CN101075816A - 一种数字上变频镜像抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种数字上变频镜像抑制的方法，其通过计算机控制信号源和频谱分析仪。计算机产生系统需要的通信测试信号(包括频率，幅值，扩频码，扰码等)，然后下载到信号源中。信号源将通信测试信号发送到数字中频板上，数字中频板的输出接到频谱分析仪中，计算机读取频谱分析仪中预定频点(镜像频率)的幅值，然后按照一定的控制策略，自动修改数字中频板中的参数(包括复数调制的I、Q通道增益，正交调制的I、Q通道增益，DAC的偏移，细调增益，粗调增益等)，形成一个负反馈通道，逐步控制数字中频板的参数使镜像频率的幅值最小。当取得最优的控制参数后，把这些参数写入数字中频板中的初始化数据中。

Description

一种数字上变频镜像抑制方法

技术领域

本发明涉及软件无线电领域，尤其涉及数字上变频镜像抑制的方法。

背景技术

为了解决商用和军用无线电通信中出现的多模式和多载波信号之间的互通互连问题，1992年5月Joe Mitola在美国国家远程系统会议上首次提出了软件无线电概念。

软件无线电(SDR)是具有可重配置硬件平台的无线设备，可以跨多种通信标准，其代表着包括无线通信在内的几乎所有的无线电电子信息系统的发展趋势，核心思想是：1)将模数变换器ADC和数模变换器DAC尽可能靠近天线；2)在对信号充分数字化的基础上依靠软件来定义尽可能多无线电的各项功能。因为具有更低的成本、更大的灵活性和更高的性能，软件无线电已迅速成为军事、公共安全和商用无线领域的事实标准。SDR成为商用流行的主要原因之一是它能够对多种波形进行基带处理和数字中频(IF)处理。IF处理将数字信号处理的领域从基带扩展到RF。支持基带和中频处理的能力增加了系统灵活性，同时减小了制造成本。

在目前的民用通信系统中，由于各种关键器件，特别是受ADC(模数变换器)和DSP(数字信号处理器)发展水平的限制，数字中频软件无线电正成为理想软件无线电的一种经济、适用的折中选择，其包括数字上变频和数字下变频。

目前通信系统在上变频的时候一般采用超外差结构，中频变频部分采用数字上变频。在超外差结构中，一般容易产生镜像干扰。为了避免镜像频率的出现而产生镜像干扰，通常采用多级(或单级)复数和正交调制相结合以消除镜像频率。其中复数调制原理如图1所示，假设复数调制的输入分别为实部a和虚部b，则输出的实部为： $\frac{a}{2}(e^{{\mathrm{jw}}_{c}t}+e^{-{\mathrm{jw}}_{c}t})-\frac{b}{2j}(e^{{\mathrm{jw}}_{c}t}-e^{-{\mathrm{jw}}_{c}t}),$ 输出的虚部为 $\frac{a}{2j}(e^{{\mathrm{jw}}_{c}t}-e^{-{\mathrm{jw}}_{c}t})+\frac{b}{2}(e^{{\mathrm{jw}}_{c}t}+e^{-{\mathrm{jw}}_{c}t})$

正交调制的原理如图2所示，假设正交调制的输入分别为实部a和虚部b，则输出为：

$\frac{a}{2}(e^{j{w}_{c}t}+e^{-j{w}_{c}t})-\frac{b}{2j}(e^{j{w}_{c}t}-e^{-j{w}_{c}t})$

当采用一级复数调制和一级正交调制时，就是将复数调制的输出接到正交调制的输入，如图3所示。如果输入为A+i*B的形式，那么经过一次复数调制和正交调制后的输出为：

$(\frac{A}{2}+j\frac{B}{2})e^{j(\mathrm{wc}1+\mathrm{wq}2)t}+(\frac{A}{2}-j\frac{B}{2})e^{-j(\mathrm{wc}1+\mathrm{wq}2)t}$

当采用两级复数调制和一级正交调制时，就是将第二级复数调制的输出接到正交调制的输入，如图4所示。如果输入为A+i*B的形式，那么经过两次复数调制和正交调制后的输出为：

$(\frac{A}{2}+j\frac{B}{2})e^{j(\mathrm{wc}1+\mathrm{wc}2+\mathrm{wq}1)t}+(\frac{A}{2}-j\frac{B}{2})e^{-j(\mathrm{wc}1+\mathrm{wc}2+\mathrm{wq}1)t}$

可以看出经过复数和正交调制后的理论输出是没有镜像频率，但是由于复数和正交调制器本身的正交性，IQ通道的不一致性、数字正交器的有限字长效应以及DAC和模拟变频部分的布局、布线的影响，往往会有镜像泄漏。

以图5为例，时钟频率为122.88MHz，频点设置为24.92MHz，所以中频在147.8MHz，镜像中频在97.96Mhz。从图中可以看到在97.96MHz的位置上有一个-86.456dBm的镜像频率。如果后级的调制器为正交调制器，则该频率必须用后级的滤波器滤除，但是由于镜像频率和输出频率往往间隔较近，一般的RLC滤波器不易得到较好的效果。目前解决该问题的方法一般有：

第一类方法：采用定制声表滤波器。

第二类方法：改善布局布线法，即改善DAC和模拟部分的布局布线，尽可能的避免出现镜像频率。

第三类方法：手动调整法模拟参数法，即手动调整影响镜像频率的参数，以抑制部分镜像频率。

在通信多载波数字中频系统中，定制声表滤波器法采用的较多，但是成本较高，而且声表滤波器的差损大，后面往往需要加放大器，重要的是不能从本质上解决该问题。

改善布局布线法对硬件PCB(Printed circuit board)的人员的要求较高，而且与经验有很大的关系，不能保证每次布局布线的成功率。

手动调整参数法非常费时费力，因为影响镜像的因素有好多个，影响镜像幅值的权重也不一，人工调整很难得到最好的效果，而且时间耗费也很大。

发明内容

本发明的目的是提供一种数字上变频镜像抑制方法，其抑制在数字上变频(DUC)时由于复数调整和正交调制以及模数变化不理想而造成的镜像。

根据本发明的数字上变频镜像抑制方法，包括：步骤1)确定影响镜像频率幅度的各参数；步骤2)为各参数设定调整门限值；步骤3)修改各参数，直至使镜像频率的幅值最小，将这时的各参数值作为最优控制参数；步骤4)将所得到的最优控制参数作为初始化参数写入系统中。

在上述的数字上变频镜像抑制方法中，所述参数包括：复数调制的I、Q通道增益，正交调制的I、Q通道增益，模数转换器DAC的偏移，细调增益，粗调增益。

在上述的数字上变频镜像抑制方法中，在步骤2)与步骤3)之间还包括：步骤2a)，对各参数按照权重的大小进行排序，设置多级参数调整，然后按照顺序调整各参数。

在上述的数字上变频镜像抑制方法中，在所述步骤2a)中，为每一级参数调整所设置的调整门限值逐级降低。

在上述的数字上变频镜像抑制方法中，在所述步骤2)中，还为不同参数设定不同的误差门限；在所述步骤3)中，检查使用该参数后系统的输出误差，当系统的输出误差大于本级误差门限值时则返回重新设定参数，反复进行调整，当调整的系统的输出误差在本级误差门限值之内时，则进入下一级参数的调整。

在上述的数字上变频镜像抑制方法中，在所述步骤2)中，还为系统设定输出门限值；在所述步骤3)中，当调整一部分参数，就能够使镜像频率在输出门限值以内，则不再对剩余部分参数进行调整。

上述方法在调试以及工厂校准阶段使用，获得对应的初始化参数，然后在系统启动时自动加载。

使用本发明的方法可以容易地自动改善镜像频率抑制。在镜像频率抑制后，可以用成本比较低的RLC滤波器进行滤波。由于参数是自动存储在系统的校准数据中，每次系统初始化时自动载入，从而避免系统运行时需要进行镜像抑制。

附图说明

图1给出了复数调制原理框图。

图2给出了正交调制原理框图。

图3给出了一级复数调制和一级正交调制结合原理框图。

图4给出了二级复数调制和一级正交调制结合原理框图。

图5给出了镜像频率(抑制前)实测图；

图6给出了数字中频自动改善抑制上变频镜像原理框图；

图7给出了自动改善抑制上变频镜像的调整节点；

图8给出了改善镜像频率自动抑制软件流程图；

图9给出了镜像频率(抑制后)实测图。

具体实施方式

下面结合附图详细描述本发明，但需要说明的是，所给出的附图及具体实施方式仅用于说明本发明，本发明并不限于此。

首先经过认真的分析和详细的试验，找到影响镜像频率幅度的主要因素。在通信系统中，由于采用数字中频技术，因此复数调制和正交调制分别在数字上变频器和模数转换器(DAC)内部用数控振荡器(NCO)完成，因此其正交性不好和有限字长效应的影响相对较小但也不能忽视；另外，因为天线数较多且PCB板面积有限，DAC布局布线造成影响较大；DAC的配置用的电阻要求精度很高，而实际值与要求值之间的误差造成的影响也较大。

本发明的方法采用自动检测镜像频率的幅值，自动修改数字中频板内部的参数等方法。

图6给出了本发明的方法的原理框图。如图6所示，本发明的方法通过计算机采用LabWindows(或LabView)语言控制信号源和频谱分析仪。计算机产生系统需要的通信测试信号(包括频率，幅值，扩频码，扰码等)，然后下载到信号源中。信号源将通信测试信号发送到数字中频板上，数字中频板的输出接到频谱分析仪中，计算机读取频谱分析仪中预定频点(镜像频率)的幅值，然后按照一定的控制策略，自动修改数字中频板中的参数(包括复数调制的I、Q通道增益，正交调制的I、Q通道增益，DAC的offset，Fine Gain，Coarse Gain等)，形成一个负反馈通道，逐步控制数字中频板的参数使镜像频率的幅值最小。

图7给出了自动改善抑制上变频镜像的调整节点。当取得最优的控制参数后，把这些参数写入数字中频板中的初始化数据中。以后每次系统初始化的时候，系统在进行初始化配置时自动把这些参数读入，并且配置到系统中。由于本通信系统的射频单元有工厂校准环节，因此可以在此环节进行改善镜像频率抑制的计算，使之作为工厂校准的一个步骤，不用再专门进行计算。

由于要调整的参数很多，而且权重不一。本发明的方法按照权重的大小把要控制的参数排序，按照顺序进行控制。首先对影响镜像频率幅值权重较大的参数进行调整，检查与设定的调整门限值的误差，当误差大于门限值时自动返回重新设定参数，反复进行调整，只要调整的输出误差在本级误差门限值之内，就进入下一级参数的修改环路。如果输出误差在最终的要求之内就自动退出，不再进行后面的参数调整，将参数写入系统的初始化数据中。

例如，在本发明中，各调整门限值可以如表1中所示分别设置(但不仅限于这些值，可根据实际系统要求设置)：

表1

门限值	门限值1	门限值2	门限值3	输出门限值
					数值(dB)	8	5	3.5	2

上述门限值1、2、3分别代表对物理量DAC Offset，DAC Coarse Gain以及DAC Fine Gain设定的门限值。

本发明的整个系统(包括计算机，信号源，中频板和频谱分析仪)启动后，启动软件，设定调整的门限值(具体门限值见上面的表1)，然后生成测试数据。把测试数据放入信号源中，在数字中频板的DAC的输出口自动获取镜像频点的幅度值。判断该幅度值是否需要抑制，如需要抑制，则首先调整DAC的偏移(Offset)，当调整Offset获得的镜像抑制达到设定的门限值后，进入调整DAC的粗调增益(Coarse Gain)阶段，以次类推，直到调整结束。

DAC Offset，DAC Coarse Gain以及DAC Fine Gain(细调增益)的调整策略是首先采用试探法，先减小待调整的参数值，读取频谱分析仪镜像频点的幅度值，如果减小，说明待调整参数的设定方向正确，如果幅度值变大，则向反方向调整。正交调制I路增益(Gain)和Q路Gain，以及复数调制的I路Gain和Q路Gain的调整策略是先固定一路Gain(如Q路)，调整另一路的Gain(如I路)，直到输出的镜像幅度最小，然后固定该路Gain，调整对应的一路的Gain，反复多次(建议2次即可)，以达到最好的效果。

图8给出了参数自动调整软件流程图。如图8所示，在步骤S101，设定系统输出门限值和调整门限值，所述调整门限值包括DAC的Offset的调整门限值1、DAC Coarse Gain的调整门限值2、以及DAC Fine Gain的调整门限值3。在步骤S102中，检测中频输出噪底，检测镜像频率输出幅度。在步骤S103，调整DAC的Offset，在步骤S104中，判断调整DAC的Offset而获得的镜像抑制是否小于调整门限值1，当小于调整门限值1时，进入步骤S105，当大于等于调整门限值1时，则返回步骤S103，继续调整DAC的Offset。在步骤S105，判断镜像抑制是否小于输出门限值，当小于输出门限值时，则输出各参数的当前值，当大于等于输出门限值时，则进入步骤S106。在步骤S106中，调整DAC的Coarse Gain。在步骤S107中，判断在调整DAC的Coarse Gain后获得的镜像抑制是否小于调整门限值2，当大于等于调整门限值2时，则返回步骤S106，继续调整DAC的Coarse Gain，当小于调整门限值2时，则进入步骤S108，判断镜像抑制是否小于输出门限值，当小于输出门限值时，则输出各参数的当前值，当大于等于输出门限值时，则进入步骤S109。在步骤S109，调整DAC的Fine Gain。在步骤S110中，用上面所述方法依次调整正交调制I路Gain以及调整正交调制Q路Gain。在步骤S111中，用上面所述方法依次调整复数调制I路Gain以及调整复数调制Q路Gain。然后，在步骤S112中，判断镜像抑制是否小于调整门限值3，当大于等于调整门限值3时，返回到步骤S109，继续进行调整，当小于调整门限值3时，则输出当前各参数。

图9给出了经过本发明方法的镜像抑制后的结果。从图9中可以清楚的看到，在经过本方法之后，系统的镜像已经从图5的-86.456dBm成功地抑制到了图9的-96.047dBm，成功地降低了10dBm，证明了本方法的正确和有效性。

上述内容并非用来限制本发明的具体实施方式，凡根据本方法的主要发明构思而进行的修改和变动或组合，均应属于本发明所要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种数字上变频镜像抑制方法，其特征在于，

步骤1)确定影响镜像频率幅度的各参数；

步骤2)为各参数设定调整门限值；

步骤3)修改各参数，直至使镜像频率的幅值最小，将这时的各参数值作为最优控制参数；

步骤4)将所得到的最优控制参数作为初始化参数写入系统中。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述参数包括：复数调制的I、Q通道增益，正交调制的I、Q通道增益，模数转换器DAC的偏移，细调增益，粗调增益。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤2)与步骤3)之间还包括：

步骤2a)，对各参数按照权重的大小进行排序，设置多级参数调整，然后按照顺序调整各参数。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，

在所述步骤2a)中，为每一级参数调整所设置的调整门限值逐级降低。

5.根据权利要求1-4中之一所述的方法，其特征在于，

在所述步骤2)中，还为不同参数设定不同的误差门限，

在所述步骤3)中，检查使用该参数后系统的输出误差，当系统的输出误差大于本级误差门限值时则返回重新设定参数，反复进行调整，当调整的系统的输出误差在本级误差门限值之内时，则进入下一级参数的调整。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，

在所述步骤2)中，还为系统设定输出门限值；

在所述步骤3)中，当调整一部分参数，就能够使镜像频率在输出门限值以内，则不再对剩余部分参数进行调整。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法在调试以及工厂校准阶段使用，获得对应的初始化参数，然后在系统启动时自动加载。

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