CN111510406B - 实现宽带iq调制实时预失真校准的电路及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种实现宽带IQ调制实时预失真校准的电路，包括基带发生模块，用于根据校准带宽和预失真滤波器的阶数，校准信号发生器分别产生两路正交的正余弦校准信号，数据开关切换至相关的数据通道；数模转换模块用于将信号转换成模拟I和Q基带信号；频率合成模块用于生成一定频率范围内的信号；IQ调制模块，用于将模拟基带信号与本振信号进行混频；幅度控制模块用于对射频信号功率进行连续调整。本发明还涉及一种实现宽带IQ调制实时预失真校准处理的方法。采用了本发明的实现宽带IQ调制实时预失真校准的电路及方法，校准流程在本地实时完成，解决了因硬件电路性能改变引起的频响误差修正问题，从而可实时现场完成频响自动预失真校准。
Description
技术领域
本发明涉及现代数字通信领域，尤其涉及矢量信号发生器领域，具体是指一种实现宽带IQ调制实时预失真校准的电路及方法。
背景技术
现代数字通信技术广泛使用了IQ调制技术，矢量信号发生器在通信设备、终端及芯片的研发、生产中被广泛使用，其作用是提供标准已知的激烈信号，对被测试对象的响应进行测量和评估，以判断其功能和性能指标是否满足要求。作为通用的测试测量仪器，矢量信号发生器的具有宽频段、大带宽及高性能的特点，高性能主要体现在相位噪声、功率精度和稳定度、误差矢量幅度(EVM)核心技术指标上。
衡量矢量信号发生器的一个核心指标是EVM，它反映了实际信号与理想信号的幅度和相位误差。影响调制信号EVM的因素有多种，包括相位噪声、信噪比、正交误差、带内频响等。其中，带内频响的误差在宽带IQ调制的影响非常明显。现在的无线通信技术不断发展，以5G为代表的新一代无线通信系统，信号带宽已经达到100MHz以上，并为了提高频谱效率采用了高阶数字调制，如64QM等，这些都对矢量信号发生器的EVM性能提出极高的要求。在上述的原理框图中，引起EVM恶化的频响误差主要来源于以下几个方面：
(1)基带信号的频响误差，主要是由于DAC的宽带特性以及模拟滤波器的器件误差引起；
(2)调制器的宽带调制特性，主要是混频器的频率响应和端口匹配误差引起，另外来自频率合成的本振信号的频率和功率改变，也会引起调制器的频响发生改变；
(3)射频通道的频响误差，这部分的误差来源最大，主要是各种射频器件的宽带特性和相互之间的匹配，都会产生较大的频响误差。
为了克服频响误差引起的EVM恶化，一般在高性能的矢量信号发生器中都需要加入校准功能，能够对频响、正交性、增益平衡等进行预校准，将已知状态的特定测量数据存储，然后在基带发生中进行预失真处理，以抵消由于后端误差引起的EVM恶化。这种校准通常是一次性的，在出厂前进行。但这种校准仍然存在以下一些问题：
(1)校准数据不具备遍历性，由于仪器的工作状态非常多，遍历各种状态下的校准数据需要海量的数据和工作时间，因此是不现实不可行的。一般采取拟合的方式进行，这种拟合存在误差是无法消除的；
(2)射频电路的元器件随着时间的推移会产生老化现象，而且是不可预知的，因此，随着时间的推移，仪表的性能会不断下降，需要返厂进行校准维护；
(3)射频器件如调制器、放大器和衰减器等的性能参数随环境的变化而产生不可预期的变化，造成频响的波动产生变化。
综上所述，为改善矢量信号发生器的EVM，本发明提出了一种实时反馈的预失真校准电路和方法，以解决上述问题引起的频响变化从而恶化EVM的问题。
发明内容
本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种满足实时性好、操作简便、适用范围较为广泛的实现宽带IQ调制实时预失真校准的电路及方法。
为了实现上述目的，本发明的实现宽带IQ调制实时预失真校准的电路及方法如下：
该实现宽带IQ调制实时预失真校准的电路，其主要特点是，所述的电路包括：
基带发生模块，用于根据校准带宽和预失真滤波器的阶数，校准信号发生器分别产生两路正交的正余弦校准信号，数据开关切换至相关的数据通道；
数模转换模块，与所述的基带发生模块相连接，用于将信号转换成模拟I和Q基带信号；
频率合成模块，与所述的IQ调制模块相连接，用于生成一定频率范围内的信号；
IQ调制模块，与所述的数模转换模块相连接，用于将模拟基带信号与本振信号进行混频，将两路混频器的输出经合路后求和输出；
幅度控制模块，与所述的IQ调制模块和数模转换模块相连接，用于对射频信号功率进行连续调整。
较佳地，所述的基带发生模块包括：
基带发生单元，用于根据信号制式或类型产生两路正交的数字I和Q路信号；
自动预失真校准因子生成单元，用于对采集到的频响数据进行处理，生成预失真校准因子，并将该校准因子转换成预失真滤波器的滤波系数h(n)；
预失真滤波器，与所述的基带发生单元相连接，用于对基带信号进行预失真处理，实时装载自动生成的滤波系数h(n)；
校准信号发生器，用于产生数字化基带校准信号，以及两路彼此正交的正余弦数字信号；
数据开关，与所述的预失真滤波器相连接，用于切换校准信号和基带信号进入数模转换模块。
较佳地，所述的数模转换模块包括数模转换器和模数转换器，所述的数模转换器与数据开关相连接，所述的模数转换器与自动预失真校准因子生成单元和幅度控制模块相连接，用于对检波器的输出信号进行数字化处理，通过计算生成频响误差校准因子。
较佳地，所述的幅度控制模块包括模拟压控衰减器、放大器、耦合器和数字步进衰减器，所述的模拟压控衰减器、放大器、耦合器和数字步进衰减器依次相连，所述的模拟压控衰减器的输入端与IQ调制模块相连接；
所述的幅度控制模块还包括检波器，与数模转换模块、模拟压控衰减器和耦合器相连接，用于检测已知信号输出的幅度信息；
所述的模拟压控衰减器、耦合器和检波器构成了闭环的自动电平控制负反馈，用于稳定信号的功率输出。
该利用上述电路实现宽带IQ调制实时预失真校准处理的方法，其主要特点是，所述的方法包括以下步骤：
(1)矢量信号发生器的通路状态参数发生改变，通过参数设置自动校准是否进行，如果是，则进入校准模式，继续步骤(2)；否则，进入工作模式，退出步骤；
(2)根据基带采样率和预失真滤波器阶数作为频率步进量，改变校准信号发生器的信号输出频率，进行整个基带带宽内的频响测量；
(3)自动预失真校准因子生成单元计算转换生成预失真滤波器的滤波系数h(n)；
(4)自动加载进滤波器，完成整个调制带宽内的频响幅度修正。
较佳地，所述的步骤(2)具体包括以下步骤：
(2.1)根据校准带宽和预失真滤波器的阶数，校准信号发生器分别产生两路正交的正余弦校准信号；
(2.2)数据开关切换至相关的数据通道，传输信号至数模转换模块；
(2.3)数模转换模块产生两路模拟的正交正余弦信号，经IQ调制模块调制输出产生抑制载波的单边带调制信号；
(2.4)幅度控制模块进行幅度控制，检波器的输出经模数转换器转换成数字信号。
较佳地，所述的步骤(3)中计算预失真滤波器的滤波系数h(n)，具体为：
根据以下公式计算预失真滤波器的滤波系数h(n)：
其中，A(n)为检波器的输出幅度值序列，D(n)为检波器的频响数据序列，IFFT为傅里叶逆变换。
采用了本发明的实现宽带IQ调制实时预失真校准的电路及方法，校准流程在本地实时完成，解决了因硬件电路性能改变引起的频响误差修正问题，从而可实时现场完成频响自动预失真校准，从而改善矢量信号发生器的EVM。本发明可实现整个校准过程的内部自动化，不需外接任何设备即可完成校准过程，校准过程也非常迅速，对使用者来说是无感的。本发明同样适用于宽带数字调制的射频发射设备和系统，但需要额外增加校准的时间响应，可用于其检修和维护。
附图说明
图1为现有技术的矢量信号发生器原理框图。
图2为本发明的实现宽带IQ调制实时预失真校准的电路的构成图。
图3为本发明的实现宽带IQ调制实时预失真校准处理的方法的流程图。
具体实施方式
为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。
本发明的该实现宽带IQ调制实时预失真校准的电路，其中包括：
基带发生模块，用于根据校准带宽和预失真滤波器的阶数，校准信号发生器分别产生两路正交的正余弦校准信号，数据开关切换至相关的数据通道；
数模转换模块，与所述的基带发生模块相连接，用于将信号转换成模拟I和Q基带信号；
频率合成模块，与所述的IQ调制模块相连接，用于生成一定频率范围内的信号；
IQ调制模块，与所述的数模转换模块相连接，用于将模拟基带信号与本振信号进行混频，将两路混频器的输出经合路后求和输出；
幅度控制模块，与所述的IQ调制模块和数模转换模块相连接，用于对射频信号功率进行连续调整。
作为本发明的优选实施方式，所述的基带发生模块包括：
基带发生单元，用于根据信号制式或类型产生两路正交的数字I和Q路信号；
自动预失真校准因子生成单元，用于对采集到的频响数据进行处理，生成预失真校准因子，并将该校准因子转换成预失真滤波器的滤波系数h(n)；
预失真滤波器，与所述的基带发生单元相连接，用于对基带信号进行预失真处理，实时装载自动生成的滤波系数h(n)；
校准信号发生器，用于产生数字化基带校准信号，以及两路彼此正交的正余弦数字信号；
数据开关，与所述的预失真滤波器相连接，用于切换校准信号和基带信号进入数模转换模块。
作为本发明的优选实施方式，所述的数模转换模块包括数模转换器和模数转换器，所述的数模转换器与数据开关相连接，所述的模数转换器与自动预失真校准因子生成单元和幅度控制模块相连接，用于对检波器的输出信号进行数字化处理，通过计算生成频响误差校准因子。
作为本发明的优选实施方式，所述的幅度控制模块包括模拟压控衰减器、放大器、耦合器和数字步进衰减器，所述的模拟压控衰减器、放大器、耦合器和数字步进衰减器依次相连，所述的模拟压控衰减器的输入端与IQ调制模块相连接；
所述的幅度控制模块还包括检波器，与数模转换模块、模拟压控衰减器和耦合器相连接，用于检测已知信号输出的幅度信息；
所述的模拟压控衰减器、耦合器和检波器构成了闭环的自动电平控制负反馈，用于稳定信号的功率输出。
本发明的该利用上述电路实现宽带IQ调制实时预失真校准处理的方法，其中包括以下步骤：
(1)矢量信号发生器的通路状态参数发生改变，通过参数设置自动校准是否进行，如果是，则进入校准模式，继续步骤(2)；否则，进入工作模式，退出步骤；
(2)根据基带采样率和预失真滤波器阶数作为频率步进量，改变校准信号发生器的信号输出频率，进行整个基带带宽内的频响测量；
(2.1)根据校准带宽和预失真滤波器的阶数，校准信号发生器分别产生两路正交的正余弦校准信号；
(2.2)数据开关切换至相关的数据通道，传输信号至数模转换模块；
(2.3)数模转换模块产生两路模拟的正交正余弦信号，经IQ调制模块调制输出产生
抑制载波的单边带调制信号；
(2.4)幅度控制模块进行幅度控制，检波器的输出经模数转换器转换成数字信号；
(3)自动预失真校准因子生成单元计算经过转换生成的预失真滤波器的滤波系数h(n)；
(4)自动加载进滤波器，完成整个调制带宽内的频响幅度修正。
作为本发明的优选实施方式，所述的步骤(3)中计算预失真滤波器的滤波系数h(n)，具体为：
根据以下公式计算预失真滤波器的滤波系数h(n)：
其中，A(n)为检波器的输出幅度值序列，D(n)为检波器的频响数据序列，IFFT为傅里叶逆变换。
本发明的具体实施方式中，典型的矢量信号发生器原理如图1所示，主要包括基带发生、IQ调制、频率合成以及射频通道等个单元，其工作原理是基带发生单元(BBG，BaseBand Generator)根据信号制式或类型产生两路正交的数字I和Q路信号，产生的途径可以是本地产生，也可以是来自外部的数据流或文件等，经过数模转换器转换成模拟I和Q基带信号。模拟基带信号进入IQ调制器(IQ Modulator)，分别与来自频率合成单元的本振(LO)信号进行混频，两路本振信号具有90度的相差，两路混频器的输出经合路后求和输出，完成在射频频率上的数字调制。频率合成单元一般由锁相环构成，实现一定频率范围内的信号生成。经IQ调制后的信号进入射频通道，其主要是实现信号功率的控制，内部包括模拟压控衰减器(VVA)、放大器(AMP)、耦合器(Coupler)和数字步进衰减器(DSA)等，可实现射频信号功率的连续调整。另外，模拟压控衰减器、耦合器和检波器(DET)构成了闭环的自动电平控制(ALC)负反馈，以稳定信号的功率输出，改善因环境变化等因素引起的功率波动。
图2是本发明的系统框图和连接关系。其工作原理是，对于整机系统来说，所有元器件的频响变化是线性叠加的，最终的输出频响误差是各个单元或器件的频响误差之和，通过实时测量这种频响误差，并在基带信号输出前，根据实测的频响误差进行预失真处理，从而从整体上改善整机的频响误差。这样，需要在基带端产生频率、幅度已知的信号，并通过测量这个信号，以获得整体的频响误差。相比原有的技术方案，在电路中增加了如下关键电路：
检波器(DET)：用于检测已知信号输出的幅度信息，这个检波器可以使用自动电平控制(ALC)的，亦可以在电路中单独增加，并且尽量靠近输出端，比如可以放置在数字步进衰减器(DSA)之后。
模数转换器(ADC)：对检波器的输出信号进行数字化处理，通过计算以生成频响误差校准因子。
自动预失真校准因子生成(AHG)：对采集到的一组频响数据进行处理，生成预失真校准因子，并将该校准因子转换成预失真滤波器的h因子。
预失真滤波器(FIRI/Q)：通过对基带信号进行预失真处理，实为一组线性相位的FIR滤波器，该滤波器的h因子是可装载的，用于实时装载自动生成的h因子。
校准信号发生器(CSG，Calibration Signal Generator)：在本地产生频率、幅度已知并可控的数字化基带校准信号，产生两路彼此正交的正余弦数字信号。
数据开关(SW1&SW2)：用于切换校准信号和基带信号进入DAC。
本发明的基于上述电路实现宽带IQ调制实时预失真校准处理的方法，其中，包括以下步骤：
在矢量信号发生器的通路状态参数发生改变后，如频率、功率、调制信号类型发生改变后，可通过参数设置自动校准是否进行，即此校准流程是否进行是可设置的。
如进入校准模式，在基带发生单元中，根据校准带宽和预失真滤波器的阶数，CSG分别产生两路正交的正余弦校准信号，数据开关切换至相关的数据通道，进入数模转换器DAC，
数模转换器DAC产生两路模拟的正交正余弦信号，经IQ调制器调制输出产生抑制载波的单边带调制信号(SSBSC)，再经过其后的射频通道完成幅度控制后，检波器DET的输出经模数转换器转换成数字信号，该数字反映了在当前调制频率下的信号功率，如此反复改变CSG的信号输出频率，频率步进量是基带采样率fs和预失真滤波器阶数n的函数。直至完成整个基带带宽内的频响测量，生成一组调制输出的频响A(n)，这组数据在自动预失真校准因子生成中经计算转换成预失真滤波器的滤波系数h(n)，并自动加载进滤波器中，这样就完成了整个调制带宽内的频响幅度修正。流程图如图3所示。
在计算h因子的过程中，需要将检波器的频响误差进行修正，具体计算预失真滤波器h因子的方法如下：
产生的校准信号为：
其中，fs为DAC的采样率，N为预失真滤波器的阶数，A(n)为检波器的输出幅度值序列，h(n)为最终计算产生的预失真滤波器h因子，D(n)为检波器的频响数据序列，IFFT为傅里叶逆变换。
考虑到实际使用情况下，存在多场景切换的情况，可以在基带发生单元中增加存储器，存储已产生的匹配校准数组，在状态转换时直接调用即可。另外，亦可以在整机不输出的时候，在后台进行ADC数据比对，以判断是否需要校准。
采用了本发明的实现宽带IQ调制实时预失真校准的电路及方法，校准流程在本地实时完成，解决了因硬件电路性能改变引起的频响误差修正问题，从而可实时现场完成频响自动预失真校准，从而改善矢量信号发生器的EVM。本发明可实现整个校准过程的内部自动化，不需外接任何设备即可完成校准过程，校准过程也非常迅速，对使用者来说是无感的。本发明同样适用于宽带数字调制的射频发射设备和系统，但需要额外增加校准的时间响应，可用于其检修和维护。
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。
Claims (3)
1.一种实现宽带IQ调制实时预失真校准的电路，其特征在于，所述的电路包括：
基带发生模块，用于根据校准带宽和预失真滤波器的阶数，校准信号发生器分别产生两路正交的正余弦校准信号，数据开关切换至相关的数据通道；
数模转换模块，与所述的基带发生模块相连接，用于将信号转换成模拟I和Q基带信号；
IQ调制模块，与所述的数模转换模块相连接，用于将模拟基带信号与本振信号进行混频，将两路混频器的输出经合路后求和输出；
频率合成模块，与所述的IQ调制模块相连接，用于生成一定频率范围内的信号；
幅度控制模块，与所述的IQ调制模块和数模转换模块相连接，用于对射频信号功率进行连续调整；
所述的基带发生模块包括：
基带发生单元，用于根据信号制式或类型产生两路正交的数字I和Q路信号；
自动预失真校准因子生成单元，用于对采集到的频响数据进行处理，生成预失真校准因子，并将该校准因子转换成预失真滤波器的滤波系数h(n)；
预失真滤波器，与所述的基带发生单元相连接，用于对基带信号进行预失真处理，实时装载自动生成的滤波系数h(n)；
校准信号发生器，用于产生数字化基带校准信号，以及两路彼此正交的正余弦数字信号；
数据开关，与所述的预失真滤波器相连接，用于切换校准信号和基带信号进入数模转换模块；
所述的幅度控制模块包括模拟压控衰减器、放大器、耦合器和数字步进衰减器，所述的模拟压控衰减器、放大器、耦合器和数字步进衰减器依次相连，所述的模拟压控衰减器的输入端与IQ调制模块相连接；
所述的幅度控制模块还包括检波器，与数模转换模块、模拟压控衰减器和耦合器相连接，用于检测已知信号输出的幅度信息；
所述的模拟压控衰减器、耦合器和检波器构成了闭环的自动电平控制负反馈，用于稳定信号的功率输出。
2.根据权利要求1所述的实现宽带IQ调制实时预失真校准的电路，其特征在于，所述的数模转换模块包括数模转换器和模数转换器，所述的数模转换器与数据开关相连接，所述的模数转换器与自动预失真校准因子生成单元和幅度控制模块相连接，用于对检波器的输出信号进行数字化处理，通过计算生成频响误差校准因子。
3.一种基于权利要求1所述的电路实现宽带IQ调制实时预失真校准处理的方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：
(1)矢量信号发生器的通路状态参数发生改变，通过参数设置自动校准是否进行，如果是，则进入校准模式，继续步骤(2)；否则，进入工作模式，退出步骤；
(2)根据基带采样率和预失真滤波器阶数作为频率步进量，改变校准信号发生器的信号输出频率，进行整个基带带宽内的频响测量；
(3)自动预失真校准因子生成单元计算经过转换生成的预失真滤波器的滤波系数h(n)；
(4)自动加载进滤波器，完成整个调制带宽内的频响幅度修正；
所述的步骤(2)具体包括以下步骤：
(2.1)根据校准带宽和预失真滤波器的阶数，校准信号发生器分别产生两路正交的正余弦校准信号；
(2.2)数据开关切换至相关的数据通道，传输信号至数模转换模块；
(2.3)数模转换模块产生两路模拟的正交正余弦信号，经IQ调制模块调制输出产生抑制载波的单边带调制信号；
(2.4)幅度控制模块进行幅度控制，检波器的输出经模数转换器转换成数字信号；
所述的步骤(3)中计算预失真滤波器的滤波系数h(n)，具体为：
根据以下公式计算预失真滤波器的滤波系数h(n)：
其中，A(n)为检波器的输出幅度值序列，D(n)为检波器的频响数据序列，IFFT为傅里叶逆变换。
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