CN109861706A - 一种宽带零中频接收机正交失配补偿装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带零中频接收机正交失配补偿装置及方法，属于通信技术领域。它是一种能够补偿宽带零中频接收机I/Q正交支路幅度和相位不一致性的装置及方法，包括正交失配提取模块、分级校准构建模块、本振失配补偿模块、基带失配补偿模块和自适应补偿模块。本发明通过组合基于导频测试的混合不平衡提取与分解、频率无关与频率相关分级幅相校准、基于N维空间距离最小的自适应优化等技术，实现了可重构的分级校准。本发明实现了针对宽带零中频I/Q分支幅相不一致性的校准，能够补偿由于本振频率、基带频率、温度、本振幅度变化所带来的幅度和相位不一致性，同时该校准架构采用分级校准方式，能够使算法在性能和计算资源间进行优化。

Description

一种宽带零中频接收机正交失配补偿装置及方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别是指一种宽带零中频接收机正交失配补偿装置及方法。

背景技术

零中频架构的接收机能够简化接收链路的复杂度，降低功耗，且容易集成，因而受到通信领域的青睐，但其本身所固有的一些技术问题限制了它的进一步应用。

目前的校准方式主要分为模拟方式和数字方式两种。其中，模拟方式主要通过增加额外的硬件进行校准补偿，只能针对特定的链路，并且会增加成本。数字方式包括导频校准和盲校准两类，导频校准容易受到接收信号信噪比的影响，造成校准性能恶化，而盲校准则主要针对特定制式的合作信号。

总之，针对宽带非合作信号应用场景，上述现有技术手段的效果都比较有限。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明提出一种宽带零中频接收机正交失配补偿装置及方法，其具有宽带工作、分级校准的特点，并具有针对不同配置的可重构性，适用于合作与非合作以及多种制式的信号，可以克服不同信噪比条件以及温度变化所带来的影响。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种宽带零中频接收机正交失配补偿装置，其包括正交失配提取模块、分级校准构建模块、本振失配补偿模块、基带失配补偿模块和自适应补偿模块；其中，

正交失配提取模块用于对外部输入的I/Q路的训练序列进行I/Q分支的混合幅度失配ε(f_LO,f_BB)和混合相位失配ψ(f_LO,f_BB)的提取，并将混合幅度失配ε(f_LO,f_BB)和混合相位失配ψ(f_LO,f_BB)传给分级校准构建模块；表示以本振频率f_LO和基带频率f_BB为自变量的射频输入导频训练序列，该序列为一复数序列，其n时刻的值满足其中t_I为正交信号的同相分量，t_Q为正交信号的正交分量；ε(f_LO,f_BB)为正交分量间的混合幅度失配，其值是同相分量与正交分量的比值；ψ(f_LO,f_BB)为正交分量间的混合相位失配，其值是同相分量与正交分量的相位差；

分级校准构建模块通过外部输入的本振频率以及第k组基带滤波器的配置状态F_k，对ε(f_LO,f_BB)和ψ(f_LO,f_BB)进行分解，构造出B_k(β,θ)和C_k(β,θ)，其中，传给本振失配补偿模块，B_k(β,θ)与C_k(β,θ)传给基带失配补偿模块；为一个2×2的补偿矩阵，其4个元素的值由与本振频率相关的幅度失配α和相位失配φ计算确定；B_k(β,θ)和C_k(β,θ)均为有限冲激响应滤波器，它们的值均由根据k个基带滤波器确定的基带频率相关的幅度失配β和相位失配θ计算确定；

本振失配补偿模块用于将外部输入的I/Q路的复数形式观测信号进行对本振失配的补偿，并输出补偿后的信号到基带失配补偿模块；

基带失配补偿模块用于对进行基带失配的补偿，并输出补偿后的信号到自适应补偿模块中；

自适应补偿模块用于根据温度变化产生的失配对输入信号进行补偿，得到信号输出

一种基于如上所述装置的宽带零中频接收机正交失配补偿方法，其包括以下步骤：

(1)将I/Q路的训练序列输入到正交失配提取模块中；

(2)在正交失配提取模块中，对训练序列的失配信息进行提取，得到I/Q分支的混合幅度失配ε(f_LO,f_BB)和混合相位失配ψ(f_LO,f_BB)，并将混合幅度失配ε(f_LO,f_BB)和混合相位失配ψ(f_LO,f_BB)输出到分级校准构建模块中；

(3)分级校准构建模块根据公式ε(f_LO,f_BB)＝β(f_BB)/α(f_LO)和ψ(f_LO,f_BB)＝θ(f_BB)+φ(f_LO)，得到与本振频率相关的幅度失配α(f_LO)和相位失配以及与基带频率相关的幅度失配β(f_BB)和相位失配θ(f_BB)；

(4)分级校准构建模块构建与本振频率f_LO相关的补偿曲线查找表，以及与基带配置状态F_k相关的滤波器B_k(β,θ)和C_k(β,θ)，其中，滤波器B_k(β,θ)和C_k(β,θ)通过任意幅度的基于FIR有限冲击响应模型的最小二乘法拟合构建；

(5)分级校准构建模块根据外部输入的配置信息f_LO和F_k，采用插值法构建出所需的补偿矩阵然后将补偿矩阵输出给本振失配补偿模块，并从滤波器B_k(β,θ)和C_k(β,θ)选择所需的滤波器输出到基带失配补偿模块；

(6)本振失配补偿模块通过补偿矩阵完成对观测信号对于本振失配的补偿，并输出补偿后的信号到基带失配补偿模块；

(7)基带失配补偿模块通过滤波器B_k(β,θ)和C_k(β,θ)完成基带失配的补偿，并输出补偿后的信号到自适应补偿模块；

(8)自适应补偿模块通过求解最优化问题：

得到补偿滤波器h_Q和时延滤波器h_I，并按照下式对进行滤波：

从而得到输出信号

步骤(8)中，运算符表示卷积，右上标T表示转置运算，右下标Q表示正交信号的Q路分量，右下标I表示正交信号的I路分量，表示2阶范数，s.t1为最优化问题的第一个限制条件，s.t2为最优化问题的第二个限制条件，最优化问题的优化目标为在第一个限制条件和第二个限制条件的约束下求得使的2阶范数最小化的Q路补偿有限冲激响应滤波器h_Q的系数，h_I是为了补偿h_Q滤波所带来的时延的时延补偿有限冲激响应滤波器。

本发明与背景技术相比具有如下优点：

a)本发明通过基于导频测试的混合不平衡提取与分解技术，将混合幅度相位失配分解为与本振频率相关的I/Q失配和与基带频率相关的I/Q失配，从而能够进行分级校准。

b)本发明通过频率无关与频率相关分级幅相校准技术，针对于与本振频率相关的I/Q失配、与基带频率相关的I/Q失配、与环境与温度相关的校准波动，分别使用不同的校准模块进行校准。这种分级校准的方式能够通过重构来适应具体的接收机配置、环境及技术指标要求。

c)本发明通过基于N维空间距离最小的自适应优化技术，通过在静态失配补偿后进行自适应的I/Q补偿的方式来适应不同信噪比条件以及温度变化情况。

总之，本发明结合导频校准和自适应盲校准，通过组合基于导频测试的混合不平衡提取与分解、频率无关与频率相关分级幅相校准、基于N维空间距离最小的自适应优化等技术，能够适用于合作与非合作以及多种制式的信号，可以有效克服不同信噪比条件以及温度变化所带来的影响，是对现有技术的一种重要改进。

附图说明

图1是本发明实施例中宽带零中频接收机正交失配补偿装置的结构框图。

图2是本发明实施例中宽带零中频接收机正交失配补偿方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步的详细描述。

一种宽带零中频接收机正交失配补偿装置，其包括正交失配提取模块、分级校准构建模块、本振失配补偿模块、基带失配补偿模块和自适应补偿模块；其中：

正交失配提取模块用于对外部输入的I/Q路的训练序列进行I/Q分支的混合幅度失配ε(f_LO,f_BB)和混合相位失配ψ(f_LO,f_BB)的提取，并将混合幅度失配ε(f_LO,f_BB)和混合相位失配ψ(f_LO,f_BB)传给分级校准构建模块；表示以本振频率f_LO和基带频率f_BB为自变量的射频输入导频训练序列，该序列为一复数序列，其n时刻的值满足其中t_I为正交信号的同相分量，t_Q为正交信号的正交分量；ε(f_LO,f_BB)为正交分量间的混合幅度失配，其值是同相分量与正交分量的比值；ψ(f_LO,f_BB)为正交分量间的混合相位失配，其值是同相分量与正交分量的相位差；

分级校准构建模块通过外部输入的本振频率以及第k组基带滤波器的配置状态F_k，对ε(f_LO,f_BB)和ψ(f_LO,f_BB)进行分解，构造出B_k(β,θ)和C_k(β,θ)，其中，传给本振失配补偿模块，B_k(β,θ)与C_k(β,θ)传给基带失配补偿模块；为一个2×2的补偿矩阵，其4个元素的值由与本振频率相关的幅度失配α和相位失配φ计算确定；B_k(β,θ)和C_k(β,θ)均为FIR(Finite Impulse Response，有限冲激响应)滤波器，它们的值均由根据k个基带滤波器确定的基带频率相关的幅度失配β和相位失配θ计算确定；

本振失配补偿模块用于将外部输入的I/Q路的复数形式观测信号进行对本振失配的补偿，并输出补偿后的信号到基带失配补偿模块；

基带失配补偿模块用于对进行基带失配的补偿，并输出补偿后的信号到自适应补偿模块中；

自适应补偿模块用于根据温度变化产生的失配对输入信号进行补偿，得到信号输出

基于上述装置的宽带零中频接收机正交失配补偿方法，其包括以下步骤：

(1)将I/Q路的训练序列输入到正交失配提取模块中；

(2)在正交失配提取模块中，对训练序列的失配信息进行提取，得到I/Q分支的混合幅度失配ε(f_LO,f_BB)和混合相位失配ψ(f_LO,f_BB)，并将混合幅度失配ε(f_LO,f_BB)和混合相位失配ψ(f_LO,f_BB)输出到分级校准构建模块中；

(3)分级校准构建模块根据公式ε(f_LO,f_BB)＝β(f_BB)/α(f_LO)和ψ(f_LO,f_BB)＝θ(f_BB)+φ(f_LO)，得到与本振频率相关的幅度失配α(f_LO)和相位失配以及与基带频率相关的幅度失配β(f_BB)和相位失配θ(f_BB)；

具体来说，β(f_BB)表示由于基带电路正交不平衡导致的幅度失配，α(f_LO)表示由于正交本振不平衡导致的幅度失配；θ(f_BB)表示由于基带电路正交不平衡导致的相位失配，φ(f_LO)表示由于正交本振不平衡导致的相位失配；

(4)分级校准构建模块构建与本振频率f_LO相关的补偿曲线LUT(Look Up Table，查找表)，以及与基带配置状态F_k相关的滤波器B_k(β,θ)和C_k(β,θ)，其中，滤波器B_k(β,θ)和C_k(β,θ)通过任意幅度的基于FIR模型的最小二乘法拟合构建；

(5)分级校准构建模块根据外部输入的配置信息f_LO和F_k，采用插值法构建出所需的补偿矩阵然后将补偿矩阵输出给本振失配补偿模块，并从滤波器B_k(β,θ)和C_k(β,θ)选择所需的滤波器输出到基带失配补偿模块；

(6)本振失配补偿模块通过补偿矩阵完成对观测信号对于本振失配的补偿，并输出补偿后的信号到基带失配补偿模块；

(7)基带失配补偿模块通过滤波器B_k(β,θ)和C_k(β,θ)完成基带失配的补偿，并输出补偿后的信号到自适应补偿模块；

(8)自适应补偿模块通过求解最优化问题：

得到补偿滤波器h_Q和时延滤波器h_I，并按照下式对进行滤波：

从而得到输出信号

步骤(8)中，运算符表示卷积，右上标T表示转置运算，右下标Q表示正交信号的Q路分量，右下标I表示正交信号的I路分量，表示2阶范数，s.t1为最优化问题的第一个限制条件，s.t2为最优化问题的第二个限制条件，最优化问题的优化目标为在第一个限制条件和第二个限制条件的约束下求得使的2阶范数最小化的Q路补偿有限冲激响应滤波器h_Q的系数，h_I是为了补偿h_Q滤波所带来的时延的时延补偿FIR滤波器。

在实时的不平衡补偿过程中，如果有工作状态变换，则返回步骤(5)，根据新的配置状态f_LO与F_k，产生相应的补偿矩阵并选择补偿滤波器B_k(β,θ)和C_k(β,θ)进行补偿。

具体来说，如图1所示，一种宽带零中频接收机正交失配补偿装置，其包括正交失配提取模块A、分级校准构建模块B、本振失配补偿模块C、基带失配补偿模块D、自适应补偿模块E。

正交失配提取模块A用于对外部输入的训练序列进行I/Q分支的混合幅度失配ε(f_LO,f_BB)和混合相位失配ψ(f_LO,f_BB)的提取，模块A输出接分级校准构建模块B。

模块B通过外部输入的工作状态信息f_LO与F_k，对ε(f_LO,f_BB)、ψ(f_LO,f_BB)进行分解，构造出B_k(β,θ)和C_k(β,θ)，其中输入本振失配补偿模块C，B_k(β,θ)与C_k(β,θ)输入基带失配补偿模块D。

本振失配补偿模块C用于将外部输入的观测信号进行对本振失配的补偿，输出经过补偿后的到基带失配补偿模块D。

基带失配补偿模块D用于对进行基带失配的补偿，输出经补偿后的到自适应补偿模块E中。

自适应补偿模块E用于对温度变化产生的失配变化进行补偿，对输入补偿后得到信号输出

正交失配提取模块A的A-1端口接外部训练序列输入的t_I[n]，A-2端口接t_Q[n]，A-3端口与分级校准构建模块B的B-1端口连接，B-2端口与外部工作状态信息f_LO与F_k连接，B-3端口与本振失配补偿模块C的C-3端口连接，B-4与基带失配补偿模块D的D-3端口连接，本振失配补偿模块C的C-1端口与外部的观测信号输入的r_I[n]连接，C-2端口与r_Q[n]连接，模块C的C-4端口与基带失配补偿模块D的D-1端口连接，C-5端口与D-2端口连接，D-4端口与自适应补偿模块E的E-1端口连接，D-5端口与E-2端口连接，E-3端口输出补偿信号输出的z_I[n]，E-4端口输出z_Q[n]。

如图2所示，基于上述宽带零中频接收机正交失配补偿方法，其包括以下步骤：

(1)采用外部设备产生I/Q路的训练序列输入到正交失配提取模块A中；

(2)在正交失配提取模块A中对训练序列的失配信息进行提取，得到I/Q分支的混合幅度失配ε(f_LO,f_BB)和混合相位失配ψ(f_LO,f_BB)，输出到分级校准构建模块B中；

(3)分级校准构建模块B将I/Q分支的混合幅度失配ε(f_LO,f_BB)和混合相位失配ψ(f_LO,f_BB)，通过式(1)、(2)分解为与本振频率相关的幅度失配α(f_LO)和相位失配以及与基带频率相关的幅度失配β(f_BB)和相位失配θ(f_BB)；

ε(f_LO,f_BF)＝β(f_BF)/α(f_LO) (1)

(4)分级校准构建模块B构建与本振频率f_LO相关的补偿曲线LUT(Look Up Table，查找表)，以及与基带配置状态F_k相关的补偿滤波器B_k(β,θ)和C_k(β,θ)，补偿滤波器B_k(β,θ)和C_k(β,θ)通过任意幅度最小二乘FIR拟合构建；

(5)外部控制系统将配置信息f_LO与F_k输入分级校准构建模块B；

(6)模块B根据f_LO与F_k，采用插值法构建出所需的补偿矩阵输出到本振失配补偿模块C，并从补偿滤波器B_k(β,θ)和C_k(β,θ)选择所需的滤波器输出到基带失配补偿模块D；

(7)本振失配补偿模块C通过补偿矩阵完成对观测信号对于本振失配的补偿，输出到基带失配补偿模块D，模块D通过补偿滤波器B_k(β,θ)和C_k(β,θ)完成基带失配的补偿输出到自适应补偿模块E，模块E通过求解(3)、(4)、(5)式构建的最优化问题，得到补偿滤波器h_Q和时延滤波器h_I，并按照(6)式对进行滤波，从而得到

(8)在实时的不平衡补偿过程中，如果有工作状态变换，则返回步骤(6)，根据新的配置状态f_LO与F_k，产生相应的补偿矩阵并选择补偿滤波器B_k(β,θ)和C_k(β,θ)进行补偿。

上述实施例中，所述的分级校准构建模块B将I/Q分支的混合幅度失配ε(f_LO,f_BB)和混合相位失配ψ(f_LO,f_BB)，通过式(1)、(2)分解为与本振频率相关的幅度失配α(f_LO)和相位失配以及与基带频率相关的幅度失配β(f_BB)和相位失配θ(f_BB)。然后构建补偿曲线，对于本振失配补偿模块C，通过插值的方法构建补偿矩阵对于基带失配补偿模块D，通过任意幅度最小二乘FIR拟合构建补偿滤波器B_k(β,θ)和C_k(β,θ)。

所述的自适应补偿模块E，通过求解(3)、(4)、(5)式构建的最优化问题，得到补偿滤波器h_Q和时延滤波器h_I，并按照(6)式对进行滤波，从而得到

所述的可重构校准过程如图2所示，从导频校准开始，接下来进行正交失配提取，提取得到的混合失配通过失配分解后得到与本振频率相关和幅相失配和与基带频率相关的幅相失配，并构建失配LUT，得到配置信息后构建校准模块。完成本振失配补偿模块C与基带失配补偿模块D构建后，可开始进行实时不平衡补偿。当重新得到配置变化时，回到构建校准模块，根据LUT更新本振失配补偿模块C与基带失配补偿模块D，再进入不平衡补偿。如果没有更新的配置变化时，则一直进行不平衡补偿。

本发明简要工作原理如下：

首先进行校准过程中，将训练序列输入正交失配提取模块A，提取出I/Q分支的混合幅度失配ε(f_LO,f_BB)和混合相位失配ψ(f_LO,f_BB)，并输入分级校准构建模块B。分级校准构建模块B对ε(f_LO,f_BB)、ψ(f_LO,f_BB)进行分解，并根据工作状态信息f_LO与F_k分别构造出B_k(β,θ)和C_k(β,θ)，其中输入本振失配补偿模块C，B_k(β,θ)与C_k(β,θ)输入基带失配补偿模块D，此时完成校准过程。工作过程中，观测信号输入进入本振失配补偿模块C后，经过补偿后得到输出到基带失配补偿模块D。进入基带失配补偿模块D后，经过补偿后得到输出到自适应补偿模块E中。进入自适应补偿模块E后，经过补偿后得到补偿信号输出

总之，本发明是一种能够补偿宽带零中频接收机I/Q正交支路幅度和相位不一致性的装置及方法，其通过组合基于导频测试的混合不平衡提取与分解、频率无关与频率相关分级幅相校准、基于N维空间距离最小的自适应优化等技术，实现了可重构的分级校准。现有技术中，I/Q支路的幅相不一致性，将产生镜像频率，从而恶化接收机的动态范围。有鉴于此，本发明实现了针对宽带零中频I/Q分支幅相不一致性的校准，能够补偿由于本振频率、基带频率、温度、本振幅度变化所带来的幅度和相位不一致性，同时该校准架构采用分级校准方式，能够使算法在性能和计算资源间进行优化，特别适合在通信领域中的宽带软件无线电、宽带频谱监测接收系统中使用。

Claims (2)

1.一种宽带零中频接收机正交失配补偿装置，其特征在于，包括正交失配提取模块、分级校准构建模块、本振失配补偿模块、基带失配补偿模块和自适应补偿模块；其中，

正交失配提取模块用于对外部输入的I/Q路的训练序列进行I/Q分支的混合幅度失配ε(f_LO,f_BB)和混合相位失配ψ(f_LO,f_BB)的提取，并将混合幅度失配ε(f_LO,f_BB)和混合相位失配ψ(f_LO,f_BB)传给分级校准构建模块；表示以本振频率f_LO和基带频率f_BB为自变量的射频输入导频训练序列，该序列为一复数序列，其n时刻的值满足其中t_I为正交信号的同相分量，t_Q为正交信号的正交分量；ε(f_LO,f_BB)为正交分量间的混合幅度失配，其值是同相分量与正交分量的比值；ψ(f_LO,f_BB)为正交分量间的混合相位失配，其值是同相分量与正交分量的相位差；

分级校准构建模块通过外部输入的本振频率以及第k组基带滤波器的配置状态F_k，对ε(f_LO,f_BB)和ψ(f_LO,f_BB)进行分解，构造出B_k(β,θ)和C_k(β,θ)，其中，传给本振失配补偿模块，B_k(β,θ)与C_k(β,θ)传给基带失配补偿模块；为一个2×2的补偿矩阵，其4个元素的值由与本振频率相关的幅度失配α和相位失配φ计算确定；B_k(β,θ)和C_k(β,θ)均为有限冲激响应滤波器，它们的值均由根据k个基带滤波器确定的基带频率相关的幅度失配β和相位失配θ计算确定；

本振失配补偿模块用于将外部输入的I/Q路的复数形式观测信号进行对本振失配的补偿，并输出补偿后的信号到基带失配补偿模块；

基带失配补偿模块用于对进行基带失配的补偿，并输出补偿后的信号到自适应补偿模块中；

自适应补偿模块用于根据温度变化产生的失配对输入信号进行补偿，得到信号输出

2.一种基于如权利要求1所述装置的宽带零中频接收机正交失配补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将I/Q路的训练序列输入到正交失配提取模块中；

(2)在正交失配提取模块中，对训练序列的失配信息进行提取，得到I/Q分支的混合幅度失配ε(f_LO,f_BB)和混合相位失配ψ(f_LO,f_BB)，并将混合幅度失配ε(f_LO,f_BB)和混合相位失配ψ(f_LO,f_BB)输出到分级校准构建模块中；

(3)分级校准构建模块根据公式ε(f_LO,f_BB)＝β(f_BB)/α(f_LO)和ψ(f_LO,f_BB)＝θ(f_BB)+φ(f_LO)，得到与本振频率相关的幅度失配α(f_LO)和相位失配以及与基带频率相关的幅度失配β(f_BB)和相位失配θ(f_BB)；

(4)分级校准构建模块构建与本振频率f_LO相关的补偿曲线查找表，以及与基带配置状态F_k相关的滤波器B_k(β,θ)和C_k(β,θ)，其中，滤波器B_k(β,θ)和C_k(β,θ)通过任意幅度的基于FIR有限冲击响应模型的最小二乘法拟合构建；

(5)分级校准构建模块根据外部输入的配置信息f_LO和F_k，采用插值法构建出所需的补偿矩阵然后将补偿矩阵输出给本振失配补偿模块，并从滤波器B_k(β,θ)和C_k(β,θ)选择所需的滤波器输出到基带失配补偿模块；

(6)本振失配补偿模块通过补偿矩阵完成对观测信号对于本振失配的补偿，并输出补偿后的信号到基带失配补偿模块；

(7)基带失配补偿模块通过滤波器B_k(β,θ)和C_k(β,θ)完成基带失配的补偿，并输出补偿后的信号到自适应补偿模块；

(8)自适应补偿模块通过求解最优化问题：

得到补偿滤波器h_Q和时延滤波器h_I，并按照下式对进行滤波：

从而得到输出信号

步骤(8)中，运算符表示卷积，右上标T表示转置运算，右下标Q表示正交信号的Q路分量，右下标I表示正交信号的I路分量，表示2阶范数，s.t1为最优化问题的第一个限制条件，s.t2为最优化问题的第二个限制条件，最优化问题的优化目标为在第一个限制条件和第二个限制条件的约束下求得使的2阶范数最小化的Q路补偿有限冲激响应滤波器h_Q的系数，h_I是为了补偿h_Q滤波所带来的时延的时延补偿有限冲激响应滤波器。