CN117097360B - 零中频接收机信号正交误差的校准方法、装置和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种零中频接收机信号正交误差的校准方法、装置和系统，包括产生射频信号的射频信号源、产生不同频率的正弦信号的理想信号源、开关模块、零中频接收机处理模块和校准模块；开关模块先控制理想信号源与零中频接收机连接，使零中频接收机处于校准模式，并根据不同频率的正弦信号输出对应的基带复信号；处理模块对所有的基带复信号进行处理得到校正值，并根据校正值对校准模块中数字滤波器的时域系数进行更新；在数字滤波器更新后再控制射频信号源与零中频接收机连接，使零中频接收机接收射频信号，射频信号在经零中频接收机后产生的正交误差通过校准模块进行校准消除后输出。本发明能够对正交误差进行精准校准从而提高信号质量。
Description
技术领域
本发明涉及误差校正技术领域，特别是涉及一种零中频接收机信号正交误差的校准方法、装置和系统。
背景技术
当今通信技术的不断发展，每一代新的通信技术标准都不断提高通信的速度和质量，这也对整个通信链路的硬件提出了更高的要求。在5G通信中，零中频接收机由于集成度高、结构简单而备受青睐，但是零中频接收机的接收质量也很容易受到I/Q不匹配所引入的正交误差的干扰；主要引起正交误差的因素有本地载波的幅度误差、相位误差以及I/Q两路基带的带宽不匹配，这些由集成电路工艺导致的误差无法避免，只能通过外部的校准来消除。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种零中频接收机信号正交误差的校准方法、装置和系统，用于解决现有技术中零中频接收机因正交误差导致信号质量下降的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种零中频接收机信号正交误差的校准系统，包括射频信号源、理想信号源、开关模块、零中频接收机处理模块和校准模块；
所述理想信号源用于产生不同频率的正弦信号；
所述射频信号源用于产生射频信号；
所述开关模块控制所述理想信号源或所述射频信号源与所述零中频接收机的输入端连接；所述零中频接收机的输出端连接所述校准模块；所述处理模块连接所述校准模块的输入端；
所述开关模块先控制所述理想信号源与所述零中频接收机连接，使所述零中频接收机处于校准模式，所述零中频接收机根据不同频率的正弦信号输出对应的基带复信号；
所述处理模块对所有的基带复信号进行处理得到校正值，并根据所述校正值对所述校准模块中数字滤波器的时域系数进行更新；
在数字滤波器更新后，所述开关模块再控制所述射频信号源与所述零中频接收机连接，使所述零中频接收机在处于正常工作模式时接收射频信号，所述射频信号在经所述零中频接收机后产生的正交误差通过所述校准模块进行校准消除后输出。
可选地，对所有的基带复信号进行处理得到校正值包括：
（1）通过时域的相关性对每个基带复信号进行处理得到正交误差信息；
（2）根据每个频率的正交误差信息得到在每个频率上数字滤波器的频率响应；
（3）根据所有的频率响应值对数字滤波器的频率响应进行逆变换得到校正值。
可选地，所述基带复信号包括I路基带信号和Q路基带信号。
可选地，所述正交误差信息包括增益误差和相位误差。
可选地，所述增益误差为：
式中，/>为增益误差，/>为I路基带信号，/>为Q路基带信号。
可选地，所述相位误差为：
式中，/>为相位误差。
可选地，所述数字滤波器的频率响应为
。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供一种零中频接收机信号正交误差的校准方法，所述校准方法至少包括如下步骤：
S1，产生不同频率的正弦信号，并将所有的正弦信号依次输入至零中频接收机后输出对应的基带复位信号；
S2，对所有的基带复信号进行处理得到校正值，并根据所述校正值对所述校准模块中数字滤波器的时域系数进行更新；
S3，在数字滤波器更新后，零中频接收机在处于正常工作模式时接收射频信号，所述射频信号经过所述零中频接收机后产生的正交误差通过校准模块进行校准消除。
可选地，对所有的基带复信号进行处理得到校正值包括：
通过时域的相关性对每个基带复信号进行处理得到增益误差和相位误差；
基于所述增益误差和所述相位误差构造数字滤波器的频率响应；
根据所有的频率响应值对所述数字滤波器的频率响应进行逆变换得到校正值。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供一种零中频接收机信号正交误差的校准装置，其特征在于，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时，实现上述的零中频接收机信号正交误差的校准方法的步骤。
如上所述，本发明的零中频接收机信号正交误差的校准方法、装置和系统，具有以下有益效果：
本发明提出一种零中频接收机信号正交误差的校准方法、装置和系统，包括阻抗模块、零中频接收机、信号源、开关模块、处理模块和输出模块；信号源用于产生不同频率的正弦信号；阻抗模块为零中频接收机在正常工作模式下提供负载；所述开关模块控制所述信号源或所述阻抗模块与所述零中频接收机的输入端连接；所述零中频接收机的输出端连接所述输出模块；所述处理模块连接所述零中频接收机的输出端；所述开关模块先控制所述信号源与所述零中频接收机连接，使所述零中频接收机处于校准模式，所述零中频接收机根据不同频率的正弦信号输出对应的基带复信号；所述处理模块对所有的基带复信号进行处理得到校正值，并根据所述校正值对所述零中频接收机的数字滤波器的时域系数进行更新；所述零中频接收机在数字滤波器更新后，所述开关模块再控制所述阻抗模块与所述零中频接收机连接，使所述零中频接收机在处于正常工作模式时接收射频信号，并对射频信号传输中产生的正交误差进行校准消除后通过所述输出模块输出。本发明先根据不同频率的正弦信号获得整个频谱上不同频率点对应的正交误差信号，进而得到正交误差信号对应的校正值（数字滤波器的时域系数），依据更新后的数字滤波器，达到对零中频接收机的更新，从而实现根据更新后的零中频接收进行更加精准的正交误差校正、提高信号质量。
附图说明
图1显示为本发明零中频接收机中正交误差的产生机制示意图。
图2显示为本发明正交误差的补偿校准原理示意图。
图3显示为本发明示例性实施例中零中频接收机中信号的正交误差校准系统的结构框图。
图4显示为本发明示例性实施例中零中频接收机中信号的正交误差校准系统的局部硬件连接示意图。
图5显示为本发明又一示例性实施例中零中频接收机中信号的正交误差校准方法流程示意图。
实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1-图5。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
本发明对图1所示的零中频接收机中正交误差的产生机制示意图进行分析：零中频接收机中的信号r（t）通过I/Q两路幅度相同、相位差90°的本地载波实现正交解调，但是由于集成电路的工艺限制，I/Q两路的电路无法做到完美的对称，使得幅度不完全相等，并且相位差偏离90°，这部分误差一般称为频率无关的正交误差，且误差值不随基带信号频率的改变而改变；当信号完成解调后，I/Q两路信号需要分别通过滤波器（和/>），同样由于实际生产的工艺限制，两路低通滤波器的带宽会出现不匹配的情况，使得基带信号出现与频率相关的幅度和相位不匹配，进一步导致零中频接收机中的信号质量下降。
对正交误差进行定量分析如下：设基带误差校正后理想的等效复信号为z(t)，带有正交误差的基带信号为x(t)，则两者关系：
其中，，/>；由于正交误差的存在使得预期接收的原信号r(t)的共轭（镜像信号即误差信号）出现在基带信号中，降低通信质量。
进一步对引起误差的因素进行分析，基带带宽的不匹配是最难检测和校准的，因为传输函数的不对称会给电路引入与频率（频率可能是变化的）相关的误差，这种误差在数字域必须使用滤波器进行校准，因此，如何确定滤波器的系数尤为重要。
故，本发明采用复数有限冲激响应滤波器实现对上述正交误差的校准，如图2所示，正交误差的信号通过两路配合实现校准，一路不对正交误差的信号做任何处理，另一路将正交误差的信号做共轭运算，再经过有限冲激响应滤波后与原正交误差的信号相加输出；校正后的信号满足如下关系：
当时误差信号完全消失，原信号的正交性恢复，因此数字滤波器/>存在最优解，其离散时间傅里叶变换的频谱为：
若镜像信号（误差信号）的传递函数为0，原信号正交误差完全消除，这种实现结构运算代价较小。
因此，经过对正交误差产生机制和误差校正的分析，本发明旨在增设理想信号源并产生不同频率的正弦信号以获取整个基带上的误差信号；再转化为对应数字滤波器将整个频段上的误差都进行补偿，从而实现正交误差的校准。
第一方面，本发明一示例性实施例提出一种零中频接收机信号正交误差的校准系统，如图3所示，包括射频信号源、理想信号源、开关模块、零中频接收机处理模块和校准模块；
所述理想信号源用于产生不同频率的正弦信号；
所述射频信号源用于产生射频信号；
所述开关模块控制所述理想信号源或所述射频信号源与所述零中频接收机的输入端连接；所述零中频接收机的输出端连接所述校准模块；所述处理模块连接所述校准模块的输入端；
所述开关模块先控制所述理想信号源与所述零中频接收机连接，使所述零中频接收机处于校准模式，所述零中频接收机根据不同频率的正弦信号输出对应的基带复信号；
所述处理模块对所有的基带复信号进行处理得到校正值，并根据所述校正值对所述校准模块中数字滤波器的时域系数进行更新；
在数字滤波器更新后，所述开关模块再控制所述射频信号源与所述零中频接收机连接，使所述零中频接收机在处于正常工作模式时接收射频信号，所述射频信号在经所述零中频接收机后产生的正交误差通过所述校准模块进行校准消除后输出。
本发明先根据不同频率的正弦信号获得整个频谱上不同频率点对应的正交误差信号，进而得到正交误差信号对应的数字滤波器的时域系数，依据更新后的时域系数达到对数字滤波器的更新，从而实现在更新后的零中频接收机在处于正常工作模式产生的正交误差进行校准消除，从而提高信号质量。
本发明具体实施例中，信号源可控制的发射理想的射频单频率信号，即不同频率（f1、f2、f3、f4）的正弦信号。
本发明具体实施例中，射频信号源包括信号源和一个电阻，阻值为50Ω；作为其他实现方式，还可以包括多个电阻和/或电容，只要能够使零中频接收机能够正常工作即可。
本发明具体实施例中，如图4所示，开关模块为单刀双掷开关，作为其他实现方式，也可以为双开关；本发明对开关模块的具体结构不做限定，只要满足能够切换控制零中频接收机在正常工作模式下接收射频信号或在校准模式下接收正弦信号即可。
本发明具体实施例中，零中频接收机将基带信号按功率均分成相同的两个信号，因此，本发明中的基带复信号包括I路基带信号和Q路基带信号。
本发明具体实施例中，根据不同频率的正弦信号获取对应的基带复信号的过程具体为依次输入不同频率的正弦信号，并将每个正弦信号均输入零中频接收机后输出每个频率对应的基带复信号。在此需要说明的是，本发明可以按照顺序依次输入不同频率的正弦信号，也可以随机输入不同频率的正弦信号，只要将所有的不同频率的正弦信号都输入至零中频接收机即可，本发明对不同频率的正弦信号的输入顺序不做限定，只要满足通过该方法获得整个基带上的误差信息。
进一步地，对所有的基带复信号进行处理得到校正值包括如下步骤：
（1）通过时域的相关性对每个基带复信号进行处理得到对应的正交误差信息；其中，所述正交误差信息包括增益误差和相位误差；
本发明具体实施例中，单个频率点通过I路基带信号和Q路基带信号的相关性得到该频率下的增益误差和相位误差：
增益误差为：/>
相位误差为：/>
（2）根据每个频率的正交误差信息得到在每个频率上数字滤波器的频率响应值；
本发明具体实施例中，根据正交误差信息的增益误差和相位误差构造出数字滤波器的频率响应为：
本发明具体实施例中，将每个频率的正交误差信息带入频率响应模型中得到每个频率对应的频率响应值；
（3）根据所有的频率响应值对数字滤波器的频率响应进行逆变换得到校正值。
本发明具体实施例中，将所有的频率响应值带入频率响应函数后进行逆变换得到一组校准值，实际上，逆变换得到的校正值为时域值，即数字滤波器的时域系数，因此，本发明再根据校正值对数字滤波器的时域系数进行更新，达到更新校准模块的效果。
本发明具体实施例中，通过先产生不同频率点并扫描基带内的所有频率点获得对应数字滤波器的频率响应，再通过逆变换就能得到对应的校正值（时域系数）；最后根据校正值（时域系数）对数字滤波器进行更新从而使得到的校准模块更能精准校准射频信号传输中产生的正交误差信号。
本发明具体实施例中，根据校正值（时域系数）对零中频接收机中的数字滤波器进行更新后，能够对正交误差信号进行更好的校准，从而提高信号质量。
本发明具体实施例中，校准模块为如图2所示的具体结构，正交误差的信号通过两路配合实现校准，一路不对正交误差的信号做任何处理，另一路将正交误差的信号做共轭运算，再经过有限冲激响应滤波后与原正交误差的信号相加输出。
本发明通过不同频率点的时域的相关性获得整个频谱上不同频点的正交误差信号，相比基于频域的初始化算法，避免了复杂的FFT操作；并且通过时域的相关性获得不同频点的正交误差信号时，相关函数的计算代价较小，还可以与信号同速率地进行处理，极大缩减了算法的处理时间，大大提高了效率。
第二方面，本发明又一示例性实施例提出一种零中频接收机信号正交误差的校准方法，如图5所示，校准方法至少包括如下步骤：
S1，产生不同频率的正弦信号，并将所有的正弦信号依次输入至零中频接收机后输出对应的基带复位信号；
本发明具体实施例中，通过信号源发射理想的射频单频率信号，即不同频率（f1、f2、f3、f4）的正弦信号，先将频率为f1的正弦信号输入至零中频接收机后得到对应的基带复位信号；再将频率为f2的正弦信号输入至零中频接收机后得到对应的基带复位信号/>，然后将频率为f3和频率为f4的正弦信号分别输入至零中频接收机后得到对应的基带复位信号/>和/>，依次类推，将所有的正弦信号都输入至零中频接收机中得到对应的基带复位信号。
S2，对所有的基带复信号进行处理得到校正值，并根据所述校正值对所述校准模块中数字滤波器的时域系数进行更新；
本发明具体实施例中，对所有的基带复信号进行处理得到校正值包括：
S21，通过时域的相关性对每个基带复信号进行处理得到增益误差和相位误差；
具体地，对于每个频率下接收的对应的基带复信号，需要统计计算、/>、/>，以及/>的值，然后再根据增益误差和相位误差的原理得到每个频率下的增益误差/>和相位误差/>。
S22，基于所述增益误差和所述相位误差构造数字滤波器的频率响应；
具体地，根据正交误差信息的增益误差和相位误差构造出数字滤波器的频率响应为
S23，根据所有的频率响应值对所述数字滤波器的频率响应进行逆变换得到校正值。
本发明对每个基带复信号进行处理得到数字滤波器在对应频点下的频率响应；从而根据所有频率点（实质为完整频率点）的频率响应得到对应数字滤波器的一组时域系数（即数字滤波器依据的校正值）。
S3，在数字滤波器更新后，零中频接收机在处于正常工作模式时接收射频信号，所述射频信号经所述零中频接收机后产生的正交误差通过校准模块中的数字滤波器进行校准消除。
根据信号源产生的不同频率的正弦信号，通过不同频率点的时域的相关性获得整个频谱上不同频点的正交误差信号，进而得到不同频率的时域系数根据正交误差信号对应的时域系数对数字滤波器进行更新，使得到数字滤波器能够对正交误差信号进行更好的校准，即更新后对零中频接收机输出的I路基带信号和Q路基带信号进行校准，提高零中频接收机输出信号的质量。
第三方面，本发明另一示例性实施例提出一种零中频接收机信号正交误差的校准装置，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时，实现权利要求上述零中频接收机信号正交误差的校准方法的步骤。
本发明中的处理器可以是通用处理器，包括中央处理器（central processingunit，简称CPU）、网络处理器（Network Processor，简称NP）等，还可以是数字信号处理器（DSP）、专用集成电路（ASIC）、现场可编程门阵列（FPGA）或者其它可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本申请实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
其中，零中频接收机信号正交误差的校准方法的步骤的详细过程已在方法实施例中详细介绍，此处不再赘述。
综上所述，本发明提出一种零中频接收机信号正交误差的校准方法、装置和系统，校准系统包括射频信号源、理想信号源、开关模块、零中频接收机处理模块和校准模块；所述理想信号源用于产生不同频率的正弦信号；所述射频信号源用于产生射频信号；所述开关模块控制所述理想信号源或所述射频信号源与所述零中频接收机的输入端连接；所述零中频接收机的输出端连接所述校准模块；所述处理模块连接所述校准模块的输入端；所述开关模块先控制所述理想信号源与所述零中频接收机连接，使所述零中频接收机处于校准模式，所述零中频接收机根据不同频率的正弦信号输出对应的基带复信号；所述处理模块对所有的基带复信号进行处理得到校正值，并根据所述校正值对所述校准模块中数字滤波器的时域系数进行更新；在数字滤波器更新后，所述开关模块再控制所述射频信号源与所述零中频接收机连接，使所述零中频接收机在处于正常工作模式时接收射频信号，所述射频信号在经所述零中频接收机后产生的正交误差通过所述校准模块进行校准消除后输出。本发明先根据不同频率的正弦信号获得整个频谱上不同频率点对应的正交误差信号，进而得到正交误差信号对应的数字滤波器的时域系数，依据更新后的时域系数，达到对数字滤波器的更新，从而实现根据更新后的零中频接收机对正交误差进行更加精准的校正、提高信号质量。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (8)
1.一种零中频接收机信号正交误差的校准系统，其特征在于，包括射频信号源、理想信号源、开关模块、零中频接收机、处理模块和校准模块；
所述理想信号源用于产生不同频率的正弦信号；
所述射频信号源用于产生射频信号；
所述开关模块控制所述理想信号源或所述射频信号源与所述零中频接收机的输入端连接；所述零中频接收机的输出端连接所述校准模块；所述处理模块连接所述校准模块的输入端；
所述开关模块先控制所述理想信号源与所述零中频接收机连接，使所述零中频接收机处于校准模式，所述零中频接收机根据不同频率的正弦信号输出对应的基带复信号；
所述处理模块对所有的基带复信号进行处理得到校正值，并根据所述校正值对所述校准模块中数字滤波器的时域系数进行更新；
在数字滤波器更新后，所述开关模块再控制所述射频信号源与所述零中频接收机连接，使所述零中频接收机在处于正常工作模式时接收射频信号，所述射频信号在经所述零中频接收机后产生的正交误差通过所述校准模块进行校准消除后输出；
所述正交误差包括增益误差和相位误差；
所述增益误差为：
式中，gest为增益误差，xI(t)为I路基带信号，xQ(t)为Q路基带信号。
2.根据权利要求1所述的零中频接收机信号正交误差的校准系统，其特征在于，对所有的基带复信号进行处理得到校正值包括：
(1)通过时域的相关性对每个基带复信号进行处理得到对应的正交误差信息；
(2)根据每个频率的正交误差信息得到在每个频率上数字滤波器的频率响应值；
(3)根据所有的频率响应值对数字滤波器的频率响应进行逆变换得到校正值。
3.根据权利要求1或2所述的零中频接收机信号正交误差的校准系统，其特征在于，所述基带复信号包括I路基带信号和Q路基带信号。
4.根据权利要求1所述的零中频接收机信号正交误差的校准系统，其特征在于，所述相位误差为：
式中，为相位误差。
5.根据权利要求2所述的零中频接收机信号正交误差的校准系统，其特征在于，数字滤波器的频率响应为
6.一种零中频接收机信号正交误差的校准方法，其特征在于，所述校准方法至少包括如下步骤：
S1，产生不同频率的正弦信号，并将所有的正弦信号依次输入至零中频接收机后输出对应的基带复位信号；
S2，对所有的基带复信号进行处理得到校正值，并根据所述校正值对校准模块中数字滤波器的时域系数进行更新；
S3，在数字滤波器更新后，零中频接收机在处于正常工作模式时接收射频信号，所述射频信号经过所述零中频接收机后产生的正交误差通过校准模块进行校准消除；
所述正交误差包括增益误差和相位误差；
所述增益误差为：
式中，gest为增益误差，xI(t)为I路基带信号，xQ(t)为Q路基带信号。
7.根据权利要求6所述的零中频接收机信号正交误差的校准方法，其特征在于，对所有的基带复信号进行处理得到校正值包括：
通过时域的相关性对每个基带复信号进行处理得到增益误差和相位误差；
基于所述增益误差和所述相位误差构造数字滤波器的频率响应；
根据所有的频率响应值对所述数字滤波器的频率响应进行逆变换得到校正值。
8.一种零中频接收机信号正交误差的校准装置，其特征在于，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时，实现权利要求6-7任一项所述的零中频接收机信号正交误差的校准方法的步骤。
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