CN112051555B - 一种基于复信号频谱运算的数字iq校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于复信号频谱运算的数字IQ校准方法，包括：通过在雷达收发系统中接收IQ信号合成后的回波复信号，在其频点上加上一组校准参数，来补偿接收机中频率相关性IQ不平衡。校准参数通过信号频域变化得到，过程为：将IQ误差项建模为双边误差和单边误差两部分，利用双边谱和单边谱的特性，对回波信号进行频域处理，通过回波信号全频段及其负频段的线性组合分别计算得到两项误差信号的频谱，由其组成频点相关的校准参数；最后对初始回波信号在频域上进行频点相关校准参数的叠加，完成校准。根据本发明，提供一种有效的频率相关的IQ幅相不平衡校准方法，提高雷达系统整体性能。

Description

一种基于复信号频谱运算的数字IQ校准方法

技术领域

本发明涉及雷达信号收发的技术领域，特别涉及一种基于复信号频谱运算的数字IQ校准方法。

背景技术

随着雷达信号收发技术的发展，信号收发机的性能和结构直接影响整个雷达系统。

超外差接收机作为现在常见的信号接收机，在接收到目标反射的回波，并混频得到中频信号后，将中频信号通过IQ通道实现下变频得到IQ信号。受到IQ两路滤波器、放大器等器件幅频信号不一致的影响以及接收信号之间的时延的影响，两路信号之间出现了幅度和相位误差，而且幅相误差与频率相关。幅相误差导致由两路信号合成的复信号镜频出现误差信号，降低信号信噪比，在最终成像时出现残像，还会导致主频部分失真，在多通道雷达系统中会导致目标图像强度分布不均匀。

现有技术通常是对与频率无关的误差进行校准，且存在校准不准确的情况。

发明内容

针对现有技术中存在的不足之处，本发明的目的是提供一种基于复信号频谱运算的数字IQ校准方法，有效的频率相关的IQ幅相不平衡校准方法，提高雷达系统整体性能。为了实现根据本发明的上述目的和其他优点，提供了一种基于复信号频谱运算的数字IQ校准雷达接收机，包括：

射频模块以及与所述射频模块信号连接的本地模块；

所述射频模块包括射频振荡器、与所述射频振荡器信号连接的第一放大器、与所述第一放大器信号连接的第一倍频器、与所述第一倍频器信号连接的第一滤波器及与所述第一滤波器信号连接的发射天线；

所述本地模块包括本地振荡器、与所述本地振荡器信号连接的第二放大器、与所述第二放大器信号连接的第二倍频器及与所述第二倍频器信号连接的接收天线，所述接收天线与所述第二倍频器之间连接有第一混频器；

所述第二倍频器信号连接有第二混频器，所述第二混频器信号连接有第三放大器，所述第三放大器并联有第三混频器与90°移相器，所述第三混频器信号连接有第四放大器，所述第四放大器信号连接有第一低通滤波器；

所述第一混频器信号连接有第五放大器，所述第五放大器并联于所述90°移相器与所述第三混频器，所述90°移相器信号连接有第四混频器，所述第四混频器信号连接有第六放大器，所述第六放大器信号连接有第二低通滤波器，所述第二低通滤波器与所述第一低通滤波器均信号连接有A/D转换器，所述第一低通滤波器由A/D转换器转出数字信号为Q信号，所述第二低通滤波器由A/D转换器转出数字信号为I信号。

一种基于复信号频谱运算的数字IQ校准方法，其特征在于，包括校准、补偿及所述Q信号与所述I信号合成信号的复信号Z；

所述校准还包括有校准系数，所述校准通过所述复信号Z的频谱上加上校准系数完成校准，且所述校准过程通过算法在数字端完成，所述校准系数是由所述复信号Z频谱及其共轭信号频谱进行运算得到的，且通过所述校准系数补偿雷达接收机中的IQ信号不平衡。

优选的，所述复信号Z频谱及其共轭信号频谱之间的计算到校准系数的方法包括：

S1、接收信号经过IQ解调后合成得到含有误差的正频复信号即第一信号，对第一信号进行FFT处理，得到第一信号频谱；

S2、将第一信号负频谱对称处理得到其负频对称信号，将第一信号的频谱与其负频对称信号频谱相减得到第二信号频谱；

S3、对第一信号、第二信号进行共轭处理，分别得到第三信号、第四信号；

S4、将第一信号正频谱值与第三信号负频谱值对应相加得到第一参数，第二信号正频谱值与第四信号负频谱值对应相加得到第二参数；

S5、第一参数减去第二参数便得到校准系数，用第二信号频谱减去校准系数再进行IFFT便可以得到标准信号。

优选的，所述复信号Z频谱及其共轭信号频谱之间的计算包括以下步骤：

S1、将接收机得到的中频信号通过IQ解调器解调，得到IQ两路信号；

S2、将得到的两路信号通过I+jQ的方式合成为含有误差的复信号Z1_t，其中Z1_t可以建模分解为一个双边频谱误差，一个单边频谱误差以及一个标准复信号，其公式为：

其中n为频点序号，总频点数为N，n＝-N/2，…，N/2-1，并且n的正负与频点的正负相同，A为接收信号幅度，ω为频率，α为幅度误差，θ为信号初始相位，为相位误差，误差项会随频点变化；

S3、将含有误差的复信号在数字端通过FFT运算得到其各频点的频域信号Z1_F[n]；

S4、对Z1_t的共轭信号进行FFT，得到频域信号Z1_F*[-n]，取n＝1，2，，N/2-1时的频点，计算得到第一校准参数SV1＝Z1_F[n]+Z1_F*[-n]，此处Z1_F*[-n]为Z1_F[n]共轭信号的负频谱；

S5、将Z1_F[n]的负频谱进行对称处理，得到频域信号Z2_F[n]，其中Z2_F[n]＝Z2_F[-n]，Z2_F[n]为双边谱误差信号，其公式为：

并用Z1_F[n]-Z2_F[n]得到频域信号Z3_F[n]，去除了双边谱误差信号，

S6、对Z3_F[n]进行共轭处理得到频域信号Z3_F*[-n]，取n＝1，2，，N/2-1时的频点，计算得到第二校准参数SV2＝Z3_F[n]+Z3_F*[-n]；

步骤(7)：由SV3＝SV2-SV1可以得到最终校准系数，此参数用于去除单边谱误差信号，其公式为：

用Z3_F[n]-SV3得到的频域信号Z_F[n]，对其IFFT处理后得到校准后的标准信号Z_t。

优选的，所述步骤4、5及6中，由复信号Z1_F[n]以及其去除双边误差后的信号Z3_F[n]的正频分量，与Z1_F[n]、Z3_F[n]各自共轭信号的负频分量计算后得到校准系数。

本发明与现有技术相比，其有益效果是：该方法通过对接收机得到的IQ两路数据合成后的复信号处理，来获得校准参数，从而补偿中频信号下变频通道中由于信号初相位不同和滤波器等器件引起的频率相关IQ不平衡。校准过程为，接收机下变频后得到的IQ数字信号，通过软件合成得到复信号。由此复信号及其镜频对称信号计算得到另一个复信号。将两个复信号正频点值与其共轭信号负频点值计算得到校准系数。用校准系数，复信号及其镜频对称信号计算可完成校准。此方法将信号误差分解为一个双边对称误差以及一个单边误差，通过校准系数消除误差信号，完成校准，有效地消除接收机器件间的频响误差以及信号路程差导致的IQ不平衡，提高整体成像系统性能。

附图说明

图1为雷达收发机及其下变频的系统结构图；

图2为基于复信号频谱运算的数字IQ校准方法的流程图。

图中：10.射频振荡器；20.第一放大器；30.第一倍频器；40.第一滤波器；50.发射天线；60.本地振荡器；70.第二放大器；80.第二倍频器；90.接收天线；100.第一混频器；110.第二混频器；120.第三放大器；130.第三混频器；140.90°移相器；150.第四混频器；160.第六放大器；170.第二低通滤波器；180.A/D转换器；190.第五放大器；121.第一低通滤波器；123.第四放大器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1-2，一种基于复信号频谱运算的数字IQ校准雷达接收机，包括：射频模块以及与所述射频模块信号连接的本地模块；

所述射频模块包括射频振荡器10、与所述射频振荡器10信号连接的第一放大器20、与所述第一放大器20信号连接的第一倍频器30、与所述第一倍频器30信号连接的第一滤波器40及与所述第一滤波器40信号连接的发射天线50；

所述本地模块包括本地振荡器60、与所述本地振荡器60信号连接的第二放大器70、与所述第二放大器70信号连接的第二倍频器80及与所述第二倍频器80信号连接的接收天线90，所述接收天线90与所述第二倍频器80之间连接有第一混频器100；

所述第二倍频器80信号连接有第二混频器110，所述第二混频器110信号连接有第三放大器120，所述第三放大器120并联有第三混频器130与90°移相器140，所述第三混频器130信号连接有第四放大器123，所述第四放大器123信号连接有第一低通滤波器121；

所述第一混频器100信号连接有第五放大器190，所述第五放大器190并联于所述90°移相器140与所述第三混频器130，所述90°移相器140信号连接有第四混频器150，所述第四混频器150信号连接有第六放大器160，所述第六放大器160信号连接有第二低通滤波器170，所述第二低通滤波器170与所述第一低通滤波器121均信号连接有A/D转换器180，所述第一低通滤波器121由A/D转换器180转出数字信号为Q信号，所述第二低通滤波器170由A/D转换器180转出数字信号为I信号。

如图1所示，所述射频振荡器10产生一个中心频率为f0，带宽为B的线性调频信号，即射频信号，经过所述第一放大器29、所述第一倍频器30以及所述第一低通滤波器121后，经由发射天线50发射出去。

同时所述本地振荡器60产生一个中心频率为f₀+f_IF，带宽为B的线性调频信号，即本振信号，经过所述第二放大器70、所述第二倍频器80后与射频信号混频，得到参考中频信号，参考中频信号频率为f_IF。

本振信号与接收天线90接收的射频反射信号进行混频，得到测试中频信号，测试中频信号频率为f_IF+f_τ。

参考中频信号及其90°移相器140后的信号，分别与测试中频信号混频，得到两路回波信号，回波信号频率为f_τ。

两路信号分别通过所述第二低通滤波器170与所述第一低通滤波器121均信号连接有A/D转换器180，所述第一低通滤波器121由A/D转换器180转出数字信号为Q信号，所述第二低通滤波器170由A/D转换器180转出数字信号为I信号，两路信号间存在的路径损耗，器件损耗不同，导致IQ两路信号幅相不平衡

一种基于复信号频谱运算的数字IQ校准方法，其特征在于，包括校准、补偿及所述Q信号与所述I信号合成信号的复信号Z；

所述校准还包括有校准系数，所述校准通过所述复信号Z的频谱上加上校准系数完成校准，且所述校准过程通过算法在数字端完成，所述校准系数是由所述复信号Z频谱及其共轭信号频谱进行运算得到的，且通过所述校准系数补偿雷达接收机中的IQ信号不平衡。

进一步的，所述复信号Z频谱及其共轭信号频谱之间的计算到校准系数的方法包括：

S1、接收信号经过IQ解调后合成得到含有误差的正频复信号即第一信号，对第一信号进行FFT处理，得到第一信号频谱；

S2、将第一信号负频谱对称处理得到其负频对称信号，将第一信号的频谱与其负频对称信号频谱相减得到第二信号频谱；

S3、对第一信号、第二信号进行共轭处理，分别得到第三信号、第四信号；

S4、将第一信号正频谱值与第三信号负频谱值对应相加得到第一参数，第二信号正频谱值与第四信号负频谱值对应相加得到第二参数；

S5、第一参数减去第二参数便得到校准系数，用第二信号频谱减去校准系数再进行IFFT便可以得到标准信号。

进一步的，所述复信号Z频谱及其共轭信号频谱之间的计算包括以下步骤：

S1、将接收机得到的中频信号通过IQ解调器解调，得到IQ两路信号；

S2、将得到的两路信号通过I+jQ的方式合成为含有误差的复信号Z1_t，其中Z1_t可以建模分解为一个双边频谱误差，一个单边频谱误差以及一个标准复信号，其公式为：

其中n为频点序号，总频点数为N，n＝-N/2，…，N/2-1，并且n的正负与频点的正负相同，A为接收信号幅度，ω为频率，α为幅度误差，θ为信号初始相位，为相位误差，误差项会随频点变化；

S3、将含有误差的复信号在数字端通过FFT运算得到其各频点的频域信号Z1_F[n]；

S4、对Z1_t的共轭信号进行FFT，得到频域信号Z1_F*[-n]，取n＝1，2，，N/2-1时的频点，计算得到第一校准参数SV1＝Z1_F[n]+Z1_F*[-n]，此处Z1_F*[-n]为Z1_F[n]共轭信号的负频谱；

S5、将Z1_F[n]的负频谱进行对称处理，得到频域信号Z2_F[n]，其中Z2_F[n]＝Z2_F[-n]，Z2_F[n]为双边谱误差信号，其公式为：

并用Z1_F[n]-Z2_F[n]得到频域信号Z3_F[n]，去除了双边谱误差信号，

S6、对Z3_F[n]进行共轭处理得到频域信号Z3_F*[-n]，取n＝1，2，，N/2-1时的频点，计算得到第二校准参数SV2＝Z3_F[n]+Z3_F*[-n]；

步骤(7)：由SV3＝SV2-SV1可以得到最终校准系数，此参数用于去除单边谱误差信号，其公式为：

用Z3_F[n]-SV3得到的频域信号Z_F[n]，对其IFFT处理后得到校准后的标准信号Z_t。

进一步的，所述步骤4、5及6中，由复信号Z1_F[n]以及其去除双边误差后的信号Z3_F[n]的正频分量，与Z1_F[n]、Z3_F[n]各自共轭信号的负频分量计算后得到校准系数。

实施例中，设定射频信号为中心频率32.5GHz，带宽5GHz的线性调频信号，本振信号为中心频率32.6GHz，带宽5GHz的线性调频信号，中频信号频率为100MHz，IQ信号的采样率为100MHz,采样点为600。上述校准方法包括以下步骤：

步骤(1)：将经过采样的数字IQ信号读取到MATLAB软件中，校准全程在软件中进行数字信号处理。

步骤(2)：通过I+jQ的方式合成为回波复信号，雷达回波信号为负频信号，为了方便使用校准方式，先对回波信号共轭处理得到正频率信号Z1_t，其中Z1_t可以建模分解为一个双边频谱误差，一个单边频谱误差以及一个标准复信号。

其中n为频点序号，总频点数为N，根据实际系统的参数N＝600,n＝-300，-299，…，299，300，

并且n的正负与频点的正负相同，A为接收信号幅度，ω为频率，α为幅度误差，θ为信号初始相位，为相位误差，误差项会随频点变化。

步骤(3)：将含有误差的复信号Z1_t在数字端通过600点FFT运算得到其各频点的离散频域信号Z1_F[n]。

步骤(4)：对Z1_t的共轭信号进行600点FFT，得到频域信号Z1_F*[-n]，取n＝1，2，…，300时的频点，通过matlab对应矩阵的相加计算得到第一校准参数SV1＝Z1_F[n]+Z1_F*[-n]，其中Z1_F*[-n]为Z1_F[n]共轭信号的负频谱,SV1为与300个正频点对应的复数值；

步骤(5)：通过matlab的矩阵翻转操作，将Z1_F[n]的负频谱进行对称处理，得到频域信号Z2_F[n]，其中Z2_F[n]＝Z2_F[-n]，Z2_F[n]为双边谱误差信号，其公式为：

并用Z1_F[n]-Z2_F[n]得到频域信号Z3_F[n]，去除双边谱误差信号，消除了信号的镜频误差；

步骤(6)：对Z3_F[n]进行共轭处理得到频域信号Z3_F*[-n]，取n＝1，2，，N/2-1时的频点，计算得到第二校准参数SV2＝Z3_F[n]+Z3_F*[-n]；

步骤(7)：由SV3＝SV2-SV1可以得到最终校准系数，用于去除单边谱误差信号，其公式为：

用Z3_F[n]-SV3得到的频域信号Z_F[n]，对其IFFT处理后得到校准后的标准信号Z_t。

本实施例所提供的基于复信号频谱运算的数字IQ校准方法，有效的消除了由回波间路程差，器件间频响误差差异导致的IQ幅相不平衡问题，有效地提高了雷达系统的成像性能。

这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的，对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (3)

1.一种基于复信号频谱运算的数字IQ校准方法，其特征在于，包括：射频模块以及与所述射频模块信号连接的本地模块；

所述射频模块包括射频振荡器、与所述射频振荡器信号连接的第一放大器、与所述第一放大器信号连接的第一倍频器、与所述第一倍频器信号连接的第一滤波器及与所述第一滤波器信号连接的发射天线；

所述本地模块包括本地振荡器、与所述本地振荡器信号连接的第二放大器、与所述第二放大器信号连接的第二倍频器及与所述第二倍频器信号连接的接收天线，所述接收天线与所述第二倍频器之间连接有第一混频器；

所述第二倍频器信号连接有第二混频器，所述第二混频器信号连接有第三放大器，所述第三放大器并联有第三混频器与90^。移相器，所述第三混频器信号连接有第四放大器，所述第四放大器信号连接有第一低通滤波器；

所述第一混频器信号连接有第五放大器，所述第五放大器并联于所述90^。移相器与所述第三混频器，所述90^。移相器信号连接有第四混频器，所述第四混频器信号连接有第六放大器，所述第六放大器信号连接有第二低通滤波器，所述第二低通滤波器与所述第一低通滤波器均信号连接有A/D转换器，所述第一低通滤波器由A/D转换器转出数字信号为Q信号，所述第二低通滤波器由A/D转换器转出数字信号为I信号；

还包括校准、补偿及所述Q信号与所述I信号合成信号的复信号Z；

所述校准还包括有校准系数，所述校准通过所述复信号Z的频谱上加上校准系数完成校准，且所述校准过程通过算法在数字端完成，所述校准系数是由所述复信号Z频谱及其共轭信号频谱进行运算得到的，且通过所述校准系数补偿雷达接收机中的IQ信号不平衡；

所述复信号Z频谱及其共轭信号频谱之间的计算得到校准系数的方法包括：

S1、接收信号经过IQ解调后合成得到含有误差的正频复信号即第一信号，对第一信号进行FFT处理，得到第一信号频谱；

S2、将第一信号负频谱对称处理得到其负频对称信号，将第一信号的频谱与其负频对称信号频谱相减得到第二信号频谱；

S3、对第一信号、第二信号进行共轭处理，分别得到第三信号、第四信号；

S4、将第一信号正频谱值与第三信号负频谱值对应相加得到第一参数，第二信号正频谱值与第四信号负频谱值对应相加得到第二参数；

S5、第一参数减去第二参数便得到校准系数，用第二信号频谱减去校准系数再进行IFFT便可以得到标准信号。

2.如权利要求1所述的一种基于复信号频谱运算的数字IQ校准方法，其特征在于，所述复信号Z频谱及其共轭信号频谱之间的计算包括以下步骤：

S1、将接收机得到的中频信号通过IQ解调器解调，得到IQ两路信号；

S2、将得到的两路信号通过I+jQ的方式合成为含有误差的复信号Z1_t，其中Z1_t可以建模分解为一个双边频谱误差，一个单边频谱误差以及一个标准复信号，其公式为：

，

其中n为频点序号，总频点数为N，n=-N/2，…，N/2-1，并且n的正负与频点的正负相同，A为接收信号幅度，ω为频率，α为幅度误差，θ为信号初始相位，φ为相位误差，误差项会随频点变化；

S3、将含有误差的复信号在数字端通过FFT运算得到其各频点的频域信号Z1_F[n]；

S4、对Z1_t的共轭信号进行FFT，得到频域信号Z1_F*[-n]，取n=1，2，...，N/2-1时的频点，计算得到第一校准参数SV1= Z1_F[n]+ Z1_F*[-n]，此处Z1_F*[-n]为Z1_F[n]共轭信号的负频谱；

S5、将Z1_F[n]的负频谱进行对称处理，得到频域信号Z2_F[n]，其中Z2_F[n]= Z2_F[-n]，Z2_F[n]为双边谱误差信号，其公式为：

，

并用Z1_F[n]- Z2_F[n]得到频域信号Z3_F[n]，去除了双边谱误差信号，

，

S6、对Z3_F[n]进行共轭处理得到频域信号Z3_F*[-n]，取n=1，2，...，N/2-1时的频点，计算得到第二校准参数SV2= Z3_F[n]+ Z3_F*[-n]；

步骤(7)： 由SV3=SV2-SV1可以得到最终校准系数，此参数用于去除单边谱误差信号，其公式为：

，

用Z3_F[n]-SV3得到的频域信号Z_F[n]，对其IFFT处理后得到校准后的标准信号Z_t。

3.如权利要求2所述的一种基于复信号频谱运算的数字IQ校准方法，其特征在于，所述步骤4、5及6中，由复信号Z1_F[n]以及其去除双边误差后的信号Z3_F[n]的正频分量，与Z1_F[n]、Z3_F[n]各自共轭信号的负频分量计算后得到校准系数。