CN101815056B - 无线通信接收机中基带信号的iq不平衡校准方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无线通信接收机中基带信号的IQ不平衡校准方法及设备。该方法包括：所述接收机接收射频信号，通过信号处理生成同相分量I路信号与正交分量Q路信号；通过计算获取I路信号的自相关值E(|I|²)、当前Q路信号的自相关值E(|Q|²)及I路信号与Q路信号的互相关值E(IQ)；对所述E(|I|²)、E(|Q|²)和E(IQ)进行四则运算，计算得到本次幅度不平衡校准因子的估计值

和本次相位不平衡校准因子的估计值

根据所述

和

对当前Q路信号进行校准。本发明实施例可以降低运算量。

Description

无线通信接收机中基带信号的IQ不平衡校准方法及设备

技术领域

本发明涉及信号处理技术，尤其涉及一种无线通信接收机中基带信号的IQ不平衡校准方法及设备。

背景技术

在实际射频(Radio Frequency，RF)中，同相分量正交分量(In-phaseQuadrate，IQ)两路的相位是不可能完全正交的，IQ增益也不可能完全一致，这称为IQ不平衡，IQ不平衡会恶化误差向量幅度(Error VectorMagnitude，EVM)。假设幅度不平衡增益为g，相位不平衡因子为θ，则RF IQ不平衡的理论数学模型为：

$\left[\begin{array}{c}{u}_I\left(k\right)\\ u_Q\left(k\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ -g\×\sin \left(\mathrm{\θ}\right)& g\×\cos \left(\mathrm{\θ}\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{s}_I\left(k\right)\\ s_Q\left(k\right)\end{array}\right]$

其中，s_I(k)、s_Q(k)分别为基带信号的I路信号、Q路信号，u_I(k)、u_Q(k)分别为畸变后的I路信号、Q路信号。

现有技术对接收的I路信号和Q路信号进行校准的方法大致如下：

1、计算 $g=\sqrt{2<I\left(t\right)I\left(t\right)>}$

2、计算 $\sin \left(\mathrm{\&theta;}\right)=\frac{2}{g}<I\left(t\right)Q\left(t\right)>$

3、计算 $\cos \left(\mathrm{\&theta;}\right)=\sqrt{1-{\sin }^2\left(\mathrm{\&theta;}\right)}$

$A=\frac{1}{g}$

4、计算 $C=-\frac{\sin \left(\mathrm{\&theta;}\right)}{g\cos \left(\mathrm{\&theta;}\right)}$

$D=\frac{1}{\cos \left(\mathrm{\&theta;}\right)}$

5、对IQ不平衡进行补偿，方法如下：

$\left[\begin{array}{c}{I}^{\&prime;}\left(t\right)\\ Q^{\&prime;}\left(t\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}A& 0\\ C& D\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}I\left(t\right)\\ Q\left(t\right)\end{array}\right]$

其中，I(t)，Q(t)分别是接收到的校准前的I路信号和Q路信号，I′(t)，Q′(t)分别为校准后的I路信号和Q路信号。

在实现本发明过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：从上述计算方案可知，现有技术采用硬件或软件实现基带信号中IQ信号的校准，在处理相关信号时涉及开方运算及计算三角函数，需要设备或软件执行的运算量较大，增加了设备或软件的实现复杂度。

发明内容

本发明实施例是提供一种无线通信接收机中基带信号的IQ不平衡校准方法及设备，用以在校准IQ不平衡时能够降低运算复杂度。

本发明实施例提供了一种无线通信接收机中基带信号的IQ不平衡校准方法，包括：

所述接收机接收射频信号，通过信号处理生成同相分量I路信号与正交分量Q路信号；

通过计算获取I路信号的自相关值E(|I|²)、当前Q路信号的自相关值E(|Q|²)及I路信号与当前Q路信号的互相关值E(IQ)；

对所述E(|I|²)、E(|Q|²)和E(IQ)进行如下处理，得到本次幅度不平衡校准因子的估计值

和本次相位不平衡校准因子的估计值

$\hat{A}=\frac{E\left({\left|I\right|}^{\text{2}}\right)-E\left({\left|Q\right|}^2\right)}{2\&times;E\left({\left|Q\right|}^2\right)};$ $\hat{P}=-\frac{(1+A)\&times;E\left(\mathrm{IQ}\right)}{E\left({\left|I\right|}^2\right)};$

根据所述

和

对当前Q路信号进行校准。

本发明实施例提供了一种无线通信接收机中基带信号的IQ不平衡校准设备，包括：

计算单元，用于从前级处理电路获取同相分量I路信号与正交分量Q路信号，通过计算获取I路信号的自相关值E(|I|²)、当前Q路信号的自相关值E(|Q|²)及I路信号与当前Q路信号的互相关值E(IQ)；

估计单元，用于对所述E(|I|²)、E(|Q|²)和E(IQ)进行如下处理，得到本次幅度不平衡校准因子的估计值和本次相位不平衡校准因子的估计值

$\hat{A}=\frac{E\left({\left|I\right|}^{\text{2}}\right)-E\left({\left|Q\right|}^2\right)}{2\&times;E\left({\left|Q\right|}^2\right)};$ $\hat{P}=-\frac{(1+A)\&times;E\left(\mathrm{IQ}\right)}{E\left({\left|I\right|}^2\right)};$

第一校准单元，用于根据所述

和

对当前Q路信号进行校准。

由上述技术方案可知，本发明实施例的IQ不平衡校准方法及设备可对基带信号中的I路和Q路信号进行校准，提高2路信号间的正交性，并且实现简单，可降低相关软硬件设备或***的实现复杂度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明第一实施例的IQ不平衡校准方法流程示意图；

图2为本发明第一实施例的信号接收与处理***结构示意图；

图3为本发明第二实施例的IQ不平衡校准方法流程示意图；

图4为本发明第二实施例对应的结构一的示意图；

图5为本发明第二实施例对应的结构二的示意图；

图6为本发明第三实施例的IQ不平衡校准设备结构示意图；

图7为本发明第四实施例的IQ不平衡校准设备结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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作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。

图1为本发明第一实施例的IQ不平衡校准方法流程示意图，包括：

步骤11：通过计算获取I路信号的自相关值E(|I|²)、当前Q路信号的自相关值E(|Q|²)及I路信号与当前Q路信号的互相关值E(IQ)。

步骤12：对该E(|I|²)、E(|Q|²)和E(IQ)进行如下处理，得到本次幅度不平衡校准因子的估计值

和本次相位不平衡校准因子的估计值

$\hat{A}=\frac{E\left({\left|I\right|}^{\text{2}}\right)-E\left({\left|Q\right|}^2\right)}{2\&times;E\left({\left|Q\right|}^2\right)};$ $\hat{P}=-\frac{(1+A)\&times;E\left(\mathrm{IQ}\right)}{E\left({\left|I\right|}^2\right)}.$

步骤13：根据该

和

对当前Q路信号进行校准。

校准公式可以如下：

其中，Q_n为当前校准前的Q路信号、I为I路信号、Q_c ⁿ为当前校准后的Q路信号。

本实施例提供的方法可对射频基带信号中的I路和Q路信号进行校准，提高2路信号间的正交性，并且实现简单，可降低相关软硬件设备或***的实现复杂度。本实施例校准后生成的2路信号有较好的正交性，可输出所述2路信号至无线接收机中的特定基带算法模块，以便对经过校准后生成的正交信号进行进一步的处理。

所述方案技术可应用于在无线通信领域的射频接收机中，所述接收机首先接收来自信号发送端的射频信号，并对接收到的信号进行射频和模拟模拟信号处理，得到I路信号和Q路信号，并采用所述IQ不平衡校准方法对2路信号进行IQ不平衡校准，并输出校准后的信号。所述接收机可通过软件或硬件的形式实现，例如，所述信号处理的硬件实现可以是：通过数字逻辑电路实现相关对IQ2路信号的运算处理以生成校准后的信号，所述数字逻辑电路可集成于一基带信号处理芯片中。

图2为本发明第一实施例的信号接收与处理***结构示意图，参见图2，包括本发明实施例的IQ不平衡校准设备23及现有的用于接收射频信号及进行模数处理的射频及模拟基带(Analog BaseBand，ABB)信号处理(RF+ABB)模块21、用于直流校准的直流校准模块22(当RF+ABB模块具有直流校准功能时，也可以不另外包含该直流校准模块)和用于进行数字基带信号处理的数字基带其他算法模块24。后续实施例将对IQ不平衡校准设备进行详细的介绍。图2所示的处理***是一种无线通信领域的接收机中常见的处理***，本领域技术人员能够得知，接收机的中对于信号的处理可能存在其它实现手段，本实施例对此不进行限定。

上述给出了校准计算方法，为了更好地理解本发明实施例，下面将给出上述校准方法的推导过程。

不同于现有采用三角函数进行畸变的I路信号及Q路信号，本发明实施例提供如下畸变模型：

I＝I₀；

Q＝Q₀+(aQ₀+pI₀)；

其中，I，Q分别为畸变后的I路信号和Q路信号，I₀，Q₀分别是畸变前的I路信号和Q路信号，a是幅度不平衡因子，p是相位不平衡因子。对于常规的通信信号，这种不平衡将造成I/Q路信号幅值差异，并产生互相关。

类似于上述的畸变模型，为了从畸变后的信号得到正确的畸变前的信号，本发明实施例同时提供如下的校准模型，以使校准后的信号I_c、Q_c分别尽量接近于畸变前的信号I₀，Q₀：

I_c＝I；

Q_c＝Q+(AQ+PI)；

其中，I_c是校准后的I路信号，Q_c是校准后的Q路信号，I是接收到的校准前的I路信号，Q是接收到的校准前的Q路信号，A为幅度不平衡校准因子，P为相位不平衡校准因子。

假设接收的I、Q路信号为具有加性噪声，调制方式未知的随机过程的信号，根据I_c和Q_c的信号特征，我们可以得到上述校准公式中的不平衡校准因子A和P，具体得到A和P过程如下：

***满足如下条件：E(|I_c|²)＝E(|Q_c|²)

E(I_cQ_c)＝0

其中，E(|I_c|²)为I路信号的功率统计均值，即I路信号的自相关值，E(|Q_c|²)为Q路信号的功率统计均值，即Q路信号的自相关值，E(I_cQ_c)为I路Q路的互相关值，即I路Q路点乘相加。

根据校准模型及I_c和Q_c的信号特征可以得到：

E(|I|²)＝E(|(1+A)Q+PI|²)＝(1+A)²E(|Q|²)+2P(1+A)E(IQ)+P²E(|I|²)

(1+2A+A²)E(|Q|²)＝(1-P²)E(|I|²)一2P(1+A)E(IQ)

由于不平衡因子通常很小，即有A²＜＜1，P²＜＜1，并且E(|I|²)＞＞P·E(IQ)，因此，有以下近似：

(1+2A)E(|Q|²)≈E(|I|²)

$A\&ap;\frac{E({\left|I\right|}^2-E\left({\left|Q\right|}^2\right))}{2E\left({\left|Q\right|}^2\right)};$

根据I_c和Q_c的信号特征也可以得到：

E(I(Q+AQ+PI))＝0

(1+A)E(IQ)+P·E(|I|²)＝0

$P=-\frac{(1+A)E\left(\mathrm{IQ}\right)}{E\left({\left|I\right|}^2\right)}.$

在得到A、P后便可以对接收的信号进行校准，即得到第一实施例的校准流程。其中，从上述校准公式可以看出，I路信号不存在畸变，因此，本发明实施例将针对Q路信号的校准进行描述，可以直接将接收的I路信号作为校准后的I路信号。

由于在计算A、P时忽略了二阶不平衡，为了提高精度，可以采用迭代的方式计算不平衡校准因子。具体如下：

图3为本发明第二实施例的IQ不平衡校准方法流程示意图，图4为本发明第二实施例对应的流程结构一的示意图，图5为本发明第二实施例对应的流程结构二的示意图。参见图4，包括IQ不平衡校准过程41和IQ不平衡因子估计过程42，采用迭代的方式，对接收的I路信号和Q路信号进行校准补偿。其中，输入的数据流为校准前的I路信号I和Q路信号Q，输入的参数为计算得到的不平衡校准因子A和P，输出的数据流为校准后的I路信号Ic和Q路信号Qc，其中，Ic和Qc可以用于计算A和P。具体的计算A和P的过程可以参见图5，图5是对图4的进一步具体化，包括IQ不平衡校准过程51、IQ不平衡因子估计过程52，还包括延时处理过程53，延时处理过程53可以将当前得到的不平衡校准因子A和P延时输出给下一子帧，以便计算下一子帧对应的不平衡校准因子。图5可以延时一个子帧，也可以延时N个子帧后进行一次校准补偿。采用迭代方案进行不平衡校准，可使得每一次的计算精度要求降低。

参见图3，本实施例包括：

步骤31：计算I路信号的自相关值E(|I|²)、当前Q路信号的自相关值E(|Q|²)及I路信号与当前Q路信号的互相关值E(IQ)；

步骤32：对该E(|I|²)、E(|Q|²)和E(IQ)进行运算，得到本次幅度不平衡校准因子的估计值

和本次相位不平衡校准因子的估计值

步骤31-32的具体内容可以参见步骤11-12。

步骤33：采用迭代的方法，根据该和

及上次幅度不平衡校准因子A_n-1和上次相位不平衡校准因子P_n-1，计算得到本次幅度不平衡校准因子A_n和本次相位不平衡校准因子P_n；

具体的计算公式可以如下：

$A_n=A_{n-1}+\mathrm{weight}\&times;{\hat{A}}_n;$

$P_n=P_{n-1}+\mathrm{weight}\&times;{\hat{P}}_n;$

其中，weight是加权系数，A_n-1和P_n-1的初始值为0。该加权系数weight与校准残留成正比，校准残留是指校准后得到的信号值与畸变前的信号值之间的差值，即校准值与真实值之间的差值。当校准残留比较大时采用大的加权系数值，当校准残留小时采用小的加权系数值。由于初始时校准残留会比较大，因此可以在初始时采用大的加权系数值。例如，前10次采用0.25，10次之后采用0.05。

步骤34：采用该A_n和P_n，对下次校准前的Q路信号进行校准。例如，可以首先根据上述的估计值

和

计算得到本次幅度不平衡校准因子A_n和本次不平衡校准因子P_n，之后，再采用A_n和P_n对接收的信号进行补偿。其中校准公式为：

其中，Q_n+1为下次校准前的Q路信号、I为I路信号、Q_c ⁿ⁺¹为下次校准后的Q路信号。

本实施例并的信号处理过程可简化软件或硬件实现，不涉及开方及三角函数的运算，简化无线通信接收机的结构。本实施例还通过对不平衡校准因子进行迭代计算得到进一步校准后的信号，可以提高校准精度，并且使残留的IQ不平衡不影响解调性能。

图6为本发明第三实施例的IQ不平衡校准设备的结构示意图，包括计算单元61、估计单元62和第一校准单元63；计算单元61用于从前级处理电路获取同相分量I路信号与正交分量Q路信号，通过计算获取I路信号的自相关值E(|I|²)、当前Q路信号的自相关值E(|Q|²)及I路信号与当前Q路信号的互相关值E(IQ)；估计单元62用于对所述E(|I|²)、E(|Q|²)和E(IQ)进行如下处理，得到本次幅度不平衡校准因子的估计值

和本次相位不平衡校准因子的估计值

第一校准单元63用于根据所述

和

对当前Q路信号进行校准。

其中，第一校准单元可以被配置为：采用如下公式

对当前Q路信号进行校准，得到校准后的Q路信号，其中，Q_n为当前校准前的Q路信号、I为I路信号、Q_c ⁿ为当前校准后的Q路信号。

上述单元的具体功能可以参见方法实施例，不再赘述。

所述IQ不平衡校准设备可以具体通过集成电路(IC，Integrated Circuit)实现，通过集成于基带信号处理芯片中的数字逻辑电路进行逻辑运算以实现2路信号的校准，提高正交性，相应设备由于采用的信号处理方法简单，不需要开方及三角函数的运算，降低了基带处理芯片的设计难度。

图7为本发明第四实施例的IQ不平衡校准设备结构示意图，包括计算单元71、估计单元72和第一校准单元73及补偿单元74和第二校准单元75，其中，计算单元71、估计单元72和第一校准单元73的具体功能可以参见第三实施例。补偿单元74用于利用本次校准之前的至少一次校准所产生的幅度不平衡校准因子和相位不平衡校准因子对所述

和

进行修正，得到本次幅度不平衡校准因子A_n和本次相位不平衡校准因子P_n；第二校准单元75用于采用所述A_n和P_n，对下次校准前的Q路信号进行校准，得到下次校准后的Q路信号

其中，Q_n+1为下次校准前的Q路信号、I为I路信号、Q_c ⁿ⁺¹为下次校准后的Q路信号。

其中，该补偿单元74被配置为：采用如下公式进行迭代计算得到所述A_n和P_n：

$A_n=A_{n-1}+\mathrm{weight}\&times;{\hat{A}}_n;$

$P_n=P_{n-1}+\mathrm{weight}\&times;{\hat{P}}_n;$

其中，weight是加权系数，A_n-1为上次校准中的幅度不平衡校准因子，P_n-1为上次校准中的相位不平衡校准因子，Q_n-1及P_n-1的初始值为0。

进一步地，本实施例还可以包括延迟单元76，延迟单元76用于对所述补偿单元74生成的A_n和P_n进行延时，并将延时后A_n和P_n的提供给所述第二校准单元75作为下一次迭代计算的输入。

本实施例的设备并不需要开方及三角函数的运算，因此在通过硬件，如集成电路实现时，电路结构可得到简化，可以降低运算量。本实施例通过对不平衡校准因子进行迭代计算得到，可以提高校准精度，并且残留的IQ不平衡不影响解调性能，可降低相关软硬件设备或***的实现复杂度。所述IQ不平衡校准设备可具体应用于无线通信***的接收机(Receiver)中。如图2所示，在一个接收机中，接收的信号可经过射频及模拟基带信号处理、直流校准，之后采用本发明提供的实施例进行校准，以便提高I路和Q路信号间的正交性。

综上本发明实施例中，在计算不平衡校准因子时，只有乘法、加法、除法、无开方运算，比现有模型更简单。在进行校准时，只有两个乘法、一个加法，相比于现有的三个乘法、一个加法，运算量减少，使得实现所述方法和设备所需的软硬件条件降低，可降低了基带处理芯片的设计难度。经过仿真，本发明实施例对输入信号无要求，并且具有很高的精确度。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种无线通信接收机中基带信号的同相分量正交分量IQ不平衡校准方法，其特征在于，包括：

所述接收机接收射频信号，通过信号处理生成同相分量I路信号与正交分量Q路信号；

通过计算获取I路信号的自相关值E(|I|²)、当前Q路信号的自相关值E(|Q|²)及I路信号与当前Q路信号的互相关值E(IQ)；

对所述E(|I|²)、E(|Q|²)和E(IQ)进行如下处理，得到本次幅度不平衡校准因子的估计值 和本次相位不平衡校准因子的估计值 

根据所述 

和 

对当前Q路信号进行校准。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述 

和 

对当前Q路信号进行校准，包括：采用如下公式 对当前Q路信号进行校准，得到校准后的Q路信号，其中，Q_n为当前校准前的Q路信号、I为I路信号、 

为当前校准后的Q路信号。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：执行迭代校准，其中迭代校准包括：

利用本次校准之前的至少一次校准所产生的幅度不平衡校准因子和相位不平衡校准因子对所述 

和 

进行修正，得到本次幅度不平衡校准因子A_n和本次相位不平衡校准因子P_n；

采用所述A_n和P_n，对下次校准前的Q路信号进行校准，得到下次校准后的Q路信号 其中，Q_n+1为下次校准前的Q路信号、 I为I路信号、Q_c ⁿ⁺¹为下次校准后的Q路信号。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述利用本次校准之前的至少一次校准所产生的幅度不平衡校准因子和相位不平衡校准因子对所述 

和 

进行修正，得到本次幅度不平衡校准因子A_n和本次相位不平衡校准因子P_n包括：

采用如下公式进行迭代计算得到所述A_n和P_n：

其中，weight是加权系数，A_n-1为上次校准中的幅度不平衡校准因子，Pn-1为上次校准中的相位不平衡校准因子，A_n-1及P_n-1的初始值为0。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在执行迭代校准时，至少存在一次校准中采用的加权系数的值小于本次校准之前校准中采用的加权系数的值。

6.一种无线通信接收机中基带信号的同相分量正交分量IQ不平衡校准设备，其特征在于，包括：

计算单元，用于从前级处理电路获取同相分量I路信号与正交分量Q路信号，通过计算获取I路信号的自相关值E(|I|²)、当前Q路信号的自相关值E(|Q|²)及I路信号与当前Q路信号的互相关值E(IQ)；

估计单元，用于对所述E(|I|²)、E(|Q|²)和E(IQ)进行如下处理，得到本次幅度不平衡校准因子的估计值 

和本次相位不平衡校准因子的估计值 

第一校准单元，用于根据所述 

和 

，对当前Q路信号进行校准。

7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述第一校准单元被配置 为：采用如下公式 

对当前Q路信号进行校准，得到校准后的Q路信号，其中，Q_n为当前校准前的Q路信号、I为I路信号、Q_c ⁿ为当前校准后的Q路信号。

8.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，还包括：

补偿单元，用于利用本次校准之前的至少一次校准所产生的幅度不平衡校准因子和相位不平衡校准因子对所述 

和 

进行修正，得到本次幅度不平衡校准因子A_n和本次相位不平衡校准因子P_n；

第二校准单元，用于采用所述A_n和P_n，对下次校准前的Q路信号进行校准，得到下次校准后的Q路信号 其中，Q_n+1为下次校准前的Q路信号、I为I路信号、 为下次校准后的Q路信号。

9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述补偿单元被配置为：采用如下公式进行迭代计算得到所述A_n和P_n：

其中，weight是加权系数，A_n-1为上次校准中的幅度不平衡校准因子，P_n-1为上次校准中的相位不平衡校准因子，A_n-1及P_n-1的初始值为0。

10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，还包括：延迟单元，用于对所述补偿单元生成的A_n和P_n进行延时，并将延时后的A_n和P_n提供给所述第二校准单元作为下一次迭代计算的输入。 

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