CN112054984B - Iq不平衡校正方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种IQ不平衡校正方法及装置，属于通信技术领域。所述方法包括：根据IQ不平衡校正的理论模型简化得到IQ不平衡校正的简化模型；采用所述简化模型对输入信号进行IQ不平衡校正，得到初步校正结果；对所述初步校正结果进行修正。本发明针对IQ不平衡校正的理论模型进行简化，得到无需进行三角函数和除法运算的简化模型，大大降低硬件电路设计的复杂度，使不支持三角函数和除法运算的基带电路也可实现精确的IQ不平衡校正。而且，利用简化模型对输入信号进行初步校正，基于初步校正结果进行修正，提高了校正精度。本发明采用开环方式，没有反馈环路，减少了硬件成本，避免反馈环路存在的发散风险和失锁情况，能够实现实时校正。

Description

IQ不平衡校正方法及装置
技术领域
本发明涉及通信技术领域，具体地涉及一种IQ不平衡校正方法以及一种IQ不平衡校正装置。
背景技术
通信系统传送的基频数据通常承载于正交信号之上，该信号由同相(In-phase，I)分量以及正交(Quadrature-phase，Q)分量组成。理想状况下，I分量与Q分量幅度一致，相位相差90度。但在实际系统中，电路组件通常因为制程变化以及几何布局的差别会有不同程度的不匹配，两个分量间会产生振幅差(增益不平衡)以及相位差(相位不平衡)，导致IQ不平衡，使信号传输质量下降。
目前IQ不平衡的校正方案主要包括中射频校正、基带侧校正和辅助设备校正。中射频侧校正方案是一种离线方式，需要发送多个射频单音信号至RF端，由检测估计模块计算对应的IQ不平衡参数并制成表格，再根据选用的频点确定IQ参数进行校正。该方案需要单独的校正过程，无法实现实时处理。基带侧校正将基带信号传送至误差检测器得到残差，再采用反馈环路跟踪锁定IQ不平衡参数。该方案依赖反馈环路进行工作，任一环路失锁，系统都将无法工作，性能受限于环路的锁定范围。辅助设备校正方案通过发送特定信号至专门的外设，由外设估计IQ不平衡参数后反馈给通信设备，该方案需要增加额外的检测分析设备，应用成本高。而且，现有的IQ不平衡校正方案需要硬件电路支持复杂的数学运算，对硬件要求较高，增加了硬件设计难度和硬件成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种IQ不平衡校正方法及装置，以解决上述的问题。
为了实现上述目的，本发明一方面提供一种IQ不平衡校正方法，所述方法包括：
根据IQ不平衡校正的理论模型简化得到IQ不平衡校正的简化模型；
采用所述简化模型对输入信号进行IQ不平衡校正，得到初步校正结果；
对所述初步校正结果进行修正。
进一步地，所述对所述初步校正结果进行修正，包括：
测量输入信号的信噪比；
根据所述输入信号的信噪比查找与该信噪比相对应的修正值；
根据所述修正值对所述初步校正结果进行修正。
进一步地，所述根据所述输入信号的信噪比查找与该信噪比相对应的修正值，包括：根据预设的参数修正表查找与所述输入信号的信噪比相对应的修正值。
进一步地，所述参数修正表是通过计算不同信噪比对应的修正值而建立的。
进一步地，所述简化模型为：
S″I(t)＝(E(|DQ|)DI(t))＞＞N1
Figure BDA0002626217510000021
其中，S″I(t)表示I路校正信号，S″Q(t)表示Q路校正信号，DI(t)表示I路输入数据，DQ(t)表示Q路输入数据，E(|DQ|)表示Q路输入数据的绝对值的均值，E(DI)表示I路输入数据的均值，E(DQ)表示Q路输入数据的均值，N1、N2表示移位的位数，round表示取整数。
本发明提供的IQ不平衡校正方法，针对IQ不平衡校正的理论模型中较为复杂的数学运算进行简化，得到无需进行三角函数和除法运算的简化模型，大大降低硬件电路设计的复杂度，使不支持三角函数和除法运算的基带电路也可实现精确的IQ不平衡校正。而且，利用简化模型对输入信号进行初步校正，基于初步校正结果进行修正，提高了校正精度。此外，本发明的IQ不平衡校正方法是开环方式，相对于现有的校正方案无需发送射频单音信号和采用单独的校正过程，没有反馈环路，减少了硬件成本，避免了反馈环路可能存在的发散风险和失锁情况，在各类场景下都可以稳定工作，能够实现实时校正。
本发明另一方面提供一种IQ不平衡校正装置，所述装置包括：
IQ校正模块，用于采用IQ不平衡校正的简化模型对输入信号进行IQ不平衡校正，得到初步校正结果；其中，所述简化模型是根据IQ不平衡校正的理论模型简化得到的；
校正结果修正模块，用于对所述初步校正结果进行修正。
进一步地，所述校正结果修正模块包括：
信噪比测量模块，用于测量输入信号的信噪比；
参数修正模块，用于根据所述输入信号的信噪比查找与该信噪比相对应的修正值，根据所述修正值对所述初步校正结果进行修正。
进一步地，所述参数修正模块包括预设的参数修正表，所述参数修正表用于查找与所述输入信号的信噪比相对应的修正值。
进一步地，所述参数修正表是通过计算不同信噪比对应的修正值而建立的。
进一步地，所述IQ校正模块包括能够实现均值运算、乘法运算以及移位运算的电路。
本发明实施方式提供的IQ不平衡校正装置，利用无需进行三角函数和除法运算的IQ校正模块对输入信号进行初步校正，适用于不支持三角函数和除法运算的基带电路；对于较强的输入信号，通过校正结果修正模块对初步校正结果进行修正，提高了校正精度。此外，本发明的IQ不平衡校正装置采用开环方式，相对于现有的校正方案无需发送射频单音信号和采用单独的校正过程，没有反馈环路，避免了反馈环路可能存在的发散风险和失锁情况，在各类场景下都可以稳定工作。
本发明实施方式的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明实施方式的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施方式，但并不构成对本发明实施方式的限制。在附图中：
图1是本发明一种实施方式提供的IQ不平衡校正方法的流程图；
图2是本发明一种实施方式提供的IQ不平衡校正装置的框图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
图1是本发明一种实施方式提供的IQ不平衡校正方法的流程图。如图1所示，本实施方式提供一种IQ不平衡校正方法，所述方法包括：
S1)根据IQ不平衡校正的理论模型简化得到IQ不平衡校正的简化模型。
首先建立IQ不平衡校正的理论模型，然后针对其中较为复杂的数学运算进行简化，以便于硬件电路实现校正方案。
IQ不平衡校正的理论模型的推导过程为：
设接收端RF输入信号为：
S＝I(t)cosωt+Q(t)sinωt
不平衡的本振为：
L＝Acosωt+jsin(ωt+θ)
解调后的I路输入数据为：
DI＝SLI＝(I(t)cosωt+Q(t)sinωt)Acosωt
解调后的Q路输入数据为：
DQ＝SLQ＝(I(t)cosωt+Q(t)sinωt)sin(ωt+θ)
经过低通滤波器滤除高频后，I输入路数据、Q输入路数据分别为：
Figure BDA0002626217510000051
Figure BDA0002626217510000052
经过分析推导，得到IQ不平衡的角度θ、幅度A分别为：
θ＝asin(ρ)
Figure BDA0002626217510000053
其中，ρ表示I路输入数据与Q路输入数据的相关系数：
Figure BDA0002626217510000054
综上，得到IQ不平衡校正的理论模型公式为：
Figure BDA0002626217510000055
Figure BDA0002626217510000056
在实际的通信系统中，由于许多基带电路不支持三角函数和除法运算，故对理论模型进行简化。
通常情况下θ→0，cos(θ)≈1，则
Figure BDA0002626217510000061
将理论模型公式两边同乘以幅度A，得到：
A*SI(t)＝DI(t)
A*Sq(t)＝-sinθDI(t)+A*DQ(t)
令S′I(t)＝A*SI(t)，S′Q(t)＝A*Sq(t)，代入上述公式得到：
S′I(t)＝DI(t)，
Figure BDA0002626217510000062
将上述两式同乘以
Figure BDA0002626217510000063
得到：
Figure BDA0002626217510000064
Figure BDA0002626217510000065
根据高斯分布理论，可知
Figure BDA0002626217510000066
将上式代入，得到IQ不平衡校正的简化模型公式：
Figure BDA0002626217510000067
Figure BDA0002626217510000068
对于简化模型公式中的除法运算，采用近似处理，即用最接近该值的2的幂次代替，在硬件电路的设计上通过简单的移位实现近似的除法运算。
设E(|DI|)位宽为N，搜索0～2N-1内所有2的幂，得到与当前E(|DI|)最接近的值。同理，得到与E2(|DI|)最接近的值。
令E(|DI|)的近似值为KI＝2N1，E2(|DI|)的近似值为MI＝2N2，代入上述简化模型公式得到最终的简化模型：
S″I(t)＝(E(|DQ|)DI(t))＞＞N1
Figure BDA0002626217510000071
其中，S″I(t)表示I路校正信号，S″Q(t)表示Q路校正信号，DI(t)表示I路输入数据，DQ(t)表示Q路输入数据，E(|DQ|)表示Q路输入数据的绝对值的均值，E(DI)表示I路输入数据的均值，E(DQ)表示Q路输入数据的均值，N1、N2表示移位的位数，round表示取整数。
I路校正信号S″I(t)为Q路输入数据的绝对值的均值E(|DQ|)与I路输入数据DI(t)的乘积再移位N1。
Q路校正信号S″Q(t)为对I路输入数据的均值E(DI)、Q路输入数据的均值E(DQ)与I路输入数据DI(t)的乘积的
Figure BDA0002626217510000072
取整(round)后再移位N2+DQ(t)。
可见，在简化模型中无需进行三角函数和除法运算，简化模型尤其适用于不支持三角函数和除法运算的基带电路。
S2)采用所述简化模型对输入信号进行IQ不平衡校正，得到初步校正结果。
利用步骤S1)推导出的简化模型对输入信号进行IQ不平衡校正，获得I路校正信号和Q路校正信号。
S3)对所述初步校正结果进行修正。
相对于理论模型，简化模型在强信号下性能有所降低，需要对校正结果进行修正。
本实施方式采用的修正方法包括：测量输入信号的信噪比；根据所述输入信号的信噪比查找与该信噪比相对应的修正值；根据所述修正值对所述初步校正结果进行修正，具体为，根据预设的参数修正表来查找与所述输入信号的信噪比相对应的修正值。
所述参数修正表是通过计算不同信噪比对应的修正值(误差值)而建立的。例如，在一个具体实施例中，采用chirp信号，信号带宽4MHz，中心频率470MHz，扩频因子为6，AWGN信道。IQ幅度不平衡设为0.8dB，即幅度A＝1.1，相位不平衡为3°，角度θ为0.0524rad。按照理论模型和简化模型分别进行仿真，仿真结果如下表所示：
Figure BDA0002626217510000081
由上表可知，简化模型的仿真结果存在误差，其中角度不平衡的误差随信噪比的增大变化较小，幅度不平衡的误差随信噪比的增大而有所增加。根据上述仿真结果，得到简化模型在本实施例下不同信噪比对应的参数修正表，如下所示：
Figure BDA0002626217510000082
对于实际的通信系统而言，在固定场景下IQ不平衡也是固定的，因此采用简化模型进行IQ不平衡校正时，与不同信噪比相对应的修正值也是不变的，在某一场景下预先测量不同信噪比下的误差值即可建立参数修正表。根据不同场景建立对应的参数修正表，在不同场景下调整校正值，以提高校正精度。
本发明实施方式提供的IQ不平衡校正方法，针对IQ不平衡校正的理论模型中较为复杂的数学运算进行简化，得到无需进行三角函数和除法运算的简化模型，大大降低硬件电路设计的复杂度，使不支持三角函数和除法运算的基带电路也可实现精确的IQ不平衡校正。而且，利用简化模型对输入信号进行初步校正，基于初步校正结果进行修正，提高了校正精度。
此外，本发明的IQ不平衡校正方法是开环方式，相对于现有的校正方案无需发送射频单音信号和采用单独的校正过程，没有反馈环路，减少了硬件成本，避免了反馈环路可能存在的发散风险和失锁情况，在各类场景下都可以稳定工作，能够实现实时校正。
图2是本发明一种实施方式提供的IQ不平衡校正装置的框图。如图2所示，本实施方式提供一种IQ不平衡校正装置，所述装置包括IQ校正模块和校正结果修正模块。所述IQ校正模块用于采用IQ不平衡校正的简化模型对输入信号进行IQ不平衡校正，得到初步校正结果。所述简化模型是根据IQ不平衡校正的理论模型简化得到的，所述简化模型为：
S″I(t)＝(E(|DQ|)DI(t))＞＞N1
Figure BDA0002626217510000091
其中，S″I(t)表示I路校正信号，S″Q(t)表示Q路校正信号，DI(t)表示I路输入数据，DQ(t)表示Q路输入数据，E(|DQ|)表示Q路输入数据的绝对值的均值，E(DI)表示I路输入数据的均值，E(DQ)表示Q路输入数据的均值，N1、N2表示移位的位数，round表示取整数。
I路校正信号S″I(t)为Q路输入数据的绝对值的均值E(|DQ|)与I路输入数据DI(t)的乘积再移位N1。
Q路校正信号S″Q(t)为对I路输入数据的均值E(DI)、Q路输入数据的均值E(DQ)与I路输入数据DI(t)的乘积的
Figure BDA0002626217510000092
取整(round)后再移位N2+DQ(t)。
在简化模型中无需进行三角函数和除法运算，简化模型尤其适用于不支持三角函数和除法运算的基带电路。所述IQ校正模块包括能够实现均值运算、乘法运算以及移位运算的电路，以实现基于简化模型的IQ不平衡校正运算。
相对于理论模型，简化模型在强信号下性能有所降低，需要对校正结果进行修正。所述校正结果修正模块用于对所述初步校正结果进行修正。具体的，所述校正结果修正模块包括信噪比测量模块和参数修正模块。所述信噪比测量模块用于测量输入信号的信噪比。所述参数修正模块用于根据所述输入信号的信噪比查找与该信噪比相对应的修正值，根据所述修正值对所述初步校正结果进行修正。
所述参数修正模块包括预设的参数修正表，所述参数修正表用于查找与所述输入信号的信噪比相对应的修正值。所述参数修正表是通过计算不同信噪比对应的修正值(误差值)而建立的，不同场景下建立的参数修正表是不同的。由于在固定场景下IQ不平衡也是固定的，因此采用简化模型进行IQ不平衡校正时，与不同信噪比相对应的修正值也是不变的，在某一场景下预先测量不同信噪比下的误差值即可建立参数修正表。根据不同场景建立对应的参数修正表，在不同场景下调整校正值，以提高校正精度。
本发明实施方式提供的IQ不平衡校正装置，利用无需进行三角函数和除法运算的IQ校正模块对输入信号进行初步校正，适用于不支持三角函数和除法运算的基带电路；对于较强的输入信号，通过校正结果修正模块对初步校正结果进行修正，提高了校正精度。
此外，本发明的IQ不平衡校正装置采用开环方式，相对于现有的校正方案无需发送射频单音信号和采用单独的校正过程，没有反馈环路，避免了反馈环路可能存在的发散风险和失锁情况，在各类场景下都可以稳定工作。
以上结合附图详细描述了本发明的可选实施方式，但是，本发明实施方式并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施方式的技术构思范围内，可以对本发明实施方式的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施方式的保护范围。

Claims (10)

1.一种IQ不平衡校正方法，其特征在于，所述方法包括：
根据IQ不平衡校正的理论模型简化得到IQ不平衡校正的简化模型；
采用所述简化模型对输入信号进行IQ不平衡校正，得到初步校正结果；
对所述初步校正结果进行修正；
所述根据IQ不平衡校正的理论模型简化得到IQ不平衡校正的简化模型，包括：
将理论模型中的开方运算转化为求数学期望的运算；
所述理论模型中：
Figure FDA0003356820040000011
其中，S″I(t)表示I路校正信号，DI(t)表示I路输入数据，E(DI)表示I路输入数据的均值，E(DQ)表示Q路输入数据的均值。
2.根据权利要求1所述的IQ不平衡校正方法，其特征在于，所述对所述初步校正结果进行修正，包括：
测量输入信号的信噪比；
根据所述输入信号的信噪比查找与该信噪比相对应的修正值；
根据所述修正值对所述初步校正结果进行修正。
3.根据权利要求2所述的IQ不平衡校正方法，其特征在于，所述根据所述输入信号的信噪比查找与该信噪比相对应的修正值，包括：
根据预设的参数修正表查找与所述输入信号的信噪比相对应的修正值。
4.根据权利要求3所述的IQ不平衡校正方法，其特征在于，所述参数修正表是通过计算不同信噪比对应的修正值而建立的。
5.根据权利要求1所述的IQ不平衡校正方法，其特征在于，所述简化模型为：
S″I(t)＝(E(|DQ|)DI(t))＞＞N1
Figure FDA0003356820040000021
其中，S″I(t)表示I路校正信号，S″Q(t)表示Q路校正信号，DI(t)表示I路输入数据，DQ(t)表示Q路输入数据，E(|DQ|)表示Q路输入数据的绝对值的均值，E(DI)表示I路输入数据的均值，E(DQ)表示Q路输入数据的均值，N1、N2表示移位的位数，round表示取整数。
6.一种IQ不平衡校正装置，其特征在于，所述装置包括：
IQ校正模块，用于采用IQ不平衡校正的简化模型对输入信号进行IQ不平衡校正，得到初步校正结果；其中，所述简化模型是根据IQ不平衡校正的理论模型简化得到的；
校正结果修正模块，用于对所述初步校正结果进行修正；
其中，所述根据IQ不平衡校正的理论模型简化得到简化模型，包括：
将理论模型中的开方运算转化为求数学期望的运算；
所述理论模型中：
Figure FDA0003356820040000022
其中，S″I(t)表示I路校正信号，DI(t)表示I路输入数据，E(DI)表示I路输入数据的均值，E(DQ)表示Q路输入数据的均值。
7.根据权利要求6所述的IQ不平衡校正装置，其特征在于，所述校正结果修正模块包括：
信噪比测量模块，用于测量输入信号的信噪比；
参数修正模块，用于根据所述输入信号的信噪比查找与该信噪比相对应的修正值，根据所述修正值对所述初步校正结果进行修正。
8.根据权利要求7所述的IQ不平衡校正装置，其特征在于，所述参数修正模块包括预设的参数修正表，所述参数修正表用于查找与所述输入信号的信噪比相对应的修正值。
9.根据权利要求8所述的IQ不平衡校正装置，其特征在于，所述参数修正表是通过计算不同信噪比对应的修正值而建立的。
10.根据权利要求6所述的IQ不平衡校正装置，其特征在于，所述IQ校正模块包括能够实现均值运算、乘法运算以及移位运算的电路。
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