TWI657671B - 一種ｉ／ｑ不平衡校準裝置 - Google Patents

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一種I/Q不平衡校準裝置，包括：一校準信號產生器，用於選擇性地產生一第一同相校準信號、一第一正交校準信號或者該第一同相校準信號和該第一正交校準信號的兩者；一I/Q不平衡校準器，電連接該校準信號產生器，用於在收到一I/Q增益不平衡值後，對該第一同相校準信號和該第一正交校準信號進行一I/Q增益不平衡補償；一信號強度獲取電路，電連接該發射機系統的該前端電路，用於選擇性地獲取並輸出一第一至第四校準信號強度中的其中一者；一I/Q不平衡估計器，電連接該信號強度獲取電路，用以使用一差值估計選擇性地估計該第一至第四校準信號強度中的其中一者。藉此，藉由估計和補償I和Q通道的增益不平衡和相位不平衡，可不需使用類比至數位轉換器，以達到降低成本和功耗的目的。

Description

一種I/Q不平衡校準裝置
本發明係關於一種不平衡校準裝置，特別是關於一種用於在一I/Q不平衡校準模式運行下的一發射機系統中的I/Q不平衡校準裝置。
在發射機系統中，基頻信號經過數為類比轉換、低通濾波、本地振盪(LO)信號混合、同相和正交信號組合、帶通濾波和中頻(IF)信號混頻處理後，會產生射頻(RF)信號，上述處理可以由多個電路來實現，然而，分別由同相和正交通道(I和Q通道)的電路所處理的同相和正交基頻信號會因半導體製程變化，而可能有偏移。前述偏移又稱為I/Q不平衡，得將偏移進行校准或校正以處理I/Q不平衡(包括I/Q增益和相位不平衡)。
習知技術中，類比數位轉換器(ADC)可用於採樣處理後的射頻信號以校準I/Q不平衡，但ADC的採樣率應大於RF信號的信號帶寬，然而，對於採用毫米波通信頻段的發射機系統來說，信號帶寬是超大的，例如幾千兆赫(GHz)，因此ADC應該具有幾個千兆比特每秒的採樣速率(Gb/s)，設計超高採樣率的類比數位轉換器是一個挑戰，即使是超高 采樣率的類比數位轉換器也可以設計得很好，超高採樣率所帶來的巨大功耗也會影響發射機系統的散熱。
因此目前業界極需發展出一種可用於在一I/Q不平衡校準模式運行下的一發射機系統中，能不需要高速類比至數位轉換器即可完成同向與正交不平衡量估算(與校正)，如此一來，方能同時兼具降低功率消耗與發射機熱量產出，以達到降低發射機成本和功耗之目的。
鑒於上述習知技術之缺點，本發明之主要目的在於提供一種I/Q不平衡校準裝置，整合一校準信號產生器、一I/Q不平衡校準器、一信號強度獲取電路及一I/Q不平衡估計器等，以製備出低功率消耗與低熱量產出之發射機。
為了達到上述目的，根據本發明所提出之一方案，提供一種I/Q不平衡校準裝置，用於在一I/Q不平衡校準模式運行下的一發射機系統中，包括：一校準信號產生器，用於選擇性地產生一第一同相校準信號、一第一正交校準信號或者該第一同相校準信號和該第一正交校準信號的兩者；一I/Q不平衡校準器，電連接該校準信號產生器，用於在收到一I/Q增益不平衡值後，對該第一同相校準信號和該第一正交校準信號進行一I/Q增益不平衡補償，以產生一第二同相校準信號和一第二正交校準信號，並且選擇性地將該第一同相校準信號、該第一正交校準信號、該第二同相校準信號或該第二 同相校準信號和該第二正交校準信號的兩者輸出到該發射機系統的一前端電路；一信號強度獲取電路，電連接該發射機系統的該前端電路，用於選擇性地獲取並輸出一第一至第四校準信號強度中的其中一者，其中該第一至第四校準信號強度對應於一第一到第四校準信號，該第一至第四校準信號為該前端電路分別處理該第一同相校準信號、該第一正交校準信號、該第二同相校準信號以及該第二同相校準信號和該第二正交校準信號的兩者後產生的多個處理信號；一I/Q不平衡估計器，電連接該信號強度獲取電路，用以使用一差值估計選擇性地估計該第一至第四校準信號強度中的其中一者，根據一第一校準信號估計強度和一第二校準信號估計強度計算該I/Q增益不平衡值，以及根據一第三校準信號估計強度和一第四校準信號估計強度計算一I/Q相位不平衡值。
上述中在執行I/Q增益不平衡值的計算之後，進行執行I/Q相位不平衡值的計算；在執行I/Q增益不平衡值的計算之後，I/Q增益不平衡值被傳送到I/Q不平衡校準器以設置I/Q增益不平衡補償值；以及在執行I/Q相位不平衡值的計算之後，I/Q相位不平衡值被傳送到I/Q不平衡校準器以設置I/Q相位不平衡補償值。
本發明的信號強度獲取電路包括：一平方計算電路，電連接該前端電路，用以對接收的該第一至第四校準信號中的其中一者進行平方計算；以及一低通濾波器，電連接 該平方計算電路和該I/Q不平衡估計器，用於以對第一到第四校準信號的平方之其中一者進行低通濾波，以產生第一至第四校準信號強度的其中一者。
上述系統中，I/Q不平衡估計器包括：一差值估計器，電連接該信號強度獲取電路，用以根據一累加資料信號產生一參考信號強度，將該參考信號強度與該第一至第四校準信號強度的其中一者進行比較，該累加資料信號逐漸遞增直到該參考信號強度接近並且不小於該第一至第四校準信號強度的其中對應一者；以及一控制器，電性連接該差值估計器、該I/Q不平衡校準器及該校準信號產生器，用以依據該第一及第二校準信號估計強度計算該I/Q增益不平衡值，以及依據該該第三及第四校準信號估計強度計算該I/Q相位不平衡值。
本發明的差值估計器包括：一數位類比轉換器，電性連接該控制器，用以接收該控制器根據一累加信號所產生的該累加資料信號，該數位類比轉換器由來自該控制器的第一時脈信號所觸發，以對該累加資料信號進行數位類比轉換，以生成該參考信號強度；一比較器，電連接該信號強度獲取電路和該數位類比轉換器，用以將該參考信號強度與該第一至第四校準信號強度的其中一者進行比較，當該參考信號強度小於該第一至第四校準信號強度的其中對應一者時，輸出一差值信號，並且當該參考信號強度不小於該第一至第 四校準信號強度的其中對應一者時，輸出零；一延時單元，以及一加法器，電連接該延遲單元和該比較器，其中該延遲單元由來自該控制器的一第二時脈信號觸發，以延遲從該加法器輸出的該累加信號，該加法器將該延遲單元的一輸出信號和該比較器的一輸出信號相加，以產生該累加信號。
以上之概述與接下來的詳細說明及附圖，皆是為了能進一步說明本創作達到預定目的所採取的方式、手段及功效。而有關本創作的其他目的及優點，將在後續的說明及圖式中加以闡述。
1‧‧‧發射機系
111‧‧‧校準信號產生器
12‧‧‧I/Q不平衡校準器
13‧‧‧前端電路
14‧‧‧信號強度獲取電路
15‧‧‧I/Q不平衡估計器
151‧‧‧Delta估計器
S301-S316‧‧‧步驟
I-DAC‧‧‧同相通道數位至類比轉換器
Q-DAC‧‧‧正交通道數位至類比轉換器
I-LPF‧‧‧同相通道低通濾波器
Q-LPF‧‧‧正交通道數低通濾波器
I-MIX‧‧‧同相混頻器
Q-MIX‧‧‧正交混頻器
IQ-PLL‧‧‧同相與正交鎖相迴路
COMB‧‧‧合併器
IF-BPF‧‧‧中頻帶通濾波器
SQ‧‧‧平方器
SQ-LPF‧‧‧接受平方器輸出之低通濾波器
IF-PLL‧‧‧中頻鎖相迴路
IF-MIX‧‧‧中頻混頻器
COMP‧‧‧比較器
ACC-ADD‧‧‧累加加法器
ACC-REG‧‧‧累加暫存器
CTRL‧‧‧控制器
DAC-1‧‧‧接受控制器輸出之數位至類比轉換器
第一圖係為本發明一種I/Q不平衡校準裝置的發射機示意圖；第二圖係為本發明一種I/Q不平衡量估算程序流程圖。
以下係藉由特定的具體實例說明本創作之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本創作之優點及功效。
本發明提供一種I/Q不平衡校準裝置，用於在I/Q不平衡校準模式運行下的發射機系統中，其能夠估計和補償I和Q通道的增益不平衡和相位不平衡(即，I/Q增益和相位 失衡)，而不使用超高採樣率ADC，從而可以降低成本和功耗。另外，前述I/Q不平衡校準裝置可應用於毫米波通信頻帶的發射機系統，諸如第五代移動通信系統。
請參閱第一圖，為本發明一種包含有I/Q不平衡校準裝置的發射機示意圖。如圖所示，本發明所提供一種I/Q不平衡校準裝置用於在I/Q不平衡校準模式運行下的發射機系統1中，且包括校準信號產生器111、I/Q不平衡校準器12、信號強度獲取電路14與I/Q不平衡估計器15，其中校準信號產生器111電性連接I/Q不平衡校準器12，I/Q不平衡校準器12電性連接發射機系統1的前端電路13，信號強度獲取電路14電性連接前端電路13與I/Q不平衡估計器15，I/Q不平衡估計器15電性連接校準信號產生器111與I/Q不平衡校準器12。
實施流程
請參閱第二圖，為本發明一種I/Q不平衡量估算程序流程圖。如圖所示，本實施例首先在步驟S301中，校準信號產生器111產生第一同相校準信號(I(n)=A*cos(w*n),Q(n)=0)給I/Q不平衡校準器12；然後，I/Q不平衡校準器12轉傳第一同相校準信號給前端電路13；接著，前端電路13處理第一同相校準信號以產生第一校準信號；之後，信號強度獲取電路14獲取第一校準信號強度，並將第一校準信號強度傳送給I/Q不平衡估計器15。
接著在步驟S302中，I/Q不平衡估計器15使用差值估計對第一校準信號強度，進一步地，I/Q不平衡估計器15係逐漸提升累加資料信號DAC-DATA(n)，直到累加信號ACC(n)接近又不小於第一校準信號估計強度。
在步驟S303中，I/Q不平衡估計器15獲取相應於第一校準信號估計強度的累加資料信號DAC-DATA(n)，M0=DAC-DATA(n)。
在步驟S304中，校準信號產生器111產生第一正交校準信號(Q(n)=A*cos(w*n),I(n)=0)給I/Q不平衡校準器12；然後，I/Q不平衡校準器12轉傳第一正交校準信號給前端電路13；接著，前端電路13處理第一正交校準信號以產生第二校準信號；之後，信號強度獲取電路14獲取第二校準信號強度，並將第二校準信號強度傳送給I/Q不平衡估計器15。
在步驟S305中，I/Q不平衡估計器15使用差值估計對第二校準信號強度，進一步地，I/Q不平衡估計器15係逐漸提升累加資料信號DAC-DATA(n)，直到累加信號ACC(n)接近又不小於第二校準信號估計強度。在步驟S306中，I/Q不平衡估計器15獲取相應於第二校準信號估計強度的累加資料信號DAC-DATA(n)，M1=DAC-DATA(n)。
然後，在步驟S307中，I/Q不平衡估計器15根據第一與第二校準信號估計強度計算出I/Q增益不平衡值ΔG，ΔG=SQRT(M1/M0)-1，SQRT為平方根函數；之後，在步驟S308中， I/Q增益不平衡值ΔG被傳送給I/Q不平衡校準器12，以讓I/Q不平衡校準器12之後可以對收到的信號進行I/Q增益不平衡的校正。
在步驟S309中，校準信號產生器111產生第一同相校準信號(I(n)=A*cos(w*n),Q(n)=0)給I/Q不平衡校準器12；然後，I/Q不平衡校準器12對第一同相校準信號進行I/Q增益不平衡的校正，以產生第二同相校準信號給前端電路13；接著，前端電路13處理第二同相校準信號以產生第三校準信號；之後，信號強度獲取電路14獲取第三校準信號強度，並將第三校準信號強度傳送給I/Q不平衡估計器15。
在步驟S310中，I/Q不平衡估計器15使用差值估計對第三校準信號強度，進一步地，I/Q不平衡估計器15係逐漸提升累加資料信號DAC-DATA(n)，直到累加信號ACC(n)接近又不小於第三校準信號估計強度。
在步驟S311中，I/Q不平衡估計器15獲取相應於第三校準信號估計強度的累加資料信號DAC-DATA(n)，K0=DAC-DATA(n)。
在步驟S312中，校準信號產生器111產生第一同相與正交校準信號(I(n)=A*cos(w*n),Q(n)=A*cos(w*n))給I/Q不平衡校準器12；然後，I/Q不平衡校準器12對第一同相與正交校準信號進行I/Q增益不平衡的校正，以產生第二同相與正交校準信號給前端電路13；接著，前端電路13處理第二同相與正 交校準信號以產生第四校準信號；之後，信號強度獲取電路14獲取第四校準信號強度，並將第四校準信號強度傳送給I/Q不平衡估計器15。
在步驟S313中，I/Q不平衡估計器15使用差值估計對第四校準信號強度，進一步地，I/Q不平衡估計器15係逐漸提升累加資料信號DAC-DATA(n)，直到累加信號ACC(n)接近又不小於第四校準信號估計強度。
在步驟S314中，I/Q不平衡估計器15獲取相應於第四校準信號估計強度的累加資料信號DAC-DATA(n)，K1=DAC-DATA(n)。
在步驟S315中，I/Q不平衡估計器15根據第一與第二校準信號估計強度計算出I/Q相位不平衡值Δθ，Δθ=sin-1{[1-(K1/2K0)]}。
在步驟S316中，I/Q相位不平衡值Δθ被傳送給I/Q不平衡校準器12，以讓I/Q不平衡校準器12之後可以對收到的信號進行I/Q相位不平衡的校正。
上述之實施例僅為例示性說明本創作之特點及功效，非用以限制本創作之實質技術內容的範圍。任何熟悉此技藝之人士均可在不違背創作之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與變化。因此，本創作之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。

Claims (4)

  1. 一種I/Q不平衡校準裝置，用於在一I/Q不平衡校準模式運行下的一發射機系統中，包括：一校準信號產生器，用於選擇性地產生一第一同相校準信號、一第一正交校準信號或者該第一同相校準信號和該第一正交校準信號的兩者；一I/Q不平衡校準器，電連接該校準信號產生器，用於在收到一I/Q增益不平衡值後，對該第一同相校準信號和該第一正交校準信號進行一I/Q增益不平衡補償，以產生一第二同相校準信號和一第二正交校準信號，並且選擇性地將該第一同相校準信號、該第一正交校準信號、該第二同相校準信號或該第二同相校準信號和該第二正交校準信號的兩者輸出到該發射機系統的一前端電路；一信號強度獲取電路，電連接該發射機系統的該前端電路，用於選擇性地獲取並輸出一第一至第四校準信號強度中的其中一者，其中該第一至第四校準信號強度對應於一第一到第四校準信號，該第一至第四校準信號為該前端電路分別處理該第一同相校準信號、該第一正交校準信號、該第二同相校準信號以及該第二同相校準信號和該第二正交校準信號的兩者後產生的多個處理信號；一I/Q不平衡估計器，電連接該信號強度獲取電路，用以使 用一差值估計選擇性地估計該第一至第四校準信號強度中的其中一者，根據一第一校準信號估計強度和一第二校準信號估計強度計算該I/Q增益不平衡值，以及根據一第三校準信號估計強度和一第四校準信號估計強度計算一I/Q相位不平衡值；其中該信號強度獲取電路包括：一平方計算電路，電連接該前端電路，用以對接收的該第一至第四校準信號中的其中一者進行平方計算；以及一低通濾波器，電連接該平方計算電路和該I/Q不平衡估計器，用於以對該第一到第四校準信號的平方之其中一者進行低通濾波，以產生該第一至第四校準信號強度的其中一者；其中該I/Q不平衡估計器包括：一差值估計器，電連接該信號強度獲取電路，用以根據一累加資料信號產生一參考信號強度，將該參考信號強度與該第一至第四校準信號強度的其中一者進行比較，該累加資料信號逐漸遞增直到該參考信號強度接近並且不小於該第一至第四校準信號強度的其中對應一者；以及一控制器，電性連接該差值估計器、該I/Q不平衡校準器及該校準信號產生器，用以依據該第一及第二校準信號估計強度計算該I/Q增益不平衡值，以及依據該第三及第四校準信號估計強度計算該I/Q相位不平衡值。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之I/Q不平衡校準裝置，其中，在執行該I/Q增益不平衡值的計算之後，執行該I/Q相位不平衡值的計算；在執行該I/Q增益不平衡值的計算之後，該I/Q增益不平衡值被傳送到該I/Q不平衡校準器以設置I/Q增益不平衡補償值；以及在執行該I/Q相位不平衡值的計算之後，該I/Q相位不平衡值被傳送到該I/Q不平衡校準器以設置I/Q相位不平衡補償值。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之I/Q不平衡校準裝置，其中，該差值估計器包括：一數位類比轉換器，電性連接該控制器，用以接收該控制器根據一累加信號所產生的該累加資料信號，該數位類比轉換器由來自該控制器的第一時脈信號所觸發，以對該累加資料信號進行數位類比轉換，以生成該參考信號強度；一比較器，電連接該信號強度獲取電路和該數位類比轉換器，用以將該參考信號強度與該第一至第四校準信號強度的其中一者進行比較，當該參考信號強度小於該第一至第四校準信號強度的其中對應一者時，輸出一差值信號，並且當該參考信號強度不小於該第一至第四校準信號強度的其中對應一者時，輸出零；一延時單元；以及一加法器，電連接該延遲單元和該比較器，其中該延遲單元由來自該控制器的一第二時脈信號觸發，以延遲從該加 法器輸出的該累加信號，該加法器將該延遲單元的一輸出信號和該比較器的一輸出信號相加，以產生該累加信號。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之I/Q不平衡校準裝置，其中，對應於該第一校準信號估計強度的一累加數據信號被表示為M0，對應於該第二校準信號估計強度的該累加數據信號被表示為M1，該I/Q增益不平衡值被表示為ΔG，並且ΔG=SQRT(M1/M0)-1；其中該第三校準信號估計強度的該累加數據信號被表示為K0，對應於該第四校準信號估計強度的該累加數據信號被表示為K1，該I/Q相位不平衡值被表示為Δθ，並且Δθ=sin-1{[1-(K1/2K0)]}。
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