CN115242257A - 提高发射机iq正交的环路增益改进方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高发射机IQ正交的环路增益改进方法，其包括：S1、获取反馈信号和基带信号；S2、基于反馈信号和基带信号，利用最小二乘法运算得到环路增益；S3、基于环路增益对基带信号进行补偿；S4、基于反馈信号和补偿后的基带信号计算得到FIR滤波器系数；S5、将具有上述系数值的FIR滤波器加载至发射端。本发明的射频芯片里改进环路增益以提高发射端IQ正交度的方法相比于传统的估算环路增益方法来说更加的准确，并且实现的代价也十分小，复杂度也十分小，在更加的准确估计环路增益后，发射端的IQ两路信号正交度也能通过矫正算法得到进一步的提高。

Description

提高发射机IQ正交的环路增益改进方法
技术领域
本发明涉及无线收发器设计领域。更具体地说，本发明涉及一种提高发射机IQ正交的环路增益改进方法。
背景技术
新一代无线通信技术发展迅速，在进入5G时代的大背景之下，社会对通信的要求越来越高，越来越多的城市正在完善5G基站的建设，实现整个城市的5G全覆盖。日常生活领域，随着手机的使用频率日益频繁，需要(保证)微信的语音与视频通话的数据传输能够更快更稳定；工业化产业领域，工业自动化也要求极低的时延和严格的稳定性。科技的迅速更新换代也要求移动通信技术能够不断创新发展，即在技术层面上要求使用更高阶的调制方式和更宽的基带带宽来获得更高的传输速率。
在通信芯片领域，也面临着更高的要求。通信芯片产品为了实现可配置的和更宽的带宽，在芯片的架构方面，不再采用超外差反馈机结构和超外差发射机结构，而使用直接变频的结构，利用直接变频的结构可以通过去除多余的组件或者替代多余的分立元件达到降低芯成本、降低工作时的功耗、减小芯片尺寸、减少系统停机时间、改善频谱效率和提高数据链路安全性的作用。在此基础上研发出的宽带射频芯片可以应用于多个场景，如5G的宏基站(BTS)、在大规模多进多出(MIMO)系统、为软件无线电(SDR)等等。
射频芯片中使用的直接变频结构存在着一些缺陷，如正交分量和同相分量(I/Q)失衡问题，I/Q失衡会产生镜像频率。I/Q失衡的主要原因是I路信号和Q路信号幅度不相等和相位非正交。由于I/Q两路用于上变频和下变频的本振信号并不完全正交，所以I/Q两路的信号也就不再正交。而这种不正交将导致信号在频率上出现镜像频率，假如这种镜像频率落在带外，那么将对临道信号造成干扰，假如这种镜像频率落在带内，那么将对信号自身产生畸变，对后面即将进行的数字预失真算法造成严重的干扰。
这种I/Q失衡不仅仅发生在反馈端，也发生在发射端，对于采样得到的反馈信号(反馈信号)，其中存在发射端镜像和反馈端镜像，矫正的顺序一般是反馈端镜像先矫正，再去矫正发射端的镜像；矫正发射端的方法为，在发射端加一个FIR滤波器，预先给予信号一定的镜像失真用于抵抗后续发射端产生的镜像失真。而如何设计FIR滤波器，涉及到环路增益对齐。环路增益对齐的越准确，那么FIR滤波器系数将越准确，也即镜像频率衰减的越大。传统的环路增益估计十分的简单粗暴，直接计算反馈信号和基带信号的能量比，但是这是错误的将基带信号共轭的能量考虑进去了，将造成估算的环路增益偏大。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。
本发明还有一个目的是提供一种提高发射机IQ正交的环路增益改进方法，其采用了最小二乘法更加的准确的估算出了环路增益，从而提高了发射端镜像矫正算法的效果；本发明旨在解决反馈端镜像矫正算法后的反馈信号，如何去更好地矫正发射端信号镜像。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种提高发射机IQ正交的环路增益改进方法，其包括：
S1、获取反馈信号和基带信号；
S2、基于反馈信号和基带信号，利用最小二乘法运算得到环路增益；
S3、基于环路增益对基带信号进行补偿；
S4、基于反馈信号和补偿后的基带信号计算得到FIR滤波器系数；
S5、将具有上述系数值的FIR滤波器加载至发射端。
优选的是，所述的提高发射机IQ正交的环路增益改进方法，步骤S1具体为：将采样得到反馈信号和基带信号采用反馈端IQ矫正算法，进行反馈端IQ失衡矫正。
优选的是，所述的提高发射机IQ正交的环路增益改进方法，步骤S2中环路增益的计算方法具体为：
在时域上建模：
Figure BDA0003823861020000021
式(1)中，z是基带信号，y是反馈信号，h是环路增益，a是TX对镜像信号的滤波器系数(TX链路上对镜像信号产生的影响，用滤波器系数a来表达这种影响)，m是滤波器阶数，j是滤波器系数索引，n是离散时间；
根据式(1)推导得出环路增益的计算公式：
h＝(zHz)-1zHy (式2)
式(2)中z是基带信号，y是反馈信号，h是环路增益，H是表示对矩阵取共轭转置。
优选的是，所述的提高发射机IQ正交的环路增益改进方法，步骤S4中FIR滤波器系数b的计算公式为：
b＝-a (式3)
其中，a＝(AHA)-1AHB (式4)；
Figure BDA0003823861020000031
B＝Y-hZ (式6)；
Figure BDA0003823861020000032
Y-hZ＝Aa (式8)；
式(3)～(8)中，z是基带信号，y是反馈信号，a是TX对镜像信号的滤波器系数，n是离散时间，m是滤波器阶数。
本发明还提供一种提高发射机IQ正交的环路增益改进装置，其包括：
获取单元，其用于反馈信号和基带信号；
第一计算单元，其用于基于反馈信号和基带信号，利用最小二乘法运算得到环路增益；
补偿单元，其用于基于环路增益对基带信号进行补偿；
第二计算单元，其用于基于反馈信号和补偿后的基带信号计算得到FIR滤波器系数；
FIR滤波器，其设于发射端，FIR滤波器的系数由第二计算单元计算得到。
本发明还提供一种提高发射机IQ正交的环路增益改进电路，其包括：
获取单元，其用于获取反馈信号和基带信号；
第一计算单元，其用于基于反馈信号和基带信号，利用最小二乘法运算得到环路增益；
补偿单元，其用于基于环路增益对基带信号进行补偿；
第二计算单元，其用于基于反馈信号和补偿后的基带信号计算得到FIR滤波器系数；
FIR滤波器，其设于发射端，FIR滤波器的系数由第二计算单元计算得到。
本发明至少包括以下有益效果：
本发明在保持很低复杂度的情况下，由于采用了最小二乘法更加准确的估算出了环路增益，在进行发射端IQ矫正时，对镜像频率的抑制能增强3db左右的效果；本发明的射频芯片里改进环路增益以提高发射端IQ正交度的方法相比于传统的估算环路增益方法来说更加的准确，并且实现的代价也十分小，复杂度也十分小。在更加的准确估计环路增益后，发射端的IQ两路信号正交度也能通过矫正算法得到进一步的提高。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明所述的提高发射机IQ正交的环路增益改进方法流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，本发明提供一种提高发射机IQ正交的环路增益改进方法，其包括：
S1、获取反馈信号和基带信号，具体为：将采样得到原始反馈信号和原始基带信号采用反馈端IQ矫正算法，进行反馈端IQ失衡矫正，即得；信号经发射端和反馈端链路之后产生了的发射端镜像和反馈端镜像，在经过了反馈端IQ失衡矫正算法后，消除了反馈端IQ失衡，仅剩下发射端链路产生的镜像；
S2、基于反馈信号和基带信号，利用最小二乘法运算得到环路增益，计算方法具体为：
消除了反馈端镜像之后的反馈信号可以视作由基带信号和基带信号的共轭组成，其权重不一样，基带信号的权重我们称作环路增益h，本发明采用最小二乘法，利用基带信号和反馈信号估算出了会更加准确的环路增益；发射链路和反馈链路会对基带信号赋以一定的权重，和增加基带信号的共轭，这个过程在频域上建模成；
Y(w)＝hZ(w)+a(w)Z*(-w)
在时域上建模：
Figure BDA0003823861020000051
式(1)中，z是基带信号，y是反馈信号，h是环路增益，a是TX对镜像信号的滤波器系数(TX链路上对镜像信号产生的影响，用滤波器系数a来表达这种影响)，m是滤波器阶数，j是滤波器系数索引，n是离散时间；
采取最小二乘法，将a(w)Z*(-w)视作噪声，那么根据式(1)推导得出环路增益h的计算公式如下：
h＝(zHz)-1zHy (式2)
式(2)中z是基带信号，y是反馈信号，h是环路增益，H是表示对矩阵取共轭转置；
S3、基于环路增益对基带信号进行补偿；
S4、基于反馈信号和补偿后的基带信号计算得到FIR滤波器系数b，计算公式为：
b＝-a (式3)
其中，a＝(AHA)-1AHB (式4)；
Figure BDA0003823861020000052
B＝Y-hZ (式6)；
Figure BDA0003823861020000061
Y-hZ＝Aa (式8)；
式(3)～(8)中，z是基带信号，y是反馈信号，a是TX对镜像信号的滤波器系数，n是离散时间，m是滤波器阶数；
S5、将具有上述系数值的FIR滤波器加载至发射端，实现预镜像失真处理。
在上述技术方案中中，如图1所示算法流程框图，发射链路中产生镜像，反馈链路中也会产生镜像。反馈链路的镜像可由盲矫正算法抑制。发射端链路的镜像由有源矫正算法抑制。对于发射链路产生的IQ失衡而带来的镜像，可将其建模成共轭信号。因为时域共轭对应着频域共轭镜像。
Figure BDA0003823861020000062
Figure BDA0003823861020000063
信号经过发射端和反馈端后，首先采用盲矫正算法消除了反馈端链路产生的镜像，仅剩下发射端链路产生的镜像，需选取恰当的FIR滤波器系数，对基带信号x进行滤波得到z，z经过发射链路的镜像失真之后得到y，使x和y尽可能的接近。
设FIR滤波器的频响为b(w)，将y用x来表示，得：
Y(w)＝X(w)+b(w)X*(-w)+a(w)(X*(-w)+b*(-w)X(w))
＝(1+a(w)b*(-w))X(w)+(b(w)+a(w))X*(-w)
想要使得y中不包含x的镜像成分，那么应当满足b(w)＝-a(w)。由于a(w)是实际电路产生的，重点工作在于如何估算实际电路中的a(w)。
Figure BDA0003823861020000064
Figure BDA0003823861020000065
在本实施例中，对信号建模方式和环路增益估算改进，认为发射端链路产生镜像频率的描述存在缺陷。对于Y(w)来说，其不仅包含Z(w)分量，还包含Z*(-w)分量，上述公式中的Z(w)和Z*(-w)对应的权重分别为1和a(w)，但实际上，信号Z(w)在流经环路时，会有环路增益，更准确的建模应当是：
Y(w)＝hZ(w)+a(w)Z*(-w)
其中h是环路增益，原始算法估算环路增益的时候，采取的方式是
Figure BDA0003823861020000071
很明显，估算出来的环路增益是不准确的，并且发射端链路的镜像频率越大，估算越不准确，导致最后的镜像抑制效果也就越差，为了更准确的估算出环路增益，采取以下办法，在时域上，新的建模重写为：
Figure BDA0003823861020000072
按照最小二乘法的思想，我们可以将
Figure BDA0003823861020000073
视作残差，求解环路增益，也就是使得残差最小，于是在已知y(n)和z(n)的前提下，我们可以知道这种解法更加准确。
h＝(zHz)-1zHy
在本申请中，反馈信号和补偿了环路增益之后的基带信号做差，求出FIR滤波器系数。其中z是基带信号，y是反馈信号；
Y-hZ＝Aa
Figure BDA0003823861020000074
B＝Y-hZ
Figure BDA0003823861020000075
求出的电路实际响应的时域系数为
a＝(AHA)-1AHB
那么FIR滤波器的系数为
b＝-a
再将FIR滤波器加载到发射端链路上，对信号进行预镜像失真处理，信号在经过发射端的镜像作用，就可以在整体上消除镜像频率，从而达到提高I/Q信号正交度的目的。
本发明在保持很低复杂度的情况下，由于采用了最小二乘法更加准确的估算出了环路增益，在进行发射端IQ矫正时，对镜像频率的抑制能增强3db左右的效果。
本发明还提供一种提高发射机IQ正交的环路增益改进装置，其包括：
获取单元，其用于反馈信号和基带信号；
第一计算单元，其用于基于反馈信号和基带信号，利用最小二乘法运算得到环路增益；
补偿单元，其用于基于环路增益对基带信号进行补偿；
第二计算单元，其用于基于反馈信号和补偿后的基带信号计算得到FIR滤波器系数；
FIR滤波器，其设于发射端，FIR滤波器的系数由第二计算单元计算得到。
本发明还提供一种提高发射机IQ正交的环路增益改进电路，其包括：
获取单元，其用于获取反馈信号和基带信号；
第一计算单元，其用于基于反馈信号和基带信号，利用最小二乘法运算得到环路增益；
补偿单元，其用于基于环路增益对基带信号进行补偿；
第二计算单元，其用于基于反馈信号和补偿后的基带信号计算得到FIR滤波器系数；
FIR滤波器，其设于发射端，FIR滤波器的系数由第二计算单元计算得到。这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的。对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (6)

1.提高发射机IQ正交的环路增益改进方法，其特征在于，包括：
S1、获取反馈信号和基带信号；
S2、基于反馈信号和基带信号，利用最小二乘法运算得到环路增益；
S3、基于环路增益对基带信号进行补偿；
S4、基于反馈信号和补偿后的基带信号计算得到FIR滤波器系数；
S5、将具有上述系数值的FIR滤波器加载至发射端。
2.如权利要求1所述的提高发射机IQ正交的环路增益改进方法，其特征在于，步骤S1具体为：将采样得到反馈信号和基带信号采用反馈端IQ矫正算法，进行反馈端IQ失衡矫正。
3.如权利要求2所述的提高发射机IQ正交的环路增益改进方法，其特征在于，步骤S2中环路增益的计算方法具体为：
在时域上建模：
Figure FDA0003823861010000011
式(1)中，z是基带信号，y是反馈信号，h是环路增益，a是TX对镜像信号的滤波器系数(TX链路上对镜像信号产生的影响，用滤波器系数a来表达这种影响)，m是滤波器阶数，j是滤波器系数索引，n是离散时间；
根据式(1)推导得出环路增益的计算公式：
h＝(zHz)-1zHy (式2)
式(2)中z是基带信号，y是反馈信号，h是环路增益，H是表示对矩阵取共轭转置。
4.如权利要求3所述的提高发射机IQ正交的环路增益改进方法，其特征在于，步骤S4中FIR滤波器系数b的计算公式为：
b＝-a (式3)
其中，a＝(AHA)-1AHB (式4)；
Figure FDA0003823861010000021
B＝Y-hZ (式6)；
Figure FDA0003823861010000022
Y-hZ＝Aa (式8)；
式(3)～(8)中，z是基带信号，y是反馈信号，a是TX对镜像信号的滤波器系数，n是离散时间，m是滤波器阶数。
5.提高发射机IQ正交的环路增益改进装置，其特征在于，包括：
获取单元，其用于反馈信号和基带信号；
第一计算单元，其用于基于反馈信号和基带信号，利用最小二乘法运算得到环路增益；
补偿单元，其用于基于环路增益对基带信号进行补偿；
第二计算单元，其用于基于反馈信号和补偿后的基带信号计算得到FIR滤波器系数；
FIR滤波器，其设于发射端，FIR滤波器的系数由第二计算单元计算得到。
6.提高发射机IQ正交的环路增益改进电路，其特征在于，包括：
获取单元，其用于获取反馈信号和基带信号；
第一计算单元，其用于基于反馈信号和基带信号，利用最小二乘法运算得到环路增益；
补偿单元，其用于基于环路增益对基带信号进行补偿；
第二计算单元，其用于基于反馈信号和补偿后的基带信号计算得到FIR滤波器系数；
FIR滤波器，其设于发射端，FIR滤波器的系数由第二计算单元计算得到。
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