CN109617560A - 一种iq信号校准补偿方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种IQ信号校准补偿方法，包括：将校准测试信号输入到IQ信号校准预失真模块，通过补偿计算输出补偿测试信号；将补偿测试信号输入给IQ信号校准参数估计模块，计算出不平衡参数的残余量估计并输出给IQ信号校准参数迭代模块；IQ信号校准参数迭代模块计算迭代；更新迭代后的不平衡参数进行补偿，完成一次闭环校准；如果达到最大迭代次数，结束迭代，完成补偿。本发明采用了闭环迭代，利用迭代近似的方法避免了开方、求反三角函数等复杂计算，简化了盲校准的运算复杂度，减小了数字电路的逻辑复杂度，在相同的电路面积下，可以增加测试信号的计算点数，提高补偿精度，同时闭环系统增加了在干扰条件下的稳定性。

Description

一种IQ信号校准补偿方法
技术领域
本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种正交调制(IQ)信号校准补偿方法。
背景技术
软件无线电作为一项新兴技术，已广泛运用于无线电通讯领域，对传统无线电领域产生了巨大冲击。在软件无线电中经常使用零中频接收机，采用直接下变频结构。在该结构中，射频信号经过一次正交下变频到基带频率，通过数字滤波通道后得到基带信号，但由于工艺角、器件匹配等因素的影响，I/Q两路信号的幅度和相位会出现偏差，从而产生镜频干扰信号。
目前针对零中频接收机IQ不平衡问题业界主要有两种解决办法，一是优化模拟电路，通过选择性能更好的元器件，优化版图布局布线等方法尽量保证I路和Q路的匹配，但这种方法不仅会提高电路成本，而且还不能完全消除不平衡问题；另一种是采用数字补偿校准技术，这种技术主要采用信道估计等方法，对接收到的基带信号的不平衡参数进行估计和补偿，从而实现对镜像干扰的抑制。
数字校准常用的方法主要有训练序列校准和盲校准：训练序列校准原理是在发射端发射有用信号之前先发送预先设计好的训练序列，利用训练序列通过某种特殊方法估计出系统的不平衡参数；而盲校准算法不依赖于训练序列，也不需要依赖特定的通讯系统，所以盲校准算法实现过程更简单、应用范围更广、应用场景更灵活。由于盲校准的性能与统计的信号长度相关，需要较多的数据统计和较长的统计时间以实现更优的校准结果，从而增加了计算过程的复杂度。因此，盲校准算法设计需要兼顾性能和面积。
发明内容
本发明解决的是盲校准算法中的计算过程复杂、所需逻辑资源较多且校准方法复杂、抗干扰能力较差的问题。
为解决上述问题，本发明提出了一种IQ信号校准补偿方法，用于无线通讯系统中零中频接收机的IQ信号校准，所述方法包括如下步骤：
(a)将校准测试信号输入到正交调制(IQ)信号校准预失真模块，所述的校准测试信号包括I路(同相)测试信号XI以及Q路(正交)测试信号XQ；
(b)正交调制(IQ)信号校准预失真模块通过补偿计算输出补偿测试信号,所述的补偿测试信号包括I路补偿测试信号ZI和Q路补偿测试信号ZQ，补偿计算满足I路补偿测试信号ZI＝XI，Q路补偿测试信号其中为相位不平衡参数的估计，其初值为0，为幅度不平衡参数的估计，其初值为1；
(c)将补偿测试信号输入给IQ信号校准参数估计模块，计算信号绝对值的累加值以及平方的累加值，进而计算出不平衡参数的残余量估计并输出给IQ信号校准参数迭代模块，所述的不平衡参数的残余量估计包括幅度不平衡参数的残余量估计和相位不平衡参数的残余量估计；
(d)IQ信号校准参数迭代模块计算迭代后幅度不平衡参数的估计值和迭代后相位不平衡参数的估计值，并输出至正交调制(IQ)信号校准预失真模块；
(e)正交调制(IQ)信号校准预失真模块更新迭代后的不平衡参数进行补偿，完成一次闭环校准；
(f)如果达到最大迭代次数，结束迭代，完成IQ信号校准补偿，否则重复步骤(b)至(e)继续迭代。
步骤(a)中，I路(同相)测试信号XI和Q路(正交)测试信号XQ来源于接收校准测试信号的正交下变频，所述接收校准测试信号为A·sin(2π·(fc+fs)·t)，A为所述接收校准测试信号的幅度，fc为接收机本振频率，fs为解调后校准信号的频率，t为时间。
步骤(c)中，计算信号绝对值的累加值以及平方的累加值，进而计算出不平衡参数的残余量估计，具体包括：
IQ信号校准参数估计模块在I路补偿测试信号ZI中抓取一段长度为N的数据ZI(n)，IQ信号校准参数估计模块在Q路补偿测试信号ZQ中抓取一段长度为N的数据ZQ(n)，计算数据ZI(n)绝对值的累加值和ZQ(n)绝对值的累加值得到幅度不平衡参数的残余量估计：其中为所述的幅度不平衡参数的残余量估计；
IQ信号校准参数估计模块在I路补偿测试信号ZI中抓取一段长度为N的数据ZI(n)，IQ信号校准参数估计模块在Q路补偿测试信号ZQ中抓取一段长度为N的数据ZQ(n)，计算数据ZI(n)和ZQ(n)乘积的累加值和数据ZI(n)平方的累加值得到相位不平衡参数的残余量估计：其中为所述相位不平衡参数的残余量估计。
步骤(d)中，IQ信号校准参数迭代模块计算迭代后幅度不平衡参数的估计值和迭代后相位不平衡参数的估计值具体包括：
其中k为迭代系数，表示第i次迭代时，IQ信号校准参数估计模块输出的幅度不平衡参数的残余量估计，表示第i次迭代时，IQ信号校准参数估计模块输出的相位不平衡参数的残余量估计，n为迭代校准的次数。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明所述IQ信号校准补偿方法在生成校准参数的过程中，采用了闭环迭代，利用迭代近似的方法避免了开方、求反三角函数等复杂计算，简化了盲校准的运算复杂度，减小了数字电路的逻辑复杂度，在相同的电路面积下，可以增加测试信号的计算点数，提高补偿精度，同时闭环系统增加了在干扰条件下的稳定性。
附图说明
图1为本发明技术方案提供的IQ信号校准方法的流程示意图；
图2为本发明实施例的IQ信号校准补偿的原理示意图；
图3为图1中的IQ信号校准预失真模块的工作原理示意图；
图4为实施例1中输入校准测试信号的时域图；
图5为实施例1中输入校准测试信号的复频谱图。
具体实施方式
本发明解决的是盲校准算法中的计算过程复杂，所需逻辑资源较多且校准方法复杂，抗干扰能力较差的问题。
为解决上述问题，本发明提出了一种IQ信号校准补偿方法，用于无线通讯系统中零中频接收机的IQ信号校准，图1是本发明技术方案提供的IQ信号校准方法的流程示意图。图2为本发明实施例的IQ信号校准补偿的原理示意图。该方法包括如下步骤：(a)将校准测试信号输入到正交调制(IQ)信号校准预失真模块，校准测试信号包括I路(同相)测试信号XI以及Q路(正交)测试信号XQ；(b)正交调制(IQ)信号校准预失真模块通过补偿计算输出补偿测试信号(包括I路补偿测试信号ZI和Q路补偿测试信号ZQ)，补偿计算满足I路补偿测试信号ZI＝XI，Q路补偿测试信号其中为相位不平衡参数的估计，其初值为0，为幅度不平衡参数的估计，其初值为1；(c)将补偿测试信号输入给IQ信号校准参数估计模块，计算信号绝对值的累加值以及平方的累加值，进而计算出不平衡参数的残余量估计并输出给IQ信号校准参数迭代模块，不平衡参数的残余量估计包括幅度不平衡参数的残余量估计和相位不平衡参数的残余量估计；(d)IQ信号校准参数迭代模块计算迭代后幅度不平衡参数的估计值和迭代后相位不平衡参数的估计值并输出至正交调制(IQ)信号校准预失真模块；(e)正交调制(IQ)信号校准预失真模块更新迭代后的不平衡参数进行补偿，完成一次闭环校准；(f)如果达到最大迭代次数，结束迭代，完成IQ信号校准补偿，否则重复步骤(b)至(e)继续迭代。其具体实施方式如下：
(a)IQ信号校准预失真模块输入校准测试信号是校准测试信号A·sin(2π·(fc+fs)·t)，经过正交下变频的IQ输出信号XI(t)和XQ(t)，其中A为接收信号的幅度，fc为接收机本振频率，fs为解调后校准信号的频率，t为时间。由于模拟器件存在幅度和相位不平衡，以I路为标准，将幅度和相位不平衡都表示在Q路上得到的结果：
XI(t)＝zI(t)
其中zI(t)和zQ(t)表示经过校准后不存在不平衡的理想IQ信号；
(b)IQ信号校准预失真模块输出补偿测试信号，采用如图3的结构对Q路信号进行幅度补偿以及相位补偿，输出I路补偿信号ZI和Q路补偿信号ZQ满足：
ZI＝XI
其中为IQ信号校准参数迭代模块输出的幅度不平衡参数的估计，为IQ信号校准参数迭代模块输出的相位不平衡参数的估计；
(c)IQ信号校准参数估计模块计算输入信号绝对值的累加值以及平方的累加值，计算出不平衡参数的近似值，由于校准时的测试信号是单音信号，具有循环对称性，满足E{zI(t)zQ(t)}＝0和E{zI(t)2}＝E{zQ(t)2}，根据上述特性可以得到不平衡参数的估计：
由于开方和反三角函数运算复杂，且盲校准的效果跟计算点数成正相关关系，当运算点数较大时，运算时间过长，因此需要进行近似化简。在假设不平衡参数较小的情况下，可以得到不平衡参数的近似估计：
可见经过上述近似，运算复杂度大大减小，只需要加法器和乘法器即可实现对不平衡参数的估计；
计算信号绝对值的累加值以及平方的累加值，进而计算出不平衡参数的残余量估计，具体包括：
IQ信号校准参数估计模块在I路补偿测试信号ZI中抓取一段长度为N的数据ZI(n)，IQ信号校准参数估计模块在Q路补偿测试信号ZQ中抓取一段长度为N的数据ZQ(n)，计算数据ZI(n)绝对值的累加值和ZQ(n)绝对值的累加值得到幅度不平衡参数的残余量估计：其中为所述的幅度不平衡参数的残余量估计；
IQ信号校准参数估计模块在I路补偿测试信号ZI中抓取一段长度为N的数据ZI(n)，IQ信号校准参数估计模块在Q路补偿测试信号ZQ中抓取一段长度为N的数据ZQ(n)，计算数据ZI(n)和ZQ(n)乘积的累加值和数据ZI(n)平方的累加值得到相位不平衡参数的残余量估计：其中为所述相位不平衡参数的残余量估计；
(d)IQ信号校准参数迭代模块计算迭代后幅度不平衡参数的估计和相位不平衡参数的估计由于近似化简的问题，估计的精度达不到要求，因此需要进行迭代提高估计精度，幅度＝不平衡参数的迭代式为：
其中k为迭代系数一般取值k＝0.5，表示第i次迭代得到幅度不平衡参数的估计，表示第i-1次迭代得到幅度不平衡参数的估计，表示第i次迭代IQ信号校准参数估计模块输出的幅度不平衡参数的残余量估计。
相位不平衡参数的迭代式为：
其中k为迭代系数，表示第i次迭代得到相位不平衡参数的估计，表示第i-1次迭代得到相位不平衡参数的估计，表示第i次迭代IQ信号校准参数估计模块输出的相位不平衡参数的残余量估计。
经过上述处理，IQ信号校准参数迭代模块最终得到的幅度不平衡参数的估计值为：
相位不平衡参数的估计为：
(e)IQ信号校准预失真模块更新迭代后的不平衡参数，用IQ信号校准参数迭代模块输出的幅度不平衡参数的估计和相位不平衡参数的估计和更新上一次迭代的估计结果；
(f)如果达到最大迭代次数，结束迭代，输出幅度不平衡参数的估计值和相位不平衡参数的估计值进行补偿，否则重复步骤(b)至(e)继续迭代。迭代过程中，经过补偿的IQ信号输出给IQ信号校准参数估计模块进行下一次迭代的信号不平衡参数残余量估计，IQ信号校准参数迭代模块输出的结果快速收敛于系统真实的不平衡参数，最终得到收敛的幅度不平衡参数的估计和相位不平衡参数的估计从而通过IQ信号校准预失真模块实现对IQ信号不平衡的校准补偿。
综上所述，本发明所述IQ信号校准补偿技术在进行不平衡参数估计的过程中利用迭代近似的方法避免了开方、求反三角函数等复杂计算，简化了盲校准的运算复杂度，减小了数字电路的逻辑复杂度，在相同的电路面积下，可以增加测试信号的计算点数，提高补偿精度，同时闭环系统增加了在干扰条件下的稳定性。
实施例1
以下利用具体数据和参数对本发明的优选实施例进行详细说明，以下所说明的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
设置步骤(a)中校准测试信号的数字频率为1/8FS，且信号附加高斯白噪声，信噪比(SNR)为30dB，幅度不平衡参数α为1.1，相位不平衡参数为0.1rad，令接收信号幅度A＝1。图4是校准测试信号I路和Q路的时域图像。图5是接收测试信号的复频谱。图5中，横坐标0.25处对应的谱线代表有用信号频谱，其频谱强度为28.26dB，横坐标1.75处对应的谱线代表由不平衡造成的镜像信号频谱，其频谱强度为5.05dB。此处引入镜像抑制比(IRR)描述IQ信号的不平衡程度，定义为有用信号与镜像信号功率比值，则输入的校准测试信号的IRR＝28.26-5.05＝23.21dB。
将最大迭代次数设为8次，步骤(d)中设迭代系数k＝0.5，系统进行迭代校准。表1为实施例1迭代过程中每次补偿过后Z(n)信号的不平衡情况，表1的表格是迭代过程中每次补偿过后，IQ信号校准预失真模块的输出信号Z(n)的频谱强度以及IRR的大小情况。可见，在输入校准测试信号存在噪声(SNR＝30dB)的情况下，本发明的IQ信号校准补偿方法的校准补偿效果仍然较好，在最大迭代次数为8次的条件下，信号镜像抑制比能达到65dB以上，基本上消除了输入的校准测试信号的不平衡。
表1

Claims (4)

1.一种IQ信号校准补偿方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(a)将校准测试信号输入到IQ信号校准预失真模块，所述的校准测试信号包括I路测试信号XI以及Q路测试信号XQ；
(b)正交调制信号校准预失真模块通过补偿计算输出补偿测试信号，所述的补偿测试信号包括I路补偿测试信号ZI和Q路补偿测试信号ZQ，补偿计算满足I路补偿测试信号ZI＝XI，Q路补偿测试信号其中为相位不平衡参数的估计，其初值为0，为幅度不平衡参数的估计，其初值为1；
(c)将补偿测试信号输入给IQ信号校准参数估计模块，计算信号绝对值的累加值以及平方的累加值，进而计算出不平衡参数的残余量估计并输出给IQ信号校准参数迭代模块，所述的不平衡参数的残余量估计包括幅度不平衡参数的残余量估计和相位不平衡参数的残余量估计；
(d)IQ信号校准参数迭代模块计算迭代后幅度不平衡参数的估计值和迭代后相位不平衡参数的估计值并输出至IQ信号校准预失真模块；
(e)IQ信号校准预失真模块更新迭代后的不平衡参数进行补偿，完成一次闭环校准；
(f)如果达到最大迭代次数，结束迭代，完成IQ信号校准补偿，否则重复步骤(b)至(e)继续迭代。
2.根据权利要求1所述的IQ信号校准补偿方法，其特征在于，所述步骤(a)中，I路测试信号XI和Q路测试信号XQ来源于接收校准测试信号的正交下变频，所述接收校准测试信号为A·sin(2π·(fc+fs)·t)，A为所述接收校准测试信号的幅度，fc为接收机本振频率，fs为解调后校准信号的频率，t为时间。
3.根据权利要求1所述的IQ信号校准补偿方法，其特征在于，步骤(c)中，计算信号绝对值的累加值以及平方的累加值，进而计算出不平衡参数的残余量估计，具体包括：
IQ信号校准参数估计模块在I路补偿测试信号ZI中抓取一段长度为N的数据ZI(n)，IQ信号校准参数估计模块在Q路补偿测试信号ZQ中抓取一段长度为N的数据ZQ(n)，计算数据ZI(n)绝对值的累加值和ZQ(n)绝对值的累加值得到幅度不平衡参数的残余量估计：其中为所述的幅度不平衡参数的残余量估计；
IQ信号校准参数估计模块在I路补偿测试信号ZI中抓取一段长度为N的数据ZI(n)，IQ信号校准参数估计模块在Q路补偿测试信号ZQ中抓取一段长度为N的数据ZQ(n)，计算数据ZI(n)和ZQ(n)乘积的累加值和数据ZI(n)平方的累加值得到相位不平衡参数的残余量估计：其中为所述相位不平衡参数的残余量估计。
4.根据权利要求1所述的IQ信号校准补偿方法，其特征在于，步骤(d)中，IQ信号校准参数迭代模块计算迭代后幅度不平衡参数的估计值和迭代后相位不平衡参数的估计值具体包括：
其中k为迭代系数，表示第i次迭代时，IQ信号校准参数估计模块输出的幅度不平衡参数的残余量估计，表示第i次迭代时，IQ信号校准参数估计模块输出的相位不平衡参数的残余量估计，n为迭代校准的次数。
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