TWI703829B - 執行訊號補償的裝置及方法 - Google Patents

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TWI703829B
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張元碩
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Abstract

一種訊號補償裝置，包含有一第一濾波器電路，用來處理一寬頻訊號，以產生一第一類比時域訊號；一第二濾波器電路，用來處理該寬頻訊號，以產生一第二類比時域訊號；一第一轉換電路，用來轉換該第一類比時域訊號為一第一數位時域訊號；一第二轉換電路，用來轉換該第二類比時域訊號為一第二數位時域訊號；一第三轉換電路，用來轉換該第一數位時域訊號為一第一頻域訊號；一第四轉換電路，用來轉換該第二數位時域訊號為一第二頻域訊號；以及一處理電路，用來根據該第一頻域訊號及該第二頻域訊號，產生一時域補償響應。

Description

執行訊號補償的裝置及方法
本發明相關於一種用於通訊系統的通訊裝置及方法，尤指一種執行訊號補償的裝置及方法。
在無線通訊系統的通訊裝置中，在I相位訊號路徑（in-phase signal path）及Q相位訊號路徑（quadrature-phase signal path）上的響應不相同會造成訊號的IQ不平衡（IQ imbalance）。在習知技術中，通訊裝置可使用窄頻訊號來補償在I相位訊號路徑或Q相位訊號路徑上的訊號，使得在一個頻率點上的IQ不平衡被消除。然而，通訊裝置需執行上述運作多次以消除在不同頻率點上的IQ不平衡，使通訊裝置具有較低的運作效率。因此，如何改善訊號補償的效率為一亟待解決的問題。
本發明提供了一種方法及其通訊裝置，用來執行訊號補償，以解決上述問題。
一種訊號補償裝置，包含有一第一濾波器電路，用來處理一寬頻訊號，以產生一第一類比時域訊號（analog time-domain signal）；一第二濾波器電路，用來處理該寬頻訊號，以產生一第二類比時域訊號；一第一轉換電路，耦接於該第一濾波器電路，用來轉換該第一類比時域訊號為一第一數位（digital）時域訊號；一第二轉換電路，耦接於該第二濾波器電路，用來轉換該第二類比時域訊號為一第二數位時域訊號；一第三轉換電路，耦接於該第一轉換電路，用來轉換該第一數位時域訊號為一第一頻域訊號（frequency-domain signal）；一第四轉換電路，耦接於該第二轉換電路，用來轉換該第二數位時域訊號為一第二頻域訊號；以及一處理電路，耦接於該第三轉換電路及該第四轉換電路，用來根據該第一頻域訊號及該第二頻域訊號，產生一時域補償響應。
一種訊號補償裝置，包含有一第一濾波器電路，用來處理一輸入訊號，以產生一第一類比訊號；一第二濾波器電路，用來處理該輸入訊號，以產生一第二類比訊號；一第一轉換電路，耦接於該第一濾波器電路，用來轉換該第一類比訊號為一第一數位訊號；一第二轉換電路，耦接於該第二濾波器電路，用來轉換該第二類比訊號為一第二數位訊號；一補償電路，耦接於該第一轉換電路，用來根據一補償響應，補償該第一數位訊號，以產生一補償訊號。
第1圖為本發明實施例一通訊系統10的示意圖。通訊系統10可為任何使用正交分頻多工（orthogonal frequency-division multiplexing，OFDM）技術（或稱為離散多頻調變（discrete multi-tone modulation，DMT）技術）的通訊系統，簡略地由一傳送端TX及一接收端RX所組成。在第1圖中，傳送端TX及接收端RX是用來說明通訊系統10之架構。舉例來說，通訊系統10可為非對稱式數位用戶迴路（asymmetric digital subscriber line，ADSL）系統、電力通訊（power line communication，PLC）系統、同軸電纜的乙太網路（Ethernet over coax，EOC）等有線通訊系統。或者，通訊系統10可為區域無線網路（wireless local area network，WLAN）、數位視訊廣播（Digital Video Broadcasting，DVB）系統、長期演進（Long Term Evolution，LTE）系統、先進長期演進（LTE-advanced，LTE-A）系統及第五代（5th generation，5G）系統等無線通訊系統。此外，傳送端TX及接收端RX可設置於行動電話、筆記型電腦等裝置中，但不限於此。
第2圖為本發明實施例一訊號補償裝置20的示意圖，用於第1圖的傳送端TX或接收端RX中，用來產生補償響應，以消除IQ不平衡（IQ imbalance）（或IQ 不匹配（IQ mismatch））。訊號補償裝置20包含有一第一濾波器電路200、一第二濾波器電路210、一第一轉換電路202、一第二轉換電路212、一第三轉換電路204、一第四轉換電路214及一處理電路206。詳細來說，第一濾波器電路200處理一寬頻訊號sig_broadband，以產生一第一類比時域訊號sig_time_anal1。第二濾波器電路210處理寬頻訊號sig_broadband，以產生一第二類比時域訊號sig_time_anal2。第一轉換電路202耦接於第一濾波器電路200，用來轉換第一類比時域訊號sig_time_anal1為一第一數位（digital）時域訊號sig_time_dig1。第二轉換電路212耦接於第二濾波器電路210，用來轉換第二類比時域訊號sig_time_anal2為一第二數位時域訊號sig_time_dig2。第三轉換電路204耦接於第一轉換電路202，用來轉換第一數位時域訊號sig_time_dig1為一第一頻域（frequency-domain）訊號sig_freq1。第四轉換電路214耦接於第二轉換電路212，用來轉換第二數位時域訊號sig_time_dig2為一第二頻域訊號sig_freq2。處理電路206耦接於第三轉換電路204及第四轉換電路214，用來根據第一頻域訊號sig_freq1及第二頻域訊號sig_freq2，產生一時域補償響應resp_comp_time。
在一實施例中，第一類比時域訊號sig_time_anal1、第一數位時域訊號sig_time_dig1及第一頻域訊號sig_freq1是在I相位訊號路徑（in-phase signal path）上的訊號，以及第二類比時域訊號sig_time_anal2、第二數位時域訊號sig_time_dig2及第二頻域訊號sig_freq2是在Q相位訊號路徑（quadrature-phase signal path）上的訊號。在一實施例中，第一類比時域訊號sig_time_anal1、第一數位時域訊號sig_time_dig1及第一頻域訊號sig_freq1是在Q相位訊號路徑上的訊號，以及第二類比時域訊號sig_time_anal2、第二數位時域訊號sig_time_dig2及第二頻域訊號sig_freq2是在I相位訊號路徑上的訊號。
第3圖為本發明實施例一處理電路30的示意圖。處理電路30可用來實現第2圖的處理電路206，但不限於此。處理電路30包含有一計算電路300及一第五轉換電路302。計算電路300耦接於第三轉換電路204及第四轉換電路214，用來根據第一頻域訊號sig_freq1及第二頻域訊號sig_freq2，產生一頻域補償響應resp_comp_freq。第五轉換電路302耦接於計算電路300，用來轉換頻域補償響應resp_comp_freq為時域補償響應resp_comp_time。在一實施例中，頻域補償響應resp_comp_freq相關於第一頻域訊號sig_freq1及第二頻域訊號sig_freq2的一差異。差異可包含有一振幅響應差異及／或一相位響應差異，但不限於此。
第4圖為本發明實施例一訊號補償裝置40的示意圖，用於第1圖的傳送端TX或接收端RX中。訊號補償裝置40包含有一訊號產生電路400及訊號補償裝置20。詳細來說，訊號產生電路400耦接於訊號補償裝置20（例如第一濾波器電路200及第二濾波器電路210），用來產生寬頻訊號sig_broadband。訊號補償裝置20使用寬頻訊號sig_broadband來產生時域補償響應resp_comp_time。訊號補償裝置20的運作可參考前述，於此不贅述。
在一實施例中，寬頻訊號sig_broadband是一脈衝訊號。也就是說，脈衝訊號被作為一輸入訊號（或一測試訊號）。此外，在執行一快速傅立葉轉換（Fast Fourier Transform，FFT）後，脈衝訊號在頻譜上是一常數（constant）。換言之，脈衝訊號在每個頻率點上的能量皆相同。在一實施例中，第一濾波器電路200及第二濾波器電路210是類比基頻濾波器。在一實施例中，第一轉換電路202及第二轉換電路212是類比數位轉換器（analog-to-digital converter，ADC）。在一實施例中，第三轉換電路204及第四轉換電路214執行快速傅立葉轉換，以分別轉換第一數位時域訊號sig_time_dig1及第二數位時域訊號sig_time_dig2為第一頻域訊號sig_freq1及第二頻域訊號sig_freq2。
第5圖為本發明實施例一訊號補償裝置50的示意圖，用於第1圖的傳送端TX或接收端RX中，用來消除IQ不平衡（或IQ 不匹配）。訊號補償裝置50包含有一第一濾波器電路500（例如第一濾波器電路200）、一第二濾波器電路510（例如第二濾波器電路210）、一第一轉換電路502（例如第一轉換電路202）、一第二轉換電路512（例如第二轉換電路212）及一補償電路504。詳細來說，第一濾波器電路500，用來處理一輸入訊號sig_input，以產生一第一類比訊號sig_anal1。第二濾波器電路510處理輸入訊號sig_input，以產生一第二類比訊號sig_anal2。第一轉換電路502耦接於第一濾波器電路500，用來轉換第一類比訊號sig_anal1為一第一數位訊號sig_dig1。第二轉換電路512耦接於第二濾波器電路510，用來轉換第二類比訊號sig_anal2為一第二數位訊號sig_dig2。補償電路504耦接於第一轉換電路502，用來根據一補償響應，補償第一數位訊號sig_dig1，以產生一補償訊號sig_comp。也就是說，根據補償響應，補償電路504補償第一頻域訊號sig_freq1，使得在I相位訊號路徑及Q相位訊號路徑上的響應（例如頻率響應或脈衝響應（impulse response））相同。響應差異所產生的IQ不平衡被消除。
在一實施例中，補償電路是一數位基頻濾波器。在一實施例中，補償響應是訊號補償裝置20產生的時域補償響應resp_comp_time。在一實施例中，第一類比訊號sig_anal1、第二類比訊號sig_anal2、第一數位訊號sig_dig1、第二數位訊號sig_dig2及補償訊號sig_comp是時域訊號。
在一實施例中，第一類比訊號sig_anal1、第一數位訊號sig_dig1及補償訊號sig_comp是在I相位訊號路徑上的訊號，以及第二類比訊號sig_anal2、第二數位訊號sig_dig2是在Q相位訊號路徑上的訊號。在一實施例中，第一類比訊號sig_anal1、第一數位訊號sig_dig1及補償訊號sig_comp是在Q相位訊號路徑上的訊號，以及第二類比訊號sig_anal2、第二數位訊號sig_dig2是在I相位訊號路徑上的訊號。
以下實施例是用來舉例說明訊號補償裝置40及50如何補償在I相位訊號路徑上的訊號，以消除IQ不平衡。首先，訊號產生電路400產生脈衝訊號
Figure 02_image001
（即寬頻訊號sig_broadband）。根據脈衝訊號
Figure 02_image001
，第一濾波器電路200及第二濾波器電路210分別產生時域訊號
Figure 02_image003
及
Figure 02_image005
（例如第一類比時域訊號sig_time_anal1及第二類比時域訊號sig_time_anal2）如下：
Figure 02_image007
（式1）
Figure 02_image009
（式2）
其中
Figure 02_image011
及
Figure 02_image013
分別是第一濾波器電路200及第二濾波器電路210的脈衝響應，以及
Figure 02_image015
是一捲積（convolution）函數。接著，在時域訊號
Figure 02_image003
及
Figure 02_image005
經過類比數位轉換器後，第三轉換電路204及第四轉換電路214將時域訊號
Figure 02_image003
及
Figure 02_image005
分別轉換為頻域訊號
Figure 02_image017
及
Figure 02_image019
（例如第一頻域訊號sig_freq1及第二頻域訊號sig_freq2）。根據捲積定理，頻域訊號
Figure 02_image017
及
Figure 02_image019
可被表示為以下的方程式：
Figure 02_image021
（式3）
Figure 02_image023
（式4）
其中
Figure 02_image025
是執行快速傅立葉轉換後的脈衝訊號，
Figure 02_image027
及
Figure 02_image029
是第一濾波器電路200及第二濾波器電路210的頻率響應。由於脈衝訊號
Figure 02_image025
是一常數，方程式（式3）及（式4）可被推導如下：
Figure 02_image031
（式5）
Figure 02_image033
（式6）
也就是說，頻率響應
Figure 02_image027
與頻域訊號
Figure 02_image017
成正比，以及頻率響應
Figure 02_image029
與頻域訊號
Figure 02_image019
成正比。因此，計算電路300可使用頻域訊號
Figure 02_image017
及
Figure 02_image019
來計算一頻域補償響應
Figure 02_image035
。根據方程式（式3）及（式4），計算電路300計算頻域訊號
Figure 02_image017
及
Figure 02_image019
的振幅響應（
Figure 02_image037
及
Figure 02_image039
）及相位響應（
Figure 02_image041
及
Figure 02_image043
），如第6圖中的(a)圖及(b)圖所示。因此，一振幅響應差異
Figure 02_image045
及一相位響應差異
Figure 02_image047
可根據以下方程式被獲得：
Figure 02_image049
（式7）
Figure 02_image051
（式8）
在方程式（式7）中，根據頻域訊號
Figure 02_image017
的振幅響應
Figure 02_image037
，頻域訊號
Figure 02_image019
的振幅響應
Figure 02_image039
被歸一化（normalized）。因此，振幅響應差異
Figure 02_image045
及振幅響應
Figure 02_image037
的一乘積（product）與振幅響應
Figure 02_image039
相同。換言之，在I相位訊號路徑上的補償的振幅響應相同於在Q相位訊號路徑上的振幅響應。此外，相位響應差異
Figure 02_image047
及相位響應
Figure 02_image041
的一總和（sum）與相位響應
Figure 02_image043
相同。在I相位訊號路徑上的補償的相位響應相同於在Q相位訊號路徑上的相位響應。根據方程式（式7）及（式8），計算電路300計算一差異函數
Figure 02_image053
及頻域補償響應
Figure 02_image035
（例如頻域補償響應resp_comp_freq）如下：
Figure 02_image055
Figure 02_image057
（式9）
Figure 02_image059
（式10）
其中
Figure 02_image061
是第一轉換電路202及第二轉換電路212的一取樣率（sampling rate），以及
Figure 02_image063
是一頻率間隔（frequency interval）。此外，透過反離散傅立葉變換（Inverse Discrete Fourier Transform，IDFT），第五轉換電路302可轉換頻域補償響應
Figure 02_image035
為一脈衝補償響應
Figure 02_image065
（例如時域補償響應resp_comp_time），如下式所示：
Figure 02_image067
（式11）
其中
Figure 02_image069
。
接著，根據一輸入訊號，透過第一濾波器電路500及第一轉換電路502，訊號補償裝置50產生一時域訊號
Figure 02_image071
（例如第一數位訊號sig_dig1）。根據輸入訊號，透過第二濾波器電路510及第二轉換電路512，訊號補償裝置50產生一時域訊號
Figure 02_image073
（例如第二數位訊號sig_dig2）。補償電路504使用脈衝補償響應
Figure 02_image065
以補償時域訊號
Figure 02_image071
如下：
Figure 02_image075
（式12）
其中
Figure 02_image077
是時域訊號
Figure 02_image071
的一補償結果（例如補償訊號sig_comp）。因此，在I相位訊號路徑及Q相位訊號路徑上的響應（例如振幅響應及相位響應）會相同。IQ不平衡的問題可被解決。
第6圖為本發明實施例複數個頻域訊號
Figure 02_image017
及
Figure 02_image019
的示意圖。(a)圖是頻域訊號
Figure 02_image017
及
Figure 02_image019
的振幅響應，(b)圖是頻域訊號
Figure 02_image017
及
Figure 02_image019
的相位響應，(c)圖是頻域訊號
Figure 02_image017
及
Figure 02_image019
的振幅響應差異
Figure 02_image079
（或被稱為一IQ振幅不匹配（IQ amplitude mismatch）），以及(d)圖是頻域訊號
Figure 02_image017
及
Figure 02_image019
的相位響應差異（或被稱為一IQ相位不匹配（IQ phase mismatch））。透過(c)圖及(d)圖，計算電路300可計算出差異函數
Figure 02_image053
，進而獲得頻域補償響應
Figure 02_image035
。計算電路300的運作可參考前述，於此不贅述。
前述訊號補償裝置20的運作方式可歸納為一流程70，用於傳送端TX或接收端RX中，如第7圖所示。流程70包含有以下步驟：
步驟700：開始。
步驟702：處理一寬頻訊號，以產生一第一類比時域訊號。
步驟704：處理該寬頻訊號，以產生一第二類比時域訊號。
步驟706：轉換該第一類比時域訊號為一第一數位時域訊號。
步驟708：轉換該第二類比時域訊號為一第二數位時域訊號。
步驟710：轉換該第一數位時域訊號為一第一頻域訊號。
步驟712：轉換該第二數位時域訊號為一第二頻域訊號。
步驟714：根據該第一頻域訊號及該第二頻域訊號，產生一時域補償響應。
步驟716：結束。
前述訊號補償裝置50的運作方式可歸納為一流程80，用於傳送端TX或接收端RX中，如第8圖所示。流程80包含有以下步驟：
步驟800：開始。
步驟802：處理一輸入訊號，以產生一第一類比訊號。
步驟804：處理該輸入訊號，以產生一第二類比訊號。
步驟806：轉換該第一類比訊號為一第一數位訊號。
步驟808：轉換該第二類比訊號為一第二數位訊號。
步驟810：根據一補償響應，補償該第一數位訊號，以產生一補償訊號。
步驟812：結束。
流程70及80是分別用來舉例說明訊號補償裝置20及50的運作方式，詳細說明及變化可參考前述，於此不贅述。
需注意的是，訊號補償裝置20、40及50（及其中的第一濾波器電路200及500、第二濾波器電路210及510、第一轉換電路202及502、第二轉換電路212及512、第三轉換電路204、第四轉換電路214、處理電路206、訊號產生電路400及補償電路504）以及處理裝置30（及其中的計算電路300及第五轉換電路302）的實現方式可有很多種。舉例來說，可將上述裝置（電路）整合為一或多個裝置（電路）。此外，訊號補償裝置20、40及50以及處理裝置30可以硬體（例如電路）、軟體、韌體（為硬體裝置與電腦指令與資料的結合，且電腦指令與資料屬於硬體裝置上的唯讀軟體）、電子系統、或上述裝置的組合來實現，不限於此。
綜上所述，本發明提供了一種執行訊號補償的裝置及方法，訊號補償裝置使用寬頻訊號來獲得補償響應，以及根據補償響應補償在I相位訊號路徑或Q相位訊號路徑上的訊號，使得在多個頻率點上的IQ不平衡被消除。相較於習知技術，本發明具有較佳的效能。 以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
10:通訊系統 20、40、50:訊號補償裝置 200、500:第一濾波器電路 202、502:第一轉換電路 204:第三轉換電路 206、30:處理電路 210、510:第二濾波器電路 212、512:第二轉換電路 214:第四轉換電路 300:計算電路 302:第五轉換電路 400:訊號產生電路 504:補償電路 70、80:流程 700、702、704、706、708、710、712、714、716、800、802、804、806、808、810、812:步驟 sig_time_anal1:第一類比時域訊號 sig_time_anal2:第二類比時域訊號 sig_time_dig1:第一數位時域訊號 sig_time_dig2:第二數位時域訊號 sig_freq1:第一頻域訊號 sig_freq2:第二頻域訊號 resp_comp_time:時域補償響應 sig_broadband:寬頻訊號 resp_comp_freq:頻域補償響應 sig_input:輸入訊號 sig_anal1:第一類比訊號 sig_anal2:第二類比訊號 sig_dig1:第一數位訊號 sig_dig2:第二數位訊號 sig_comp:補償訊號 TX:傳送端 RX:接收端
第1圖為本發明實施例一通訊系統的示意圖。 第2圖為本發明實施例一訊號補償裝置的示意圖。 第3圖為本發明實施例一處理電路的示意圖。 第4圖為本發明實施例一訊號補償裝置的示意圖。 第5圖為本發明實施例一訊號補償裝置的示意圖。 第6圖為本發明實施例複數個頻域訊號的示意圖。 第7圖為本發明實施例一流程的流程圖。 第8圖為本發明實施例一流程的流程圖。
20:訊號補償裝置
200:第一濾波器電路
202:第一轉換電路
204:第三轉換電路
206:處理電路
210:第二濾波器電路
212:第二轉換電路
214:第四轉換電路
sig_time_anal1:第一類比時域訊號
sig_time_anal2:第二類比時域訊號
sig_time_dig1:第一數位時域訊號
sig_time_dig2:第二數位時域訊號
sig_freq1:第一頻域訊號
sig_freq2:第二頻域訊號
resp_comp_time:時域補償響應
sig_broadband:寬頻訊號

Claims (10)

  1. 一種訊號補償裝置，包含有： 一第一濾波器電路，用來處理一寬頻訊號，以產生一第一類比時域訊號（analog time-domain signal）； 一第二濾波器電路，用來處理該寬頻訊號，以產生一第二類比時域訊號； 一第一轉換電路，耦接於該第一濾波器電路，用來轉換該第一類比時域訊號為一第一數位（digital）時域訊號； 一第二轉換電路，耦接於該第二濾波器電路，用來轉換該第二類比時域訊號為一第二數位時域訊號； 一第三轉換電路，耦接於該第一轉換電路，用來轉換該第一數位時域訊號為一第一頻域訊號（frequency-domain signal）； 一第四轉換電路，耦接於該第二轉換電路，用來轉換該第二數位時域訊號為一第二頻域訊號；以及 一處理電路，耦接於該第三轉換電路及該第四轉換電路，用來根據該第一頻域訊號及該第二頻域訊號，產生一時域補償響應。
  2. 如請求項1所述的訊號補償裝置，其中該處裡電路包含有： 一計算電路，耦接於該第三轉換電路及該第四轉換電路，用來根據該第一頻域訊號及該第二頻域訊號，產生一頻域補償響應；以及 一第五轉換電路，耦接於該計算電路，用來轉換該頻域補償響應為該時域補償響應。
  3. 如請求項2所述的訊號補償裝置，其中該頻域補償響應根據以下方程式被定義：
    Figure 03_image059
    ； 其中
    Figure 03_image053
    是相關於該第一頻域訊號及該第二頻域訊號的一差異函數，
    Figure 03_image061
    是該第一轉換電路及該第二轉換電路的一取樣率（sampling rate），以及
    Figure 03_image063
    是一頻率間隔（frequency interval）。
  4. 如請求項1所述的訊號補償裝置，另包含有： 一訊號產生電路，耦接於該第一濾波器電路及該第二濾波器電路，用來產生該寬頻訊號。
  5. 如請求項1所述的訊號補償裝置，其中該寬頻訊號是一脈衝訊號（impulse signal）。
  6. 如請求項1所述的訊號補償裝置，其中該第一濾波器電路及該第二濾波器電路是類比基頻濾波器。
  7. 如請求項1所述的訊號補償裝置，其中該第一轉換電路及該第二轉換電路是類比數位轉換器（analog-to-digital converter，ADC）。
  8. 如請求項1所述的訊號補償裝置，其中該第三轉換電路及該第四轉換電路執行一快速傅立葉轉換（Fast Fourier Transform，FFT），以分別轉換該第一數位時域訊號及該第二數位時域訊號為該第一頻域訊號及該第二頻域訊號。
  9. 一種訊號補償裝置，包含有： 一第一濾波器電路，用來處理一輸入訊號，以產生一第一類比訊號（analog signal）； 一第二濾波器電路，用來處理該輸入訊號，以產生一第二類比訊號； 一第一轉換電路，耦接於該第一濾波器電路，用來轉換該第一類比訊號為一第一數位（digital）訊號； 一第二轉換電路，耦接於該第二濾波器電路，用來轉換該第二類比訊號為一第二數位訊號； 一補償電路，耦接於該第一轉換電路，用來根據一補償響應，補償該第一數位訊號，以產生一補償訊號。
  10. 如請求項9所述的訊號補償裝置，其中該第一濾波器電路及該第二濾波器電路是類比基頻濾波器，以及該補償電路是一數位基頻濾波器。
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