CN1953441B - 适应性校正正交失衡的装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种适应性校正正交失衡的装置及方法,用于接收机中以将所接收的正交失衡后的信号进行多次修正来消除正交失衡,其首先计算出正交失衡后的同相信号对正交失衡后的正相信号所造成的干扰量;并将正交失衡后的正相信号减去该干扰量而获得没有相位失衡的修正正相信号;再比较输出的同相信号的功率、输出的正相信号的功率、与目标值间的差异,以决定同相缩放倍率及正相缩放倍率;最后将正交失衡后的同相信号乘上该同相缩放倍率而得到输出的同相信号,且将该修正正相信号乘上该正相缩放倍率而得到输出的正相信号。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于校正正交失衡的装置与方法,尤指一种适应性校正正交失衡的装置与方法。
背景技术
目前的直接转频(direct conversion)接收机(receiver)由于具由较低的功率消耗与较佳的整合度,因此,现今手持式(potable)的无线通信系统大多采取此种架构来达到省电与缩小体积的目的。但是,此种架构必须要克服正交失衡(I/Q imbalance)所造成的影响,如图1所示,对于接收信号Rx的同相信号I(in-phase signal)与正相信号Q(quadrature signal),正交失衡包含相位失衡(phase imbalance,θ)与振幅失衡(amplitude imbalance,ε)两种现象。由于此种失衡的现象,使得正交失衡后的同相信号I’与正相信号Q’的相位差无法维持90度的正交特性,同时,信号的振幅也无法维持一致。
前述正交失衡会降低系统传输的效益,尤其在高速率传输时经常采用16QAM、64QAM等调变方式,其对正交失衡的敏感度更高,图2及图3分别显示OFDM系统16QAM在相位失衡以及振幅失衡影响下,解调后的星座图(constellation)。由图2及图3可知,在OFDM系统中,正交失衡除了造成星座图旋转与变形之外,还会有载波差拍干扰(Inter-carrier interference)的现象发生。例如,在欧规数字电视(DVB-T/DVB-H)规格中,相位失衡大于5度、振幅失衡大于1dB,就会使的整个系统的错误率(Bit Error Rate)超过标准。除此之外,正交失衡更会因温度、时间、以及所选择的频带不同而有所改变;所以,传统利用校准信号的方法来校正正交失衡的方法会因为正交失衡有所变化而失效。
在已知用以解决正交失衡的专利文献中,授予K.Kafada的美国专利No.5,321,726“Calibration of vector demodulator using statistical analysis“及授予T.K.Lisle的美国专利No.5,369,411“Imbalance correction of in-phase andquadrature phase return signals”是利用一组校准信号(calibration signal)来估计出失衡的数值,再加以修正,因此,当正交失衡随着温度、时间、以及所选的频带改变而有所变化时,前述方法就无法及时修正。
授予J.C.Conrad的美国专利No.5,105,195“System and method forcompensation of in-phase and quadrature phase and gain imbalance”则是利用FFT将信号转换到频域(frequency domain)去做正交失衡的修正,然其只适用于OFDM系统,倘使要用的非OFDM的系统,则需要额外的FFT电路。而授予J.L.Koslov的美国专利No.6,044,112“Method and apparatus for correctingamplitude and phase imbalances in demodulators”所采用校正正交失衡的方法虽然可以随着时间适时修正,但其仅能在单载波(single carrier)的通信系统中使用。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种适应性校正正交失衡的装置与方法,以便能随着正交失衡因温度、时间以及频带不同而造成的变化,适时地修正校正的参数值,以有效克服正交失衡.
依据本发明的一方面,所提出的适应性校正正交失衡的装置用于接收机中,以将所接收的正交失衡后的信号进行修正以消除正交失衡,其中接收的信号包括同相信号与正相信号,该装置包括:同相信号干扰预测装置,用以计算出正交失衡后的同相信号对正交失衡后的正相信号所造成的干扰量;加总装置,用以将正交失衡后的正相信号减去该干扰量而获得没有相位失衡的修正正相信号;正相信号增益适应装置,用以比较输出的同相信号的功率、输出的正相信号的功率、与目标值间的差异,以决定同相缩放倍率及正相缩放倍率;第一乘算装置,用以将正交失衡后的同相信号乘上该同相缩放倍率而得到输出的同相信号;以及第二乘算装置,用以将该修正正相信号乘上该正相缩放倍率而得到输出的正相信号。
依据本发明的另一方面,所提出的适应性校正正交失衡的方法用于接收机中,以将所接收的正交失衡后的信号进行修正以消除正交失衡,其中接收的信号包括同相信号与正相信号,该方法包括:同相信号干扰预测步骤,用以计算出正交失衡后的同相信号对正交失衡后的正相信号所造成的干扰量;加总步骤,用以将正交失衡后的正相信号减去该干扰量而获得没有相位失衡的修正正相信号;正相信号增益适应步骤,用以比较输出的同相信号的功率、输出的正相信号的功率、与目标值间的差异,以决定同相缩放倍率及正相缩放倍率;以及,乘算步骤,用以将正交失衡后的同相信号乘上该同相缩放倍率而得到输出的同相信号;以及将该修正正相信号乘上该正相缩放倍率而得到输出的正相信号。
依据本发明的又一方面,所提出的适应性校正正交失衡的装置用于接收机中,以将所接收的正交失衡后的信号修正以消除正交失衡,其中接收的信号包括同相信号与正相信号,该装置包括:正相信号干扰预测装置,用以计算出正交失衡后的正相信号对正交失衡后的同相信号所造成的干扰量;加总装置,用以将正交失衡后的同相信号减去该干扰量而获得没有相位失衡的修正同相信号;同相信号增益适应装置,用以比较输出的正相信号的功率、输出的同相信号的功率、与目标值间的差异,以决定同相缩放倍率及正相缩放倍率;第一乘算装置,用以将正交失衡后的正相信号乘上该正相缩放倍率而得到输出的正相信号;以及第二乘算装置,用以将该修正同相信号乘上该同相缩放倍率而得到输出的同相信号。
依据本发明的再一方面,所提出的适应性校正正交失衡的方法用于接收机中,以将所接收的正交失衡后的信号进行修正以消除正交失衡,其中接收的信号包括同相信号与正相信号,该方法包括:正相信号干扰预测步骤,用以计算出正交失衡后的正相信号对正交失衡后的同相信号所造成的干扰量;加总步骤,用以将正交失衡后的同相信号减去该干扰量而获得没有相位失衡的修正同相信号;同相信号增益适应步骤,用以比较输出的同相信号的功率、输出的正相信号的功率、与目标值间的差异,以决定同相缩放倍率及正相缩放倍率;以及乘算步骤,用以将正交失衡后的正相信号乘上该正相缩放倍率而得到输出的正相信号;以及将该修正同相信号乘上该同相缩放倍率而得到输出的同相信号。
附图说明
图1说明了接收机所接收的信号的正交失衡;
图2为OFDM系统16QAM在相位失衡影响下的接收信号解调后的星座图;
图3为OFDM系统16QAM在振幅失衡影响下的接收信号解调后的星座图;
图4显示了以本发明第一实施例的适应性校正正交失衡的装置来将正交失衡后的信号予以校正而消除正交失衡;
图5是本发明第一实施例的适应性校正正交失衡的装置的示意图;
图6显示了以本发明第二实施例的适应性校正正交失衡的装置来将正交失衡后的信号予以校正而消除正交失衡;
图7是本发明第二实施例的适应性校正正交失衡的装置的示意图;
图8显示了以本发明的适应性校正正交失衡的装置在64QAM调变方式且相位失衡与振幅失衡分别为30度与50dB的情况下,进行适应性校正后,而将失衡的现象校正回来。
主要元件符号说明
适应性校正正交失衡的装置10、70
同相信号干扰预测装置 11
加总装置 12、72
正相信号增益适应装置 13
乘算装置 14、15、74、75
正相信号干扰预测装置 71
同相信号增益适应装置 73
具体实施方式
图4显示本发明的适应性校正正交失衡的装置10的实施例,用以将正交失衡后的信号予以校正来消除正交失衡,如图所示,以I、Q代表接收的同相信号与正相信号,以I’、Q’分别代表正交失衡后的同相信号与正相信号,则接收信号Rx以数学式表示为:
Rx=I+jQ 等式(1)
正交失衡后的信号以数学式表示为:
Rx’=I’+jQ’等式(2)
假设接收的同相信号与正交失衡后的同相信号相同,则正交失衡后的信号进一步表示为:
I′=I,等式(3)
Q′=(1+ε)[cos(θ)Q-sin(θ)I]等式(4)
根据等式(4),可知由「-sin(θ)I」这一个分项而导致I’与Q’失去了正交的特性而造成相位失衡、以及由分项(1+ε)cos(θ)而导致振幅失衡。因此,如能将分项「-sin(θ)I」消除,则可得Q′=(1+ε)[cos(θ)Q],由于I与Q的相位差为90度,因此,I’与Q’的正交特性即可被修正回来,再以I’的振幅或参考值为标的(Target),利用自动增益控制(Auto Gain Control)的方式,将振幅失衡予以修正。
对应于前述相位失衡及振幅失衡,参照图5所示,本发明的适应性校正正交失衡的装置10是以同相信号干扰预测装置11及加总装置12来进行多次修正以校正相位失衡,以及以正相信号增益适应装置13及二个乘算装置14及15来进行多次修正以校正振幅失衡。
依据前述分析得知I’与Q’失去正交的特性是由于「-sin(θ)I」这一个分项所造成,即,Q’的相位失衡可视为I’对Q’所造成的干扰(Interference)所引起。所以,本发明以同相信号干扰预测装置11来算出I’对Q’所造成的干扰量ωI’,其中ω为代表I’对Q’所造成干扰的分量的同相干扰权重值,再以加总装置12来将Q’减去此干扰量ωI’而获得没有相位失衡的修正正相信号Qe=Q’-ωI’。
又由于I’与Q’的振幅失衡是由于分项「(1+ε)cos(θ)」所造成,因此,只要能将最后输出的同相信号与正相信号调整成相同的功率(power)即可消除此振幅失衡的影响。所以,本发明以正相信号增益适应装置13来比较输出的同相信号的功率、输出的正相信号的功率、与目标值(target)间的差异,以决定同相缩放倍率ηI及正相缩放倍率ηQ。其中ηI是用以将的功率修正成与目标值一致;ηQ是用以将的功率修正成与的功率一致,或是用以将的功率修正成与目标值一致。再以乘算装置14将I’乘上此同相缩放倍率ηI而得到输出的同相信号并以乘算装置15将Qe乘上此正相缩放倍率ηQ而得到输出的正相信号据此而获得没有振幅失衡的输出同相信号及正相信号
前述的相位失衡及振幅失衡的修正被适应性地逐次进行,为方便记载,以下的说明以k表示修正次数,以I’k、Q’k分别代表第k次修正的正交失衡后的同相信号与正相信号,以及分别代表第k次修正的输出的同相信号与正相信号,ωk代表第k次修正的同相干扰权重值,Qe,k代表第k次修正的修正正相信号,ηI,k及ηQ,k分别代表第k次修正的同相缩放倍率及正相缩放倍率。以此适应性的修正方式(如等式(5)所示),随着修正的次数(k)增加,ωk会越接近最佳(optimal)的值。此时,相位失衡的部份就会消除,而得到将信号Q’相位失衡消除的修正信号Qe。
Q′k-ωkI′k=Qe,k 等式(5)
前述同相干扰权重值ωk采用牛顿算法(Newton’s method)来决定(如等式(6)所示)。由于,牛顿算法需要估算信号的自相关值(autocorrelation)(等式(7)~(8)),因此,利用递归(iterative)的方式(等式(9)~(10))来减少估算自相关值所需要较大的内存:
ωk+1=ωk+2μRk -1Qe,kI′k,μ为常数等式(6)
Rk=E[I′kI′k] 等式(7)
将等式(10)带入等式(6),可以得到下列结果:
ηQ,k+1=ηQ,k+λqεQ,k 等式(15)
ηI,k+1=ηI,k+λiεI,k 等式(16)
其中,PD(x)代表x的功率,λq及λi为权重值,εQ,k为的功率与的功率的差异,εI,k为的功率与目标值的差异。据此,求得的同相缩放倍率ηI可将的功率修正成与目标值一致,而求得的正相缩放倍率ηQ可将的功率修正成与的功率一致。
ηI,k+1=ηI,k+λiεI,k 等式(19)
ηQ,k+1=ηQ,k+λqεQ,k 等式(20)
其中,PD(x)代表x的功率,λq及λi为权重值,εQ,k为的功率与目标值的差异,εI,k为的功率与目标值的差异。据此,求得的同相缩放倍率ηI可将的功率修正成与目标值一致,而求得的正相缩放倍率ηQ可将的功率修正成与目标值一致。
图6显示本发明的适应性校正正交失衡的装置70的另一实施例,其假设接收的正相信号与正交失衡后的正相信号相同,则正交失衡后的信号进一步表示为:
Q′=Q, 等式(21)
I′=(1+ε)[Icos(θ)+Qsin(θ)]等式(22)
根据等式(22),可知是由「Qsin(θ)」这一个分项而导致I’与Q’失去了正交的特性而造成相位失衡、以及由分项(1+ε)cos(θ)而导致振幅失衡。相同于前一实施例,本实施例也是将前述分项「Qsin(θ)」消除,以将I’与Q’的正交特性修正回来,再以Q’的振幅或参考值为标的(Target),利用自动增益控制(Auto Gain Control)的方式,将振幅失衡予以修正。
参照图7所示,本实施例的适应性校正正交失衡的装置70以正相信号干扰预测装置71及加总装置72来进行多次修正以校正相位失衡,以及以同相信号增益适应装置73及二个乘算装置74及75来进行多次修正以校正振幅失衡。
本实施例以正相信号干扰预测装置71来算出Q’对I’所造成的干扰量ωQ’,其中ω为代表Q’对I’所造成干扰的分量的正相干扰权重值,再以加总装置72来将I’减去此干扰量ωQ’而获得没有相位失衡的修正同相信号Ie=I’-ωQ’。且本实施例是以同相信号增益适应装置73来比较输出的正相信号的功率、输出的同相信号的功率、与目标值(target)间的差异,以决定正相缩放倍率ηQ及同相缩放倍率ηI。再以乘算装置74将Q’乘上此正相缩放倍率ηQ而得到输出的正相信号并以乘算装置75将Ie乘上此同相缩放倍率ηI而得到输出的同相信号据此而获得没有振幅失衡的输出正相信号及同相信号
前述的相位失衡及振幅失衡的修正被适应性地逐次进行,为方便记载,以k表示修正次数,以I’k、Q’k分别代表第k次修正的正交失衡后的同相信号与正相信号,以及分别代表第k次修正的输出的同相信号与正相信号,ωk代表第k次修正的正相干扰权重值,Ie,k代表第k次修正的修正同相信号,ηI,k及ηQ,k分别代表第k次修正的同相缩放倍率及正相缩放倍率。则如同前一实施例的分析,该正相干扰权重值ω以下式求出:
其中, 等式(24)
ηI,k+1=ηI,k+λiεI,k 等式(27)
ηQ,k+1=ηQ,k+λqεQ,k 等式(28)
其中,PD(x)代表x的功率,λq及λi为权重值,εI,k为的功率与的功率的差异,εQ,k为的功率与目标值的差异。据此,求得的同相缩放倍率ηI可将的功率修正成与目标值一致,而求得的正相缩放倍率ηQ可将的功率修正成与的功率一致。
ηQ,k+1=ηQk+λqεQ,k 等式(31)
ηI,k+1=ηI,k+λiεI,k 等式(32)
其中,PD(x)代表x的功率,λq及λi为权重值,εI,k为的功率与目标值的差异,εQ,k为的功率与目标值的差异。据此,求得的正相缩放倍率ηQ可将的功率修正成与目标值一致,而求得的同相缩放倍率ηI可将的功率修正成与目标值一致。
为验证本发明的效果,图8显示在以64QAM调变方式且相位失衡与振幅失衡分别为30度与50dB的情况下(A),以本发明进行适应性校正(μ=0.1,λq=λi=10-3,target=0.014)(B)后,即可将失衡的现象校正回来(C)。
上述实施例仅是为了方便说明而举例而已,本发明所主张的权利范围自应以权利要求书所述为准,而非仅限于上述实施例。
Claims (20)
1.一种适应性校正正交失衡的装置,用于接收机中以将所接收的正交失衡后的信号修正以消除正交失衡,其中接收的信号包括同相信号与正相信号,该装置包括:
同相信号干扰预测装置,用以计算出正交失衡后的同相信号对正交失衡后的正相信号所造成的干扰量;
加总装置,用以将正交失衡后的正相信号减去该干扰量而获得没有相位失衡的修正正相信号;
正相信号增益适应装置,用以比较输出的同相信号的功率与目标值间的差异以决定同相缩放倍率、并比较输出的正相信号的功率与同相信号的功率间的差异以决定正相缩放倍率、或比较输出的正相信号的功率与目标值间的差异以决定正相缩放倍率;
第一乘算装置,用以将正交失衡后的同相信号乘上该同相缩放倍率而得到输出的同相信号;以及
第二乘算装置,用以将该修正正相信号乘上该正相缩放倍率而得到输出的正相信号。
2.如权利要求1所述的适应性校正正交失衡的装置,其中,该同相信号干扰预测装置所计算出的干扰量为ωI′,当中I′为正交失衡后的同相信号,ω为同相干扰权重值。
3.如权利要求2所述的适应性校正正交失衡的装置,其中,该同相干扰权重值ω以下式求出:
当中,k表示修正次数,μ为常数,I′k代表第k次修正的正交失衡后的同相信号,Qe,k代表第k次修正的修正正相信号, 0<v<1。
6.一种适应性校正正交失衡的方法,用于接收机中以将所接收的正交失衡后的信号进行修正以消除正交失衡,其中接收的信号包括同相信号与正相信号,该方法包括:
同相信号干扰预测步骤,用以计算出正交失衡后的同相信号对正交失衡后的正相信号所造成的干扰量;
加总步骤,用以将正交失衡后的正相信号减去该干扰量而获得没有相位失衡的修正正相信号;
正相信号增益适应步骤,用以比较输出的同相信号的功率与目标值间的差异以决定同相缩放倍率、并比较输出的正相信号的功率与同相信号的功率间的差异以决定正相缩放倍率、或比较输出的正相信号的功率与目标值间的差异以决定正相缩放倍率;以及
乘算步骤,用以将正交失衡后的同相信号乘上该同相缩放倍率而得到输出的同相信号;以及将该修正正相信号乘上该正相缩放倍率而得到输出的正相信号。
7.如权利要求6所述的适应性校正正交失衡的方法,其中,该同相信号干扰预测步骤所计算出的干扰量为ωI′,当中I′为正交失衡后的同相信号,ω为同相干扰权重值。
8.如权利要求7所述的适应性校正正交失衡的方法,其中,该同相干扰权重值ω以下式求出:
当中,k表示修正次数,μ为常数,I′k代表第k次修正的正交失衡后的同相信号,Qe,k代表第k次修正的修正正相信号, 0<v<1。
11.一种适应性校正正交失衡的装置,用于接收机中以将所接收的正交失衡后的信号修正以消除正交失衡,其中接收的信号包括同相信号与正相信号,该装置包括:
正相信号干扰预测装置,用以计算出正交失衡后的正相信号对正交失衡后的同相信号所造成的干扰量;
加总装置,用以将正交失衡后的同相信号减去该干扰量而获得没有相位失衡的修正同相信号;
同相信号增益适应装置,用以比较输出的正相信号的功率与目标值间的差异以决定正相缩放倍率、并比较输出的同相信号的功率与正相信号的功率间的差异以决定正相缩放倍率、或比较输出的同相信号的功率与目标值间的差异以决定同相缩放倍率;
第一乘算装置,用以将正交失衡后的正相信号乘上该正相缩放倍率而得到输出的正相信号;以及
第二乘算装置,用以将该修正同相信号乘上该同相缩放倍率而得到输出的同相信号。
12.如权利要求11所述的适应性校正正交失衡的装置,其中,该正相信号干扰预测装置所计算出的干扰量为ωQ′,当中Q′为正交失衡后的正相信号,ω为正相干扰权重值。
13.如权利要求第12项所述的适应性校正正交失衡的装置,其中,该正相干扰权重值ω以下式求出:
当中,k表示修正次数,μ为常数,Q′k代表第k次修正的正交失衡后的正相信号,Ie,k代表第k次修正的修正同相信号, 0<v<1。
15.如权利要求12所述的适应性校正正交失衡的装置,其中,该同相缩放倍率ηI及正相缩放倍率ηQ依下述方式求出:
ηQ,k+1=ηQk+λqεQ,k
ηI,k+1=ηI,k+λiεI,k
当中,k表示修正次数,PD(x)代表x的功率,λq及λi为权重值,target代表该目标值,代表第k次修正的输出的同相信号,代表第k次修正的输出的正相信号,εI,k为的功率与目标值的差异,εQ,k为的功率与目标值的差异。
16.一种适应性校正正交失衡的方法,用于接收机中以将所接收的正交失衡后的信号进行修正以消除正交失衡,其中接收的信号包括同相信号与正相信号,该方法包括:
正相信号干扰预测步骤,用以计算出正交失衡后的正相信号对正交失衡后的同相信号所造成的干扰量;
加总步骤,用以将正交失衡后的同相信号减去该干扰量而获得没有相位失衡的修正同相信号;
同相信号增益适应步骤,用以比较输出的正相信号的功率与目标值间的差异以决定正相缩放倍率、并比较输出的同相信号的功率与正相信号的功率间的差异以决定正相缩放倍率、或比较输出的同相信号的功率与目标值间的差异以决定同相缩放倍率;以及
乘算步骤,用以将正交失衡后的正相信号乘上该正相缩放倍率而得到输出的正相信号;以及将该修正同相信号乘上该同相缩放倍率而得到输出的同相信号。
17.如权利要求16所述的适应性校正正交失衡的方法,其中,该正相信号干扰预测步骤所计算出的干扰量为ωQ′,当中Q′为正交失衡后的正相信号,ω为正相干扰权重值。
18.如权利要求17所述的适应性校正正交失衡的方法,其中,该正相干扰权重值ω以下式求出:
当中,k表示修正次数,μ为常数,Q′k代表第k次修正的正交失衡后的正相信号,Ie,k代表第k次修正的修正同相信号, 0<v<1。
20.如权利要求17所述的适应性校正正交失衡的方法,其中,该同相缩放倍率ηI及正相缩放倍率ηQ依下述方式求出:
ηQ,k+1=ηQk+λqεQ,k
ηI,k+1=ηI,k +λiεI,k
当中,k表示修正次数,PD(x)代表x的功率,λq及λi为权重值,target代表该目标值,代表第k次修正的输出的同相信号,代表第k次修正的输出的正相信号,εI,k为的功率与目标值的差异,εQ,k为的功率与目标值的差异。
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Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN1953441A (zh) | 2007-04-25 |
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