误差参量A_BB(F_BB)、E_BB(F_BB)与I、Q通道基带信号的相位、幅度满足如下关系：

综合上述过程可知，通过正交误差检测模块采集正负频率的测试信号，可以在基带上区分本振误差、基带误差的相位误差、幅度误差，从而实现对本振误差、基带误差的测量与估计，通过改变测试信号的频率，令校正频率F_BB覆盖整个接收带宽，则可以实现对整个接收带宽之内基带误差的测量和估计，即检测出宽带化参数。本实施例的以上过程采用数字信号处理算法实现。

参阅图2。在进行校正处理前，需要先对获得的本振误差、基带误差参量进行分析、去噪。在正交误差分析模块提取本振相位误差时，对测试信号每一个频点对F_LO±F_BB，均可以提取出相应的本振误差，受噪声影响，每个频点对的本振误差均不同，在校正频率范围内，正交误差分析模块可以用该频段范围内本振误差E_LO的均值E_LO’作为本振误差值。

根据零中频接收电路的特性，正交误差是由I、Q两路的零点和极点细微差异所引起，其正交误差在频域上的差异为一平滑的曲线。因此，可以对基带误差的相位误差、幅度误差A_BB(f),E_BB(f)进行平滑处理为A_BB’(f),E_BB’(f)，从而完成去噪。

在宽带正交误差校正的误差检测及分析流程中，正交误差检测模块选择测试信号进入接收机，选定并产生校正频率F_BB，-F_BB，并令校正波形发生装置产生频率F_RF为

F_LO±F_BB的测试信号，该测试信号经过零中频接收机后，正交误差检测模块获得I、Q通道基带信号。正交误差检测模块通过傅里叶变换计算I、Q通道基带信号相位、幅度和本振误差，对零中频接收机输出的I、Q通道基带信号进行傅里叶变换求得I、Q通道基带信号的相位与幅度。正交误差检测模块判断测试信号的校准频率是否已覆盖宽带化校正范围，若为否，则改变射频输入信号频率，返回选定相校正频率步骤，重新选定并产生校正频率F_BB，-F_BB，直到获得整个欲校正频段范围内所有频点上的IQ通道基带信号相位、幅度；获得这些值后，正交误差检测模块根据I、Q通道基带信号的相位与幅度计算本振误差、基带误差；正交误差分析模块对得到的本振误差、基带误差参量E_L0,A_BB(f),E_BB(f)进行误差分析、去噪，结束误差检测及分析。

参阅图3。正交误差校正模块包括虚线框所示内容的基带误差校正电路与本振误差校正电路，基带误差校正电路包含接收零中频接收机本振误差信号I_BB(n)的延迟电路、与基带误差的基带信号Q_BB(n)的基带误差校正滤波器；本振误差校正电路包含串联在基带误差校正滤波器输出端电路上的放大电路和信号求和电路，以及并联在延迟电路输出端与所述负载之间的放大电路，连接天线的零中频接收机将I、Q接收通道中带有正交误差的基带信号I_BB(n)、Q_BB(n)送入到正交误差校正模块的基带误差校正电路中，基带误差校正电路利用基带误差校正滤波器对基带误差进行校正，利用本振误差校正电路的校正系数

tan(E_LO')对本振误差进行校正，并利用I通道数据对Q通道进行修正，通过延迟电路输出I通道经校正后的基带信号I_cali(n)，通过本振误差校正电路输出Q通道经校正后的基带信号Q_cali(n)。

校正电路中基带误差校正滤波器系数，本振误差电路校正系数等由以下步骤得到：

由前述方法，误差分析模块已得到整个接收带宽内基带误差的幅度误差、频率误差参量，基带误差校正滤波器对其校正，即基带误差校正滤波器的幅频响应h(f)为：

，基带误差校正滤波器的相频响应

为：

通过基带误差校正滤波器的幅频响应、相频响应即可得到滤波器的各系数，由于基带误差校正滤波器会引入延时，所以正交误差校正模块也要对I通道提供相应的延时。

正交误差校正模块完成基带误差校正后，在本振误差校正中，正交误差校正模块对本振误差的校正可用I、Q通道系数加权的方法实现。当I、Q通道不存在本振相位误差E_L0时，理想的I、Q通道基带信号I_ideal(t)、Q_ideal(t)应满足：

I_ideal(t)＝sin(2π(F_RF-F_LO)t)

Q_ideal(t)＝sin(2π(F_RF-F_LO)t-π/2)

当存在本振相位误差E_L0时，受本振相位误差影响的I、Q通道基带信号I_LOERROR(t)、Q_LOERROR(t)应满足：

I_LOERROR(t)＝sin(2π(F_RF-F_LO)t)＝I_ideal(t)

Q_LOERROR(t)＝sin(2π(F_RF-F_LO)t-π/2+E_LO)

＝sin(2π(T_RF-F_LO)t-π/2)cos(E_LO)+sin(2π(T_RF-F_LO)t)sin(E_LO)

＝Q_ideal(t)cos(E_LO)-I_LOERROR(t)sin(E_LO)

则有：

即正交误差校正模块将I通道的数据乘以一个因子，加/减到Q通道上，实现本振相位误差的校正。

以上通过具体实施方式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

1.一种零中频接收机正交误差校正方法，其特征在于包括如下步骤：

在零中频接收机中设置校正波形发生装置、切换开关、正交误差检测模块、误差分析模块、正交误差校正模块和正交误差模型，正交误差模型首先将整个零中频接收机的正交误差，按其所处的信号频率范围分为本振误差与基带误差两类，通过输出端上的两个ADC分别将带有本振误差基带信号I_BB(n)与基带误差信号Q_BB(n)送入正交误差校正模块和正交误差检测模块，正交误差检测模块将I通道作为参考通道，采集来自校正波形发生装置的正负频率的测试信号，测试信号通过零中频接收机在基带上区分本振误差、基带误差的各个参数，分别检测出本振误差、基带误差的幅度、相位误差的宽带化参数，求出I路的基带信号I_BB(t)、Q路的基带信号Q_BB(t)的相位差、幅度差，得到本振误差E_LO与基带误差的相位误差E_BB(F_BB)以及幅度误差A_BB(F_BB)，一方面将选定的基带频率F_BB送入校正波形发生装置产生可以覆盖整个接收带宽的测试信号，另一方面将本振相位误差E_LO和未去噪的基带误差的相位误差A_BB(f),、幅度误差E_BB(f)通过误差分析模块引入正交误差校正模块；正交误差分析模块从正交误差检测模块得到本振误差、基带误差宽带化参数估计值，去噪后送入正交误差校正模块；正交误差校正模块根据去噪的本振误差、基带误差宽带化参数生成基带误差校正滤波器与直接加权系数，通过基带误差校正滤波器和直接加权方式校正Q通道在整个频段范围内的增益和相位相对误差；切换开关在正交误差校正阶段令零中频接收机采集测试信号，在非校正阶段令接收机采集正常天线信号。

2.如权利要求1所述的中频接收机正交误差校正方法，其特征在于：校正波形发生装置产生的测试信号为：x(t)＝sin(2πF_RFt+θ_RF)，式中，t表示时间，F_RF表示测试信号的频率，θ_RF表示测试信号的初始相位，角标RF表示测试信号。

3.如权利要求1所述的中频接收机正交误差校正方法，其特征在于：在接收带宽之内，本振相位误差E_LO为一常值，I通道和Q通道的本振分别为：

LO_I(t)＝cos(2πF_LOt+θ_LO)、LO_Q(t)＝cos(2πF_LOt+π/2+θ_LO+E_LO)

其中，F_LO为本振频率，E_LO为本振相位误差，θ_LO表示本振的初始相位，角标I、Q表示I、Q通道本振。

4.如权利要求3所述的中频接收机正交误差校正方法，其特征在于：测试信号经过混频器后，得到受本振相位误差影响的I、Q两路信号分别为I'(t),Q'(t)：

低于本振和高于本振的频率折叠到基带，变成基带正频率。

5.如权利要求1所述的中频接收机正交误差校正方法，其特征在于：当测试信号频率高于I通道和Q通道的本振频率时，即F_RF＝F_LO+F_BB时：利用I通道基带信号I_BB(t)和Q通道基带信号Q_BB(t)的相位差求得

phase(I_BB(t))-phase(Q_BB(t))＝(θ_RF-θ_LO+θ_BB)-(θ_RF-θ_LO+θ_BB-π/2-E_LO+E_BB(F_BB))

＝π/2+E_LO-E_BB(F_BB)

6.如权利要求1所述的中频接收机正交误差校正方法，其特征在于：基带频率F_BB上的幅度误差与I通道基带信号I_BB(t)和Q通道基带信号Q_BB(t)的幅度关系满足：

mag(Q_BB(t))/mag(I_BB(t))＝A_BB(F_BB)，因此，利用校正波形发生装置产生一对射频频率F_RF为F_LO±F_BB的测试信号，并通过正交误差检测模块求出I路、Q路的基带信号I_BB(t)、Q_BB(t)的相位差、幅度差，则可得本振误差E_LO与基带误差的相位误差E_BB(F_BB)以及幅度误差A_BB(F_BB)。

7.如权利要求1所述的中频接收机正交误差校正方法，其特征在于：正交误差检测模块选择测试信号进入接收机，选定并产生校正频率F_BB，-F_BB，并令校正波形发生装置产生频率F_RF为F_LO±F_BB的测试信号，该测试信号经过零中频接收机后，正交误差检测模块获得I、Q通道基带信号。

8.如权利要求1所述的中频接收机正交误差校正方法，其特征在于：正交误差检测模块通过傅里叶变换计算I、Q通道基带信号相位、幅度和本振误差，对零中频接收机输出的I、Q通道基带信号进行傅里叶变换求得I、Q通道基带信号的相位与幅度；正交误差检测模块判断测试信号的校准频率是否已覆盖宽带化校正范围，若为否，则改变射频输入信号频率，返回选定相校正频率步骤，重新选定并产生校正频率F_BB，-F_BB，直到获得整个欲校正频段范围内所有频点上的IQ通道基带信号相位、幅度；获得这些值后，正交误差检测模块根据I、Q通道基带信号的相位与幅度计算本振误差、基带误差；正交误差分析模块对得到的本振误差、基带误差参量E_LO,A_BB(f),E_BB(f)进行误差分析、去噪，结束误差检测及分析。

9.如权利要求1所述的中频接收机正交误差校正方法，其特征在于：正交误差校正模块包括基带误差校正电路与本振误差校正电路，基带误差校正电路包含接收零中频接收机本振误差信号I_BB(n)的延迟电路、与基带误差的基带信号Q_BB(n)的基带误差校正滤波器；本振误差校正电路包含串联在基带误差校正滤波器输出端电路上的放大电路和信号求和电路，以及并联在延迟电路输出端与经校正后的基带信号输出端之间的放大电路。

10.如权利要求9所述的中频接收机正交误差校正方法，其特征在于：零中频接收机连接天线，将I、Q接收通道中带有正交误差的基带信号I_BB(n)、Q_BB(n)送入到正交误差校正模块的基带误差校正电路中，基带误差校正电路利用基带误差校正滤波器对基带误差进行校正，利用本振误差校正电路的校正系数

和tan(E_LO')对本振误差进行校正，并利用I通道数据对Q通道进行修正，通过延迟电路输出I通道经校正后的基带信号I_cali(n)，通过本振误差校正电路输出Q通道经校正后的基带信号Q_cali(n)。