CN110518908B - 基于施密特正交化来消除iq两路信号相位误差的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于施密特正交化来消除IQ两路信号相位误差的方法，在不考虑噪声影响下，通过对I、Q通道中混频处理后的信号进行ADC采样，然后，以I通道信号为基准，对Q通道信号进行施密特正交化处理，再将I通道信号和处理后的Q通道信号构成复数信号并进行FFT处理，最后绘制频谱图，观察频谱图是否有镜像谱分量，如果有镜像谱分量，则更新Q通道信号，继续进行施密特正交化，直到绘制的频谱图没有镜像谱分量，从而完成相位误差的校正。

Description

基于施密特正交化来消除IQ两路信号相位误差的方法
技术领域
本发明属于误差校正技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于施密特正交化来消除IQ两路信号相位误差的方法。
背景技术
在无线通信领域，凭借较高的灵敏度和出色的动态范围，超外差式结构成为接收机最广泛采用的结构。但是由于需要高Q值的带通滤波器用于镜像抑制和信道选择，超外差式接收机也存在结构复杂、体积功耗偏大和不易集成等缺点，这严重制约了超外差式接收机在对功耗、体积等敏感产品中的应用。与超外差式接收机相比，零中频式接收机在下变频时将射频信号直接变频到基带，不需要镜像抑制和信道选择滤波器，具有易于单片集成、结构简单和成本功耗低等优点，近年来获得了广泛的关注。
但是，零中频接收机采用正交下变频结构，严格要求必须产生频率相同、相位相差90°的两路正交本振信号，两路信道中混频器、滤波器、放大器对信号的响应也必须完全一致。然而，在实际硬件电路中，器件的物理限制和电路设计误差会导致I路和Q路信号的相位和幅度不一致，即IQ不平衡问题。IQ不平衡问题会导致基带信号包含镜像干扰信号，严重影响系统的信噪比和动态范围。因此，需要采取相应的措施消除IQ不平衡对系统的影响。而其中要解决的关键问题就是I/Q信号的正交问题。
目前消除IQ不平衡问题的主要措施有电路优化设计和数字域补偿校准。电路优化设计的方法主要是通过提高器件的一致性，减小I路与Q路相位和幅度的不一致，但是无法完全消除IQ不平衡。数字域补偿校准是利用数字信号处理的算法在基带对信号进行补偿，抑制IQ不平衡造成的镜像干扰，由于其良好的校正效果及简洁的操作过程，是目前大量被使用的方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于施密特正交化来消除IQ两路信号相位误差的方法，以I通道信号为基准，对Q通道信号进行施密特正交化处理，从而有效解决I、Q通道的信号相位相差不等于90度的问题。
为实现上述发明目的，本发明一种基于施密特正交化来消除IQ两路信号相位误差的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、将输入的射频模拟信号r(t)与本振输出的两路信号cos(ωct)和
Figure GDA0002237042260000021
分别通过I、Q通道中的混频器混频处理，其中，
Figure GDA0002237042260000022
为失衡相位，ωc为载波频率；
(2)、通过I、Q通道中低通滤波器滤出混频处理后的信号的高频成分；
(3)、通过I、Q通道中ADC对滤波后的信号进行采样，得到I、Q通道中信号xi[n]＝cos(ωnTs)、
Figure GDA0002237042260000023
其中，ω为基带信号频率，n为时间的离散时刻，Ts为ADC采样率；
(4)、以I通道信号xi[n]为基准，对Q通道信号xq[n]进行施密特正交化处理；
x′q[n]＝xq[n]-(<xi[n],xq[n]>/<xi[n],xi[n]>)·xi[n]
其中，<·>表示求内积运算；
(5)、将I通道信号和处理后的Q通道信号构成复数信号，并进行FFT处理，再绘制频谱图，观察频谱图是否有镜像谱分量，如果有镜像谱分量，则将Q通道信号xq[n]更新为x′q[n]，再返回步骤(4)；如果没有镜像谱分量，则相位误差校正结束。
本发明的发明目的是这样实现的：
本发明基于施密特正交化来消除IQ两路信号相位误差的方法，在不考虑噪声影响下，通过对I、Q通道中混频处理后的信号进行ADC采样，然后，以I通道信号为基准，对Q通道信号进行施密特正交化处理，再将I通道信号和处理后的Q通道信号构成复数信号并进行FFT处理，最后绘制频谱图，观察频谱图是否有镜像谱分量，如果有镜像谱分量，则更新Q通道信号，继续进行施密特正交化，直到绘制的频谱图没有镜像谱分量，从而完成相位误差的校正。
同时，本发明基于施密特正交化来消除IQ两路信号相位误差的方法还具有以下有益效果：
(1)、在现有技术中，施密特正交化处理实现的是线性无关的向量组间的处理，而本发明率先将施密特正交化处理用于通道间的信号误差校正；
(2)、本发明能够克服电路优化设计方法中无法完全消除IQ不平衡问题，还能克服数字域补偿校准方法中无法抑制IQ不平衡造成的镜像干扰问题；
(3)、本发明校正效果好且及操作简洁，有效解决I、Q通道的信号相位相差不等于90度的问题。
附图说明
图1是本发明基于施密特正交化来消除IQ两路信号相位误差的方法流程图；
图2是正交解调中I/Q通道的误差引入示意图；
图3是I/Q信号的施密特正交化示意图；
图4是施密特正交化前后FFT频谱图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
实施例
图1是本发明基于施密特正交化来消除IQ两路信号相位误差的方法流程图。
在本实施例中，如图1所示，本发明一种基于施密特正交化来消除IQ两路信号相位误差的方法，包括以下步骤：
S1、射频信号和本振信号进行混频处理
在不考虑噪声影响下，如图2所示，接收到的射频模拟信号为r(t)，本振(LO)输出的两路信号分别为cos(ωct)和
Figure GDA0002237042260000031
Figure GDA0002237042260000032
代表Q路本振信号相对I路的相位偏置(理想情况
Figure GDA0002237042260000033
)，ωc为载波频率，设基带信号频率为ω，低通滤波器用于滤除混频后的高频成分；然后将两路信号通过I、Q通道中的混频器混频处理；
S2、信号滤波
通过I、Q通道中低通滤波器滤出混频处理后的信号的高频成分；
S3、ADC采样
假设两路信号的幅度已完成校正且归一化为1，则通过I、Q通道中ADC对滤波后的信号进行采样，得到I、Q通道中信号xi[n]＝cos(ωnTs)、
Figure GDA0002237042260000041
其中，ω为基带信号频率，n为时间的离散时刻，Ts为ADC采样率；
S4、施密特正交化处理
在现有技术中，施密特正交化可以实现根据一个线性无关的向量组α1,α2,.....,αm，构造出一个标准的正交向量组e1,e2,......,em，并且使向量组α1,α2,.....,αm与e1,e2,......,em等价。
选取由两个线性无关向量构成的向量组进行阐述，设向量组α1,α2线性无关，我们构造正交向量β1,β2使两向量组等价，所要求的条件：β1是α1线性组合，β2是α1,α2的线性组合，即
β1＝α1 (1)
β2＝α2-K·β1 (2)
其中数值K选取应使β1与β2垂直，
<β2,β1>＝<α2,β1>-K·<β1,β1>＝0 (3)
其中<·>代表内积。
因<β1,β1>＞0，于是得K＝<α2,β1>/<β1,β1>,从而得
β1＝α1 (4)
β2＝α2-(<α2,β2>/<β1,β1>)·β1 (5)
最后进行单位化
ei＝βi/||βi|| (6)
综上，基于上述原理，本发明将施密特正交运用到消除I、Q通道的相位误差中，对xi[n]、xq[n]进行施密特正交化处理，如图3所示，以I通道信号xi[n]为基准，对Q通道信号xq[n]进行施密特正交化处理；
x′q[n]＝xq[n]-(<xi[n],xq[n]>/<xi[n],xi[n]>)·xi[n] (7)
其中，<·>表示求内积运算；
S5、判断相位误差校正是否结束
将I通道信号和处理后的Q通道信号构成复数信号，并进行FFT处理，再绘制频谱图，观察频谱图是否有镜像谱分量，如果有镜像谱分量，则将Q通道信号xq[n]更新为x′q[n]，再返回步骤S4；如果没有镜像谱分量，则相位误差校正结束。
实例：
以16QAM为例，设采样率为Ts＝50MHz，基带信号频率为ω0＝5MHz，相位失衡
Figure GDA0002237042260000051
采样后的基带I/Q信号分别为
xi[n]＝Acos[ω0nTs]
Figure GDA0002237042260000052
将I/Q信号组成的复信号进行N＝2048点傅里叶变换，观察校正前的频谱，由相位失衡导致的镜像信号谱线高达-31.73dB。
将I/Q两路信号带入施密特正交化处理，得到x′q[n]
x′q[n]＝xq[n]-(<xi[n],xq[n]>/<xi[n],xi[n]>)·xi[n]
经过施密特正交化迭代后的无镜像分量的Q信号作为最终正确的Q信号，I/Q信号组成的复信号进行N＝2048点傅里叶变换，校正后频谱镜像频率谱线改善明显。
在本实施例中，校正前后的FFT频谱如图4所示，其中，图4(a)是，校正前的FFT频谱，图4(b)是，校正前的FFT频谱，由图可知镜像谱已经被完全消除，相位误差校正完毕。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (1)

1.一种基于施密特正交化来消除IQ两路信号相位误差的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、将输入的射频模拟信号r(t)与本振输出的两路信号cos(ωct)和
Figure FDA0003549475850000011
分别通过I、Q通道中的混频器混频处理，其中，
Figure FDA0003549475850000012
为失衡相位，ωc为载波频率；
(2)、通过I、Q通道中低通滤波器滤出混频处理后的信号的高频成分；
(3)、通过I、Q通道中ADC对滤波后的信号进行采样，得到I、Q通道中信号xi[n]＝cos(ωnTs)、
Figure FDA0003549475850000013
其中，ω为基带信号频率，n为时间的离散时刻，Ts为ADC采样率；
(4)、以I通道信号xi[n]为基准，对Q通道信号xq[n]进行施密特正交化处理；
x'q[n]＝xq[n]-(<xi[n],xq[n]>/<xi[n],xi[n]>)·xi[n]
其中，<·>表示求内积运算；
(5)、将I通道信号和处理后的Q通道信号构成复数信号，并进行FFT处理，再绘制频谱图，观察频谱图是否有镜像谱分量，如果有镜像谱分量，则将Q通道信号xq[n]更新为x'q[n]，再返回步骤(4)；如果没有镜像谱分量，则相位误差校正结束。
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