CN207753739U - 一种收发端联合正交调制校准的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种收发端联合正交调制校准的装置，包括非理想的发射机和接收机，其中发射机包括IQ预畸变校准模块，IQ预畸变校准模块通过校准通道连接数模转换器，其中训练序列模块向校准通道发送训练序列信号，数模转换器连接正交调制模块，正交调制模块连接耦合器，耦合器通过耦合环回连接发射机和接收机；接收机包括接收发射机射频信号的正交解调模块，正交解调模块通过校准通道接收发射机信号，正交解调模块连接模数转换器，模数转换器通过校准通道连接频域分析模块。在不要求理想接收机或发送机的情况下，能够联合校准收发端的正交调制模块，简化IQ不平衡参数估计过程。

Description

一种收发端联合正交调制校准的装置

技术领域

本实用新型属于通信技术领域；具体涉及一种收发端联合正交调制校准的装置。

背景技术

对于一般通信系统，在发射机和接收机的正交调制模块中，由于非线性模拟器件本身的不理想以及外界温湿度等环境的变化，会给IQ两路数字信号带来增益误差、直流偏置和非正交调制相差等IQ不平衡因素。这些IQ不平衡因素在射频上会造成本振泄露及镜像泄漏。因此，通常会设计正交调制校准模块以使IQ两路在整个数据链路中达到平衡。

工程实际中使用的正交调制校准方法主要是利用训练序列估计不平衡参数并校准，现有的正交调制校准方法用于校准发射机或接收机，在一端理想的情况下来设计另一端的正交调制校准模块。利用训练序列通过正交调制模块以获取畸变输出信号，再结合正交调制模块的IQ不平衡参数对IQ数字信号的畸变模型，对获取的畸变输出信号和训练序列进行时域处理来估计正交调制模块的IQ不平衡参数，最后根据估计出的参数设计正交调制校准模块。

然而，现有正交调制校准方法存在以下一些问题：校准过程需要理想接收机或发射机，无法联合校准收发端：当接收机和发射机同时存在不平衡因素时，由于IQ数字信号在时域处理上无法将收发端带来的IQ不平衡因素分离，即无法保证射频信号的本振泄漏和镜像泄漏的指标。所以，现有方法在校准发送端的正交调制模块时，要求接收机的正交调制模块是理想的。在校准接收机的正交调制模块时，要求发射机的正交调制模块是理想的。估计参数过程复杂：根据IQ不平衡因素，增益误差、直流偏置和非正交调制相差，构建不理想正交调制模块的畸变模型，对获取的畸变输出信号做时域处理估计IQ不平衡参数，参数估计过程复杂。

实用新型内容

本实用新型提供了一种收发端联合正交调制校准的装置，在不要求理想接收机或发送机的情况下，能够联合校准收发端的正交调制模块，简化IQ不平衡参数估计过程。

本实用新型的技术方案是：一种收发端联合正交调制校准的装置，包括非理想的发射机和接收机，其中发射机包括IQ预畸变校准模块，IQ预畸变校准模块通过校准通道连接数模转换器，其中训练序列模块向校准通道发送训练序列信号，数模转换器连接正交调制模块，正交调制模块连接耦合器，耦合器通过耦合环回连接发射机和接收机；接收机包括接收发射机射频信号的正交解调模块，正交解调模块通过校准通道接收发射机信号，正交解调模块连接模数转换器，模数转换器通过校准通道连接频域分析模块，频域分析模块将IQ不平衡参数的估计分别发送给发射机的IQ预畸变校准模块和接收机的IQ校准模块，并且更新IQ预畸变校准模块和IQ校准模块。

更进一步的，本实用新型的特点还在于：

其中数模转换器和正交调制模块之间设置有低通滤波器，正交解调模块和模数转换器之间设置有低通滤波器。

其中正交调制模块和正交解调模块均连接一个LO振荡器，LO振荡器向正交调制模块和正交解调模块发送本振信号。

其中接收机还包括低噪声放大器，低噪声放大器通过业务通道连接正交解调模块。

其中发射机通过耦合通道向接收机发射射频信号。

其中训练序列模块为FPGA数字逻辑模块，且训练序列信号为单音数字信号。

其中IQ校准模块和频域分析模块集成在一个FPGA芯片或DSP芯片中。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果还在于，提供了能够实现上述方法的装置，在进行IQ校准时，将源选择切换为校准通道，并且发射机产生训练序列信号，经过正交调制模块输出射频信号，射频信号经过耦合环回到接收机，然后经过正交解调进行频域分析后得到IQ不平衡参数估计，然后根据估计出的参数分别更新发射机的IQ预畸变校准模块和接收机的IQ校准模块。其中训练序列经过正交调制、耦合环回和正交解调后能够避免收发端产生的本振泄漏和镜像泄漏信号在频域混叠；在频域分析时采用不同的频点组合实现收发端IQ不平衡因素的分离，并且选取不同的频点，可以在保留一端有用信号、本振泄露和镜像泄漏的前提下，屏蔽另一端的有用信号、本振泄露和镜像泄漏影响。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型中发射机IQ畸变校准模型示意图；

图3为本实用新型中接收机IQ校准模型示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型的技术方案进一步说明。

本实用新型还提供了一种收发端联合正交调制校准的装置，如图1所示，包括非理想的发射机和接收机，其中发射机包括IQ预畸变校准模块，IQ预畸变校准模块通过发射机的业务通道与数模转换器连接，其中校准通道还接收训练序列模块发送的训练序列信号；数模转换器通过低通滤波器与正交调制模块连接，正交调制模块上还连接有LO振荡器，LO振荡器向正交调制模块发送LO本振频率；正交调制模块输出射频信号，射频信号通过耦合器的耦合通道环回给接收机；接收机接收到发射机发送的射频信号并且通过校准通道传递给正交解调模块，且接收机还包括低噪声放大器，低噪声放大器通过业务通道连接正交解调模块，正交解调模块上连接有LO振荡器，LO振荡器向正交解调模块发送LO本振频率；正交解调模块通过低通滤波器向模数转换器发送解调后的信号，然后模数转换器通过校准通道将该信号传递给频域分析模块，频域分析模块得到IQ参数的估计，并且将IQ参数的估计发送给发射机的IQ预畸变校准模块和接收机的IQ校准模块，并且更新各自的IQ校准模型。

本实用新型装置的工作原理是，基于非理想的发射机和接收机，其中发射机和接收机的源选择均切换为校准通道；其中发射机产生训练序列，并且训练序列经过正交调制后输出射频信号，射频信号经过耦合通道环回到接收机，然后再经过正交解调和频域分析得到IQ不平衡参数的估计，并且将IQ不平衡参数的估计更新发射机的IQ预畸变校准模块和接收机的IQ校准模型，其中发射机的正交调制和接收机的正交解调配置成不同的本振频率，且接收机的频域分析选取不同的频点。

具体的本实用新型中的发射机的训练序列信号的频域谱为训练序列信号带宽为BW_s＝f_u-f_d，并满足即训练序列信号为单边谱复信号，其中f_d为下截止频率，f_u为上截止频率，f_s为采样频率。该训练序列信号通过频谱搬移或者希尔伯特变换得到，下面通过正频率单边谱复信号进行说明。

在频域分析中分离发射机和接收机IQ不平衡参数对训练序列信号的影响，配置发射机本振频率为f_ct，接收机本振频率为f_cr，并且二者满足Δf_c＝f_ct-f_cr＞f_u，如上配置收发端的频点之后，训练序列信号经过非理想的正交调制后在频域将存在与发射机IQ不平衡参数有关的三类分量，[f_ct+f_d,f_ct+f_u]范围内为发射有用信号，f_ct处为发射本振泄露信号，[f_ct-f_u,f_ct-f_d]范围内为发射镜像泄露信号。控制发射机输出的射频信号耦合环回输入到接收机，经过非理想的正交解调后频域将存在与接收机IQ不平衡参数有关的三类分量，其中[Δf_c-f_u,Δf_c+f_u]范围内为接收有用信号(包含发射机输出的三类分量)，零频处为接收本振泄露信号，[-Δf_c-f_u,-Δf_c+f_u]范围内为接收镜像泄露信号。

例如获取长度为N的IQ不平衡接收训练序列信号并做N点FFT，得到接收训练序列信号在N个频点上的幅频信息和相频信息，频率分辨率为f_s/N。

其中负频率单边谱复信号与正频率单边谱复信号处理的原理相同。

本实用新型中经过正交解调和频域分析得到IQ不平衡参数估计的方法有以下两种：

1.综合使用接收训练序列信号的幅频和相频信息估计收发端的IQ不平衡参数；其具体过程是：

定义非理想发射端IQ不平衡畸变通用模型：

定义非理想发射机IQ预畸变校准模型：

定义非理想接收机IQ不平衡畸变通用模型：

定义非理想接收机IQ校准模型：

非理想收发端的IQ不平衡畸变可选用相同形式的通用模型，其中s_t(t)，y_t(t)分别为发射机理想信号和畸变信号，s_r(t)和y_r(t)分别为接收机理想信号和畸变信号，A_t,B_t,C_t,D_t,E_t,F_t为发射机模型参数，A_r,B_r,C_r,D_r,E_r,F_r为接收机模型参数，A,B,C,D表示IQ畸变，包括幅度不平衡和相位不平衡，E,F分别表示IQ两路的直流偏置，估计值为发射机校准系数，估计值为接收机校准系数。

根据公式(1)得到发射机畸变后的时域信号为：

y_t(t)＝y_It(t)+jy_Qt(t)

＝(A_t+jC_t)s_It(t)+(B_t+jD_t)s_Qt(t)+(E_t+jF_t)………………(5)

发射机的训练序列信号I路和Q路的频域表达分别为：

将上述结构带入公式(5)，得到发射机畸变后的频域信号：

因此至少需要分析三个频点才能估计出收发端IQ不平衡参数，假设取三个频点信息，则三个频点中一个频点为零频点Y_t(0)，用于估计IQ两路的直流偏置，另外的两个频点ω₁ω₂分别分布在[f_d,f_u]和[-f_u,-f_d]，用于估计畸变参数；三个频点组成复方程组：

Y_t(ω₁)＝(A_t+jC_t)S_It(ω₁)+(B_t+jD_t)S_Qt(ω₁),ω₁∈[2πf_d,2πf_u]………(9)

Y_t(ω₂)＝(A_t+jC_t)S_It(ω₂)+(B_t+jD_t)S_Qt(ω₂),ω₂∈[-2πf_u,-2πf_d]………(10)

Y_t(0)＝N(E_t+jF_t)…………………(11)

解复方程组得到IQ不平衡参数估计值为：

2.通过构造并使用多组IQ训练序列信号，仅使用接收训练序列信号的幅频信息估计收发端的IQ不平衡参数；其具体过程是：

该方法在频域分析中仅根据接收信号的幅频信息即可完成参数估计，但需要发送多个不同的IQ训练序列信号并分别进行频域分析，不同的IQ训练序列信号按一定的规律构造，在根据不同IQ训练序列信号间的已知差异，综合处理不同IQ训练序列的频域分析结果，即可估计出IQ不平衡参数。

IQ不平衡畸变模型通过正交调制模型的不理想参数建立，则发射机模型为：

其中，表示非正交调制相位误差，k表示IQ两路的增益比，d_I,d_Q分别表示IQ两路的直流偏置。其中公式(1)和公式(17)所表达的两种模型是等价的。

在不使用接收信号的相频信息，选用公式(17)描述的非理想发射机IQ不平衡畸变模型，该模型从发射机硬件特性出发，其描述的IQ不平衡参数本身具有约束，也可对忽略的相频信息做一定程度的补偿。

不同的IQ训练序列信号的构造方法为：

s_ti(t)＝cosθ_is_It(t)-sinθ_is_Qt(t)+js_Qt(t)+Δd_Ii………(18)

根据公式(17)得到发射机畸变后的时域信号为：

发射机畸变后的频域信号为：

综合分析多组接收训练序列幅频信息，并通过幅频信息之比构造方程组：

由公式(21)可以得到以k,为变量的齐次超定方程组。将分别作为变量并分离出k，方程组的形式简化为三元一次齐次超定方程组，但要注意分别作为变量时，仍然要满足的约束。通过SVD分解得到超定方程组的最小二乘解，即IQ不平衡参数k,的估计。

其中带有约束的SVD分解得到的最小二乘法对系统噪声比较敏感，因此对于噪声大的系统，提供一种基于二维搜索的参数估计方法。对于公式(17)给出的畸变模型，并且容易证明镜像泄漏幅度为关于参数k,的二维凸函数。通过设置不同的校准模型参数，在以k＝1,为中心的二维领域内搜索，并以镜像泄漏幅度最小时对应的作为k,的估计。

从公式(22)可以得到以d_I,d_Q为变量的非齐次超定方程组，能够得到超定方程组的最小二乘解，即IQ不平衡参数d_I,d_Q的估计。

本实用新型中根据上述得到的IQ不平衡参数估计更新发射机的IQ预畸变校准模块和接收机的IQ校准模型，其具体过程是，如图2所示，在发射机IQ预畸变校准模块中，a_t,b_t,c_t,d_t为与镜像相关的校准参数，为与本振相关的校准参数。如图3所示，在接收机IQ校准模块中，a_r,b_r,c_r,d_r为与镜像相关的校准参数，为与本振相关的校准参数。

非理想发射机和接收机的IQ校准模型原理相同，其处理流程不同，发射机IQ校准在校正调制之前属于预畸变校准，接收机IQ校准在正交解调之后，属于后续校准。

根据估计出的收发端的IQ不平衡参数，按照图2和图3中的模型，分别设计发射机IQ预畸变校准模型和接收机IQ校准模型得到和

本实用新型的具体实施例为：本实用新型的硬件包括用于产生训练序列信号的训练序列模块，用于估计参数的频域分析模块，IQ校准模块，上述模块可集成在一个或多个芯片中，如将其中的一个或多个集成在FPGA或DSP芯片中。

首先选择单音数字信号为训练序列信号，训练序列模块由FPGA数字逻辑实现；结合收发端的符号速率确定单音训练序列信号的物理频率，并且使其满足f_s＞2f₀，其中f₀为单音训练序列的物理频率，f_s为采样频率，其满足奈奎斯特采样定律。另外单音训练序列信号长度满足其中m为正整数，即单音训练序列长度应为整周期，在循环发送时能够做到首尾相接。

选用集成正交调制和正交解调的可编程RF收发器芯片，配置发射机本振频率为f_ct，接收机本振频率为f_cr，并且使其满足Δf_c＝f_ct-f_cr＞f₀。由于接收机抓取符号流长度为N的数字信号并做频域分析，为了得到有用信号，本振泄露和镜像泄漏物理频率为N点FFT频率分辨率的整数倍，还需要满足其m,m′中为正整数，本实施例中抓取符号流长度N＝1024，m＝128，m′＝256，

在接收机的正交解调模块后，FPGA抓取符号流长度为N的数字信号并且通过DSP读取，DSP对抓取的数字信号做N点FFT并进行频域分析和参数估计，其频域分析结果为：

估计非理想发射机的IQ不平衡参数时，选择与发射机IQ不平衡因素有关的频点组合进行频域分析，可使用的频点组合有(Δf_c+f₀,Δf,Δf_c-f₀)，并根据组成的复方程组估计出非理想发射机的IQ不平衡参数。

估计非理想接收机IQ不平衡参数时，选择与接收机IQ不平衡因素有关的频点组合，如(Δf_c+f₀,0,-Δf_c-f₀)或(Δf_c-f₀,0,-Δf_c+f₀)，根据组成的复方程组估计出非理想接收机的IQ不平衡参数。

发射机IQ预畸变校准模块和接收机IQ校准模块在FPGA内以数字信号乘加逻辑实现，其中发射机单音训练序列信号的注入和接收机IQ不平衡信号的抓取是不能通过发射机IQ预畸变校准模块和接收机IQ校准模块的。

IQ不平衡参数估计和校准流程是在业务空闲间隔或周期性触发的，并根据每次估计出的收发两端IQ不平衡参数计算校准参数，并分别更新到发射机IQ预畸变校准模块和接收机IQ校准模块。

Claims (7)

1.一种收发端联合正交调制校准的装置，其特征在于，包括非理想的发射机和接收机，其中发射机包括IQ预畸变校准模块，IQ预畸变校准模块通过校准通道连接数模转换器，其中训练序列模块向校准通道发送训练序列信号，数模转换器连接正交调制模块，正交调制模块连接耦合器，耦合器通过耦合环回连接发射机和接收机；接收机包括接收发射机射频信号的正交解调模块，正交解调模块通过校准通道接收发射机信号，正交解调模块连接模数转换器，模数转换器通过校准通道连接频域分析模块，频域分析模块将IQ不平衡参数的估计分别发送给发射机的IQ预畸变校准模块和接收机的IQ校准模块，并且更新IQ预畸变校准模块和IQ校准模块。

2.根据权利要求1所述的收发端联合正交调制校准的装置，其特征在于，所述数模转换器和正交调制模块之间设置有低通滤波器，正交解调模块和模数转换器之间设置有低通滤波器。

3.根据权利要求1所述的收发端联合正交调制校准的装置，其特征在于，所述正交调制模块和正交解调模块均连接一个LO振荡器，LO振荡器向正交调制模块和正交解调模块发送本振信号。

4.根据权利要求1所述的收发端联合正交调制校准的装置，其特征在于，所述接收机还包括低噪声放大器，低噪声放大器通过业务通道连接正交解调模块。

5.根据权利要求1所述的收发端联合正交调制校准的装置，其特征在于，所述发射机通过耦合通道向接收机发射射频信号。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的收发端联合正交调制校准的装置，其特征在于，所述训练序列模块为FPGA数字逻辑模块，且训练序列信号为单音数字信号。

7.根据权利要求1-5任意一项所述的收发端联合正交调制校准的装置，其特征在于，所述IQ校准模块和频域分析模块集成在一个FPGA芯片或DSP芯片中。