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CN114143159A - 接收机跟踪iq失衡校正方法及装置 - Google Patents

接收机跟踪iq失衡校正方法及装置 Download PDF

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CN114143159A CN202111493392.6A CN202111493392A CN114143159A CN 114143159 A CN114143159 A CN 114143159A CN 202111493392 A CN202111493392 A CN 202111493392A CN 114143159 A CN114143159 A CN 114143159A
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Abstract

本发明公开了接收机跟踪IQ失衡校正方法，包括：利用盲估计方法对IQ失衡参数进行估计，利用得到的IQ失衡参数对接收机进行IQ失衡校正；其中，在进行IQ失衡参数估计时，引入45°、135°、225°或315°的频率无关相位失衡。本发明还公开了接收机跟踪IQ失衡校正装置。本发明相较于其他校正方法，既能保证频谱资源不浪费，又能够以极低的硬件复杂度或者突出的性能。

Description

接收机跟踪IQ失衡校正方法及装置
技术领域
本发明涉及无线移动通信技术领域。更具体地说，本发明涉及接收机跟踪IQ失衡校正方法及装置。
背景技术
随着5G时代的到来，无线通信系统对高速率宽带宽的射频收发器要求越来越高。主流的射频收发器结构有两类：零中频收发器和超外差收发器，零中频收发机由于低功耗、高集成度、结构简单等优点，应用较为广泛。但是零中频收发机会带来比较严重的IQ正交失衡问题。
IQ正交失衡指的是I路和Q的相位差不等于90°、增益不相等，主要是由混频器和基带低通滤波器造成的。IQ正交失衡会严重影响接收机解调信号的质量，因此高效的IQ正交失衡校正算法是迫切需求的。IQ正交失衡根据性质可以分为频率相关失衡和频率无关失衡，在5G宽带宽的情况下，频率相关失衡比较严重。目前已经有许多IQ失衡校正的方法，但是大部分的研究都是聚焦于离线校正算法。而对于跟踪校正算法的研究则多数引入了辅助信号，这对于射频资源是一种浪费。而其他的一些技术，则复杂度较高。因此，亟需设计一种能够一定程度克服上述缺陷的技术方案。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种接收机跟踪IQ失衡校正方法及装置，相较于其他校正方法，本发明既能保证频谱资源不浪费，又能够以极低的硬件复杂度或者突出的性能。
为了实现本发明的这些目的和其它优点，根据本发明的一个方面，本发明提供了接收机跟踪IQ失衡校正方法，包括：利用盲估计方法对IQ失衡参数进行估计，利用得到的IQ失衡参数对接收机进行IQ失衡校正；其中，在进行IQ失衡参数估计时，引入45°、135°、225°或315°的频率无关相位失衡。
进一步地，引入45°、135°、225°或315°的频率无关相位失衡的方法包括：将I路信号和Q路信号相应倍数的增益后引入设置在Q路上的加法器。
进一步地，IQ失衡参数包括频率相关失衡参数和频率无关失衡参数，利用频率相关失衡参数和频率无关失衡参数分别进行频率相关失衡校正和频率无关失衡校正。
进一步地，利用补偿滤波器进行频率相关失衡校正，利用相位旋转结构进行频率无关失衡校正。
进一步地，引入45°的频率无关相位失衡，失衡参数包括A(f)、θ(f)和φ′，根据A(f)和θ(f)设计补偿滤波器，对频率相关失衡进行校正，根据φ′设计相位旋转结构进行频率无关失衡校正；
Figure BDA0003399258560000021
Figure BDA0003399258560000022
Figure BDA0003399258560000023
其中，σ2(f)＝σ2(-f)；A(f)为低通滤波器失衡的频域幅度特性；θ(f)为低通滤波器失衡的频域相位特性；φ为混频器失衡相位；φ′为旋转后混频器失衡相位；Y(f)为接收机解调后基带信号频域信号；σ2(f)为发射端基带信号的频域二阶矩；E为期望；Im为取虚部。
根据本发明的另一个方面，提供了接收机跟踪IQ失衡校正装置，包括：
失衡引入结构，用于引入45°、135°、225°或315°的频率无关相位失衡；
IQ失衡参数估计模块，利用盲估计方法用于对IQ失衡参数进行估计；
IQ失衡校正结构，用于利用得到的IQ失衡参数对接收机进行IQ失衡校正。
进一步地，失衡引入结构包括：
增益器，用于对I路信号和Q路信号进行相应倍数的增益；
加法器，其设置在Q路上，用于对增益后的I路信号和Q路信号执行加法运算。
进一步地，IQ失衡参数包括频率相关失衡参数和频率无关失衡参数，利用频率相关失衡参数和频率无关失衡参数分别进行频率相关失衡校正和频率无关失衡校正，利用补偿滤波器进行频率相关失衡校正，利用相位旋转结构进行频率无关失衡校正。
进一步地，引入45°的频率无关相位失衡，失衡参数包括A(f)、θ(f)和φ′，根据A(f)和θ(f)设计补偿滤波器，对频率相关失衡进行校正，根据φ′设计相位旋转结构进行频率无关失衡校正；
Figure BDA0003399258560000031
Figure BDA0003399258560000032
Figure BDA0003399258560000033
其中，σ2(f)＝σ2(-f)；A(f)为低通滤波器失衡的频域幅度特性；θ(f)为低通滤波器失衡的频域相位特性；φ为混频器失衡相位；φ′为旋转后混频器失衡相位；Y(f)为接收机解调后基带信号频域信号；σ2(f)为发射端基带信号的频域二阶矩；E为期望；Im为取虚部。
根据本发明的又一个方面，提供了接收机，包括所述的接收机跟踪IQ失衡校正装置。
本发明至少包括以下有益效果：
本发明在利用信号二阶特性时，通过对接收机结构的调整，使得参数求解获得极大的优化，并获得闭式解的结果，硬件实现复杂度非常低；常见的二阶特性求解方法并不能直接获得闭式解，一般而言，通常需要较高的复杂度进行求解，而本发明通过调整结构使得求解过程中可以利用近似条件，从而以复杂度极低的闭式解方式获得性能突出的校正方案。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1是本发明所述的宽带零中频射频接收机盲估计跟踪IQ失衡校正方法的工作流程图；
图2是常见的零中频射频接收机结构流程图；
图3是本发明实施例中，经过改进后的零中频射频接收机结构流程图；
图4是本发明实施例中，用来补偿失衡参数的结构流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
本申请的实施例提供了接收机跟踪IQ失衡校正方法，包括：利用盲估计方法对IQ失衡参数进行估计，利用得到的IQ失衡参数对接收机进行IQ失衡校正；其中，在进行IQ失衡参数估计时，引入45°、135°、225°或315°的频率无关相位失衡。
本实施例提出了一种宽带零中频接收机的低硬件复杂度盲估计跟踪IQ失衡校正方法。与离线IQ校正方法相比，跟踪IQ失衡校正方法可以在射频收发机的失衡特性改变时及时对失衡参数进行更新，保证芯片在运行过程中，不会因为温度等因素使得失衡参数变化，从而出现性能急剧下降的情况。
在具体的校正过程中，首先进行的是参数估计过程，利用接收机接收到的信号进行解调，接收机接收到射频信号之后，会经过混频器进行解调分别得到I路信号和Q路信号，然后两路信号分别经过低通滤波器得到基带信号，通过统计接收机基带信号的频域二阶统计特性，可以计算出失衡参数。接收机基带信号的统计特性能求出失衡参数，是因为IQ正交失衡改变了其本身的统计特性，通过观测到的结果，可以反推出失衡参数。为了能够更方便地由观测结果求解出失衡参数，本发明对接收机的结构也做了一定的改变。本实施例考虑在通用射频收发机结构下，用所提出的跟踪IQ失衡校正方法进行校正。校正方法是在接收端进行校正补偿，并将频率相关失衡和频率无关失衡分别校正。常规的接收机的结构如图2所示，信号分为I、Q两路，经过混频器和低通滤波器之后，信号被解调到基带，这个过程可以被描述为：
Figure BDA0003399258560000041
sLO(t)＝cos(ωct)-jγsin(ωct+φ)，
y(t)＝LPF{r(t)sLO(t)}＝yI(t)+jyQ(t).
其中，r(t)表示接收机端接收到的射频信号，ωc表示射频中心频率，z(t)代表发送端基带信号，γ和φ分别代表混频器幅度失衡和相位失衡，y(t)为接收机解调后的基带信号，sLO(t)为混频器两路信号的复数形式，LPF表示低通滤波器。经过推导可以得到下面结果：
Figure BDA0003399258560000051
Figure BDA0003399258560000052
Y(f)＝G1(f)Z(f)+G2(f)Z*(-f)
其中
Figure BDA0003399258560000053
Figure BDA0003399258560000054
上面推导结果都是频域表达式，HI(f)和HQ(f)表示的是I路和Q路的低通滤波器的频域响应。为了方便计算，定义一个新的变量：
Figure BDA0003399258560000055
本实施例采用的方法是利用信号二阶统计特性进行计算，经过实际测量可知信号具有以下的统计特性，σ2(f)表示随频率变化的一个变量：
Figure BDA0003399258560000056
E{Z(f)Z*(f-fo)}＝σ2(f)δ(fo)
由上面分析可知，失衡特性由HI(f)、γ和φ带来，令
A(f)ejθ(f)＝γHD(f)
则参数求解过程只需要求出A(f)、θ(f)和φ。由接收端基带信号可以得到以下表达式：
E{|Y(f)+Y*(-f)|2}＝σ2(f)+σ2(-f)
Figure BDA0003399258560000057
E{|Y(f)|2-|Y*(-f)|2}＝A(f)σ2(f)cos(θ(f)-φ)-A(-f)σ2(-f)cos(θ(f)+φ)
通过上述表达式并不能直接求解出各个参数。本实施例通过对接收机进行结构调整，在混频器的相位失衡基础上进一步增加相位偏差，降低上述表达式的的求解难度。例如采用图3结构，相比于图2，图3加入了一个相位旋转结构，在混频器的相位失衡基础上进一步增加45°的相位偏差。
本实施例在进行参数估计时，采用的是盲估计的方法，并不借助任何的辅助信号或者训练序列，在接收机正常运行时可以通过接收到的信号直接求出失衡参数，这样做的好处在于不用浪费射频资源用于参数估计，在能校正正交失衡的同时收发机的频谱利用率也很高。
在另一些实施例中，引入45°、135°、225°或315°的频率无关相位失衡的方法包括：将I路信号和Q路信号相应倍数的增益后引入设置在Q路上加法器，图3示出了引入45°的相位偏差的结构，即将Q路信号放大根号2倍，再减去I路信号，从而实现相位旋转，135°、225°或315°的相位偏差结构类似。
在另一些实施例中，IQ失衡参数包括频率相关失衡参数和频率无关失衡参数，利用频率相关失衡参数和频率无关失衡参数分别进行频率相关失衡校正和频率无关失衡校正。本实施例采用的是频率相关失衡和频率无关失衡分别补偿，这种方式的好处在于对于宽带宽信号的频率相关失衡，可以通过数字滤波器的方式，在整个频谱的范围内都进行较好的补偿，复杂度低，且性能较好。
在另一些实施例中，利用补偿滤波器进行频率相关失衡校正，利用相位旋转结构进行频率无关失衡校正，根据求出A(f)、θ(f)和φ进行频率相关失衡校正和频率无关失衡校正。参数估计之后是校正结构，校正的结构是将频率相关失衡和频率无关失衡分开校正。频域相关失衡是采用数字滤波器进行校正，这部分失衡主要是由I路和Q路低通滤波器幅度和相位不一致导致的，由补偿滤波器进行频率相关校正可以在整个频谱取得较好的性能。频域无关失衡则主要是由混频器带来的相位误差，这部分误差在频谱各个频点上都是相等的，所以只需要通过一个相位旋转结构就能够进行较好的补偿。
在另一些实施例中，引入45°的频率无关相位失衡，使得σ2(f)＝σ2(-f)近似成立；
E{|Y(f)+Y*(-f)|2}＝σ2(f)+σ2(-f)
Figure BDA0003399258560000061
E{|Y(f)|2-|Y*(-f)|2}＝A(f)σ2(f)cos(θ(f)-φ)-A(-f)σ2(-f)cos(θ(f)+φ)
求解上式可得失衡参数A(f)、θ(f)和φ′，根据A(f)和θ(f)设计补偿滤波器，对频率相关失衡进行校正，根据φ′设计相位旋转结构进行频率无关失衡校正；例如，图4为一种可行的校正方式，comp_filter即为根据A(f)和θ(f)设计的补偿滤波器，增益器、加法器组成的结构即为相位旋转结构，z-tD为延时器，用于延时对齐，整个校正过程中，不存在矩阵的运算，只涉及到求期望的平均操作，与其他方法相比，极大地降低了复杂度。
Figure BDA0003399258560000071
Figure BDA0003399258560000072
Figure BDA0003399258560000073
其中，σ2(f)＝σ2(-f)；A(f)为低通滤波器失衡的频域幅度特性；θ(f)为低通滤波器失衡的频域相位特性；φ为混频器失衡相位；φ′为旋转后混频器失衡相位；Y(f)为接收机解调后基带信号频域信号；σ2(f)为发射端基带信号的频域二阶矩；E为期望；Im为取虚部。
本申请的实施例提供了接收机跟踪IQ失衡校正装置，包括：失衡引入结构，用于引入45°、135°、225°或315°的频率无关相位失衡；IQ失衡参数估计模块，利用盲估计方法用于对IQ失衡参数进行估计；IQ失衡校正结构，用于利用得到的IQ失衡参数对接收机进行IQ失衡校正。具体参见方法部分的描述。
在另一些实施例中，失衡引入结构包括：增益器，用于对I路信号和Q路信号进行相应倍数的增益；加法器，其设置在Q路上，用于对增益后的I路信号和Q路信号执行加法运算。例如，图3示出了引入45°的相位偏差的失衡引入结构，即将Q路信号放大根号2倍，再减去I路信号，从而实现相位旋转，135°、225°或315°的失衡引入结构类似。
在另一些实施例中，参见方法部分描述，IQ失衡参数包括频率相关失衡参数和频率无关失衡参数，利用频率相关失衡参数和频率无关失衡参数分别进行频率相关失衡校正和频率无关失衡校正，利用补偿滤波器进行频率相关失衡校正，利用相位旋转结构进行频率无关失衡校正。
在另一些实施例中，参见方法部分描述，引入45°的频率无关相位失衡，当存在45°的相位偏差，可以使得σ2(f)＝σ2(-f)这个条件成立，在求解参数时极大地降低了复杂度；失衡参数包括A(f)、θ(f)和φ′，根据A(f)和θ(f)设计补偿滤波器，对频率相关失衡进行校正，根据φ′设计相位旋转结构进行频率无关失衡校正；
Figure BDA0003399258560000081
Figure BDA0003399258560000082
Figure BDA0003399258560000083
其中，σ2(f)＝σ2(-f)；A(f)为低通滤波器失衡的频域幅度特性；θ(f)为低通滤波器失衡的频域相位特性；φ为混频器失衡相位；φ′为旋转后混频器失衡相位；Y(f)为接收机解调后基带信号频域信号；σ2(f)为发射端基带信号的频域二阶矩；E为期望；Im为取虚部。
本申请的实施例提供了接收机，包括所述的接收机跟踪IQ失衡校正装置，该接收机利用校正装置进行校正。
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。对本发明接收机跟踪IQ失衡校正方法及装置的应用、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 (10)

1.接收机跟踪IQ失衡校正方法，其特征在于，包括：
利用盲估计方法对IQ失衡参数进行估计，利用得到的IQ失衡参数对接收机进行IQ失衡校正；
其中，在进行IQ失衡参数估计时，引入45°、135°、225°或315°的频率无关相位失衡。
2.如权利要求1所述的接收机跟踪IQ失衡校正方法，其特征在于，引入45°、135°、225°或315°的频率无关相位失衡的方法包括：
将I路信号和Q路信号相应倍数的增益后引入设置在Q路上的加法器。
3.如权利要求1所述的接收机跟踪IQ失衡校正方法，其特征在于，IQ失衡参数包括频率相关失衡参数和频率无关失衡参数，利用频率相关失衡参数和频率无关失衡参数分别进行频率相关失衡校正和频率无关失衡校正。
4.如权利要求3所述的接收机跟踪IQ失衡校正方法，其特征在于，利用补偿滤波器进行频率相关失衡校正，利用相位旋转结构进行频率无关失衡校正。
5.如权利要求4所述的接收机跟踪IQ失衡校正方法，其特征在于，引入45°的频率无关相位失衡，失衡参数包括A(f)、θ(f)和φ′，根据A(f)和θ(f)设计补偿滤波器，对频率相关失衡进行校正，根据φ′设计相位旋转结构进行频率无关失衡校正；
Figure FDA0003399258550000011
Figure FDA0003399258550000012
Figure FDA0003399258550000013
其中，σ2(f)＝σ2(-f)；
A(f)为低通滤波器失衡的频域幅度特性；
θ(f)为低通滤波器失衡的频域相位特性
φ为混频器失衡相位；
φ′为旋转后混频器失衡相位；
Y(f)为接收机解调后基带信号频域信号；
σ2(f)为发射端基带信号的频域二阶矩；
E为期望；
Im为取虚部。
6.接收机跟踪IQ失衡校正装置，其特征在于，包括：
失衡引入结构，用于引入45°、135°、225°或315°的频率无关相位失衡；
IQ失衡参数估计模块，利用盲估计方法用于对IQ失衡参数进行估计；
IQ失衡校正结构，用于利用得到的IQ失衡参数对接收机进行IQ失衡校正。
7.如权利要求6所述的接收机跟踪IQ失衡校正装置，其特征在于，失衡引入结构包括：
增益器，用于对I路信号和Q路信号进行相应倍数的增益；
加法器，其设置在Q路上，用于对增益后的I路信号和Q路信号执行加法运算。
8.如权利要求6所述的接收机跟踪IQ失衡校正方装置，其特征在于，IQ失衡参数包括频率相关失衡参数和频率无关失衡参数，利用频率相关失衡参数和频率无关失衡参数分别进行频率相关失衡校正和频率无关失衡校正，利用补偿滤波器进行频率相关失衡校正，利用相位旋转结构进行频率无关失衡校正。
9.如权利要求8所述的接收机跟踪IQ失衡校正装置，其特征在于，引入45°的频率无关相位失衡，失衡参数包括A(f)、θ(f)和φ′，根据A(f)和θ(f)设计补偿滤波器，对频率相关失衡进行校正，根据φ′设计相位旋转结构进行频率无关失衡校正；
Figure FDA0003399258550000021
Figure FDA0003399258550000022
Figure FDA0003399258550000031
其中，σ2(f)＝σ2(-f)；
A(f)为低通滤波器失衡的频域幅度特性；
θ(f)为低通滤波器失衡的频域相位特性
φ为混频器失衡相位；
φ′为旋转后混频器失衡相位；
Y(f)为接收机解调后基带信号频域信号；
σ2(f)为发射端基带信号的频域二阶矩；
E为期望；
Im为取虚部。
10.接收机，其特征在于，包括权利要求6～9任一所述的接收机跟踪IQ失衡校正装置。
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