CN1152494C

CN1152494C - 模拟正交调制失衡补偿方法

Info

Publication number: CN1152494C
Application number: CNB021363439A
Authority: CN
Inventors: 陈柏南; 周跃峰; 胡亮亮; 宋文涛; 罗汉文
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2002-08-01
Filing date: 2002-08-01
Publication date: 2004-06-02
Anticipated expiration: 2022-08-01
Also published as: CN1392691A

Abstract

一种模拟正交调制失衡补偿方法，采用开机阶段基于测试音的分步失衡补偿和收发过程中基于拟牛顿叠代的失衡补偿，补偿控制单元通过包络检测器对模拟正交调制后的信号进行峰值包络检测，得到IQ两路直流偏置补偿系数，相位不平衡补偿系数，增益不平衡补偿系数。待发送的基带信号首先经过正交调制补偿单元QMCU作预补偿处理，后被送至模拟正交调制器件调制到通带上，使输出信号达到或逼近理想正交调制器件的性能。本发明的方法硬件实现简单，计算量小，对载波调制信号的损伤程度非常小，具有显著的补偿效果，可用于各种OFDM的通信系统中。

Description

模拟正交调制失衡补偿方法

技术领域：

本发明涉及一种模拟正交调制失衡补偿方法，用于正交频分多路复用通信系统中，属于通信技术领域。

背景技术：

正交频分多路复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)是一种多载波数字调制技术，其发送信号由一组相互正交的正弦信号作为子载波调制叠加而成。OFDM技术具有良好的抗衰落能力，信道带宽利用率。

在OFDM通信系统中，I，Q两路信号通过模拟正交调制(AQM)调制到通带频谱上，由于物理器件的性能受限，引起调制误差，主要表现为3个方面：增益和相位的不平衡性(IQ Channel Gain/Phase Imbalance)、直流偏置(DCOffset)。AQM的失衡使信号频谱产生邻道功率ACP(Adjacent-channel-power)泄漏干扰，使调制精度(EVM)指标恶化，由此带来误码率的增高。

目前，AQM失衡的补偿方法主要有几类：1、基于芯片级的模拟域补偿方法；2、基于基带预处理的数字域补偿方法。由于高速数字信号处理芯片的大量出现与性价比的提高，在数字部分进行补偿具有比较高的精度和极低的硬件开销，因而得到广泛应用。而现有的各种数字补偿算法中，典型的如M.Faulkner，T.Mattsson与W.Yates.在Automatic adjustment of quadrature modulators.(Electronics Letters，vol.27，no.3，pages 214-216，January 1991.)一文中提出的补偿算法，采用基于测试音的算法，存在着不能实时纠正失衡参数的缺点，又如D.S.Hilborn，S.P.Stapleton与J.K.Cavers.在An Adaptive direct conversiontransmitter.IEEE Transaction on Vehicular Technology，vol.43，no.2，pp 223-233，May 1994中提出的基于邻道功率曲面拟合的算法，具有过高的算法复杂度，难于实现。

发明内容：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种模拟正交调制失衡补偿方法，具有较低的硬件实现复杂度与计算复杂度，同时具有很强的可实现性，可被应用到现有的OFDM系统中进行AQM失衡补偿。

为实现这样的目的，本发明的技术方案中，出于对OFDM通信系统进行动态补偿的要求，以及系统复杂度的要求两方面的综合权衡，提出了基于测试音与基于叠代过程的AQM混合补偿方法。待发送的基带信号首先经过正交调制补偿单元(QMCU)作预补偿处理，后被送至模拟正交调制器件(AQM Device)调制到通带上，使输出信号达到或逼近理想正交调制器件的性能。

其中，正交调制校正单元的控制参数包括IQ两路直流偏置补偿系数b₁b₂，相位不平衡补偿系数_c，增益不平衡补偿系数ε等4个调整系数，以及基带信号输入部分和经补偿后的基带输出信号。具体补偿系数的数值由补偿控制单元(QMCC)通过包络检测器(ED)对模拟正交调制(AQM)后的信号进行峰值包络检测，对采集样本运算得到。

本发明的补偿方法包括开机阶段的AQM失衡补偿和收发过程中的AQM失衡补偿，在开机初始化阶段，采用一种基于测试音的分步AQM补偿方法，在收发过程，采用一种基于拟牛顿(Quasi-Newton)叠代的AQM补偿方法，能在收发过程中进行持续的失衡补偿。

具体如下：

1、开机时，先将补偿控制单元中各补偿系数置零，即_c＝0，ε＝0，b₂＝0，同时设置一个初始收敛值，将正交调制补偿单元输入置零。

2、执行黄金搜索法子程序，调整I路直流偏置补偿系数b₁使包络检测器输出变化值小于所需收敛值。

3、固定已调整的I路直流偏置补偿系数b₁，执行黄金搜索法子程序，调整Q路直流偏置补偿系数b₂使包络检测器输出变化值小于所需收敛值。

4、固定已调整的IQ两路直流偏置补偿系数b₁b₂，分别在正交调制补偿单元QMCU的输入端注入等幅直流信号(测试音1)，采用黄金搜索法，调整增益补偿系数ε，使包络检测器IQ两路输出差值小于所需收敛值。

5、固定已调整的IQ两路直流偏置补偿系数b₁b₂及增益补偿系数ε，在QMCU的输入端注入等幅极性相反的直流信号(测试音2)，采用黄金搜索法，调整相位补偿系数_c，使包络检测器IQ两路输出差值小于所需收敛值。

6、在收发时，先赋值样本区间，样本数，动态补偿收敛值等基本参数，样本区间取AQM器件的失衡范围的2～3倍，样本数要求其数值大于待求调整参数的个数(4个)，算法收敛值一般取器件性能参数值的分数倍(典型值为1/2～1/5)。

7、将IQ两路待发基带数据及其相应的包络检测器输出的通带信号包络值，送入补偿控制单元QMCC，得到处于样本区间内的样本数据，间隔整数倍数据周期，重复本步骤，直到达到所需样本数。

8、根据所得样本数据，采用拟牛顿算法求得补偿系数，由AQM补偿单元进行AQM失衡补偿，输出补偿后通带信号。

9、对采样IQ两路待发基带数据和补偿后输出通带信号的包络值求差值，重复步骤7和8，直到符合收敛条件，完成一次补偿过程。

本发明的方法硬件实现简单，计算量小，采用AQM器件进行正交调制失衡补偿，对载波调制信号的损伤程度非常小，具有显著的补偿效果。

本发明的方法可被用于各种OFDM的通信系统中，典型应用包括：IEEE802.11a无线局域网协议，高清晰数字电视广播如DVB-T协议。

附图说明：

附图1是本发明AQM补偿方法示意图。

附图2是附图1中补偿单元(QMCU)的逻辑结构图。

附图3是本发明用于多载波OFDM通信系统实施例的示意图。

具体实施方式：

以下结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述。

附图1是本发明AQM补偿方法示意图。

如图所示，IQ两路基带信号经过正交调制补偿单元(QMCU)处理后，预补偿的信号被送至模拟正交调制器件调制到通带上，完成发送过程。在反馈支路上，包络检测器采样输出信号的包络值，完成数字/模拟转换后，送入正交调制补偿单元(QMCU)，进行AQM补偿算法，计算出补偿单元的系数值，置入正交调制补偿单元，完成一次AQM失衡补偿。

附图2是附图1中补偿单元(QMCU)的逻辑结构图。

如图所示，补偿单元基于一种不平衡模型的补偿结构，具有较低的计算复杂度。图中的b₁，b₂分别为IQ两路的直流偏置补偿系数；_c为相位不平衡的补偿系数；ε为增益不平衡补偿系数。以上系数均由补偿控制器QMCC算得。

附图3是本发明用于多载波OFDM通信系统实施例的示意图。

图中，OFDM基带信号经过成形滤波、正交调制补偿单元、D/A转换后，进入AQM器件进行模拟正交调制。正交调制后的信号通过耦合进入补偿算法反馈回路。补偿控制器根据包络检测器的样本运算得到AQM误差校正算法估计参数，并将参数送入AQM补偿单元，校正基带数据，从而补偿AQM器件的不平衡因素。

实施例：

本实施例采用一种基于现场可编程逻辑阵列(FPGA)和数字信号处理器(DSP)的混合结构，如附图3所示。正交调制补偿单元(QMCU)作为一个单独的功能模块在FPGA中实现，包括输入切换部分，补偿运算部分和接口部分；补偿控制单元(QMCC)的实现主要是基于DSP的系统结构，提供和包络检测器A/D转换单元的接口以及与FPGA的接口。

前向支路工作如下：OFDM基带信号IQ两路经过成形滤波(PSF)处理后，送入正交调制补偿单元(QMCU)作预补偿，所得数据经D/A转换后进入AQM器件进行模拟正交调制，调制到通带上，完成一次发送过程。

反馈支路由包络检测器(ED)，低通滤波器(LPF)，A/D转换，以及补偿控制单元(DSP中的QMCC部分)。已调制的通带信号通过耦合进入补偿算法反馈回路，依次进入包络检测器，低通滤波器，A/D转换，补偿器控制器根据采得样本通过前述算法估计出补偿系数，并将系数送入AQM补偿单元，校正基带数据，从而补偿AQM器件的不平衡因素。须指出的是，低通滤波器的引入是为了滤除检测信号的瞬时尖峰和干扰脉冲，提高采样的准确性。

系统上电时，首先由DSP执行参数的初始化，包括：补偿控制单元中各调整系数(直流偏置补偿系数b₁，b₂，相位不平衡的补偿系数_c，增益不平衡补偿系数ε)置零，设定初始收敛值和动态补偿收敛值为所取AQM器件失衡范围的1/5，设定样本区间为所取AQM器件的失衡范围的3倍，样本数为8组。

接着FPGA的QMCU单元的输入端切换为DSP的测试信号输入端，由DSP给出测试音信号进行补偿系数的计算，具体算法如前所述；计算所得系数置入FPGA的QMCU单元，QMCU的输入端切换为基带信号输入状态，完成上电补偿过程。

收发过程中，QMCU的输入端一直处于基带信号的输入状态，以便基带信号的发送不受影响。DSP采样基带信号与包络检测器的输出值，执行拟牛顿算法，计算出补偿系数，同时置入QMCU补偿单元。不断重复这一过程，达到动态补偿的目的。

本实施例采用工程上常用的矢量误差平均值，即EVM(Error Vector Mean)作为测评标准，未经AQM补偿的输出信号EVM值为-29dBc，经本实施例所述算法进行补偿后，输出信号的EVM值为-40dBc，可见对多载波调制信号的补偿效果明显，对信号的损伤程度很小。

Claims

1、一种模拟正交调制失衡补偿方法，其特征在于包括开机阶段基于测试音的分步失衡补偿和收发过程中基于拟牛顿叠代的失衡补偿，具体包括如下步骤：

1)开机时，先将补偿控制单元中，Q路直流偏置补偿系数 b₂，相位不平衡补偿系数_c，增益不平衡补偿系数ε置零，即_c＝0，ε＝0，b₂＝0，同时设置一个初始收敛值，将正交调制补偿单元输入置零；

2)执行黄金搜索法子程序，调整I路直流偏置补偿系数b₁使包络检测器输出变化值小于所需收敛值；

3)固定已调整的I路直流偏置补偿系数b₁，执行黄金搜索法子程序，调整Q路直流偏置补偿系数b₂使包络检测器输出变化值小于所需收敛值；

4)固定已调整的IQ两路直流偏置补偿系数b₁b₂，分别在正交调制补偿单元QMCU的输入端注入等幅直流信号，采用黄金搜索法，调整增益补偿系数ε，使包络检测器IQ两路输出差值小于所需收敛值；

5)固定已调整的IQ两路直流偏置补偿系数b₁b₂及增益补偿系数ε，在QMCU的输入端注入等幅极性相反的直流信号，采用黄金搜索法，调整相位补偿系数_c，使包络检测器IQ两路输出差值小于所需收敛值；

6)在收发时，先赋值基本参数，样本区间取AQM器件失衡范围的2～3倍，样本数大于待求调整参数的个数，动态补偿收敛值取器件性能参数值的分数倍；

7)将IQ两路待发基带数据及其相应的包络检测器输出的通带信号包络值，送入补偿控制单元QMCC，得到处于样本区间内的样本数据，间隔整数倍数据周期，重复本步骤，直到达到所需样本数；

8)根据所得样本数据，采用拟牛顿算法求得补偿系数，由AQM补偿单元进行AQM失衡补偿，输出补偿后通带信号；

9)对采样IQ两路待发基带数据和补偿后输出通带信号的包终值求差值，重复步骤7和8，直到符合收敛条件，完成一次补偿过程。

2、如权利要求1所说的模拟正交调制失衡补偿方法，其特征在于样本数大于4个，动态补偿收敛值取器件性能参数值的1/2～1/5。