CN110336572B - 一种收发信机的增益平坦度补偿方法 - Google Patents

一种收发信机的增益平坦度补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种收发信机的增益平坦度补偿方法,其包括:(1)一种接收机的增益平坦度补偿方法,在数字域通过一个复系数的FIR滤波器来补偿接收通道的增益平坦度;(2)一种发射机的增益平坦度补偿方法,在数字域通过构造复系数的FIR滤波器来补偿发射通道的增益平坦度。该方法可以灵活地在补偿精度和计算量之间进行平衡;可以重点补偿频带边缘的平坦度特性,用较少的计算量获得良好的性能。

Description

一种收发信机的增益平坦度补偿方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域,尤其涉及一种收发信机的增益平坦度补偿方法。
背景技术
随着4G/5G的应用,无线电收发信机的工作频带越来越宽,达到了几百兆赫兹。在如此宽的频率范围内,射频器件的增益平坦度难以得到保证。
现有的专利CN105591656提出了一种收发信机的增益平坦度补偿方法,可以通过数字信号处理来补偿模拟器件的增益平坦度。该方法描述如下:按照fs/N为频率间隔,测试接收通道以及发射通道的增益,其中fs是数字信号采样率,N取2的整数次方;以中心频率点为基准,计算链路的增益平坦度;对计算出的增益平坦度数据添加线性相位信息,然后进行IFFT变换;用IFFT变换的结果作为复数FIR滤波器的系数,对增益平坦度进行补偿。
但该方法应用在大带宽的收发信机中时,存在如下一些限制和不足:
(1)该方法限制N的取值必须是2的整数次方。通常情况下,N越大,补偿越精确,但FIR滤波器消耗的计算资源越多。当收发信机带宽较大时,在硬件实现中,很难在补偿精度和计算量之间取得平衡。以fs=245.76MSps为例,假设N取32,频率间隔是7.68MHz,补偿精度较低;假设N取64,频率间隔是3.84MHz,补偿精度较高,但复数FIR滤波器的计算量是N=32时的8倍;
(2)对于宽带收发信机来说,因为射频滤波器的特性,通常在频段的边缘部分增益平坦度较差,中间部分增益平坦度较好,在进行补偿时应该把权重向边缘频段倾斜。该方法对所有的频率点同等对待,无法突出重点,因此需要更多的点数(更大的N)来取得精确的补偿结果。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足,而提供一种收发信机的增益平坦度补偿方法。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的:这种收发信机的增益平坦度补偿方法,其包括:
1)一种接收机的增益平坦度补偿方法,在数字域通过一个复系数的FIR滤波器来补偿接收通道的增益平坦度;
2)一种发射机的增益平坦度补偿方法,一种发射机的增益平坦度补偿方法,在数字域通过一个复系数的FIR滤波器来补偿发射通道的增益平坦度。
所述接收机的增益平坦度补偿方法,包括以下步骤:
步骤1:将ADC接收到的信号转换为零种频的IQ信号;
步骤2:信号发生器设置fc-fs/2为频率起始点,并以fs/N的频率间隔发送N个频率点的单音信号,在数字域计算出每个频率点的功率Pn;其中fc为接收通道的中心频率,fs数字信号的采样频率,N取值为2的整数次方;
步骤3:以通道中心频率点fc的功率为基准,计算整个fs带宽内的增益平坦度,得到序列P′n
步骤4:对P′n增加线性相位信息,构造一个N点的复数序列Xn
步骤5:对Xn进行N点的IFFT运算,得到结果Yn
步骤6:用Q点的复数序列Zq来逼近Yn的频率响应;其中Q可以选择合适的整数;
步骤7:在数字域构造一个Q阶的复数FIR滤波器,以Zq作为滤波器的系数,对IQ信号进行滤波,其结果就是增益平坦度补偿后的数据。
所述发射机的增益平坦度补偿方法,包括以下步骤:
步骤1:在-fs/2至fs/2的频率范围内,数字域中采用NCO以fs/N的频率间隔产生N个频率点的单音信号,用频谱分析仪读取每个频率点的功率Pn;其中fs为数字信号的采样频率,N取值为2的整数次方;
步骤2:以通道中心频率点为基准,计算发射通道的增益平坦度,得到序列P′n
步骤3:对P′n增加相位信息构造一个N点的复数序列Xn
步骤4:对Xn进行N点IFFT运算,得到结果Yn
步骤5:用Q点的复数序列Zq来逼近Yn的频率响应;其中Q可以选择合适的整数
步骤6:在数字域发送到DAC之前构造一个Q阶复数FIR滤波器,以Zq作为FIR滤波器的系数,对IQ信号进行滤波运算,其结果就是增益平坦度补偿后的发射数据。
数字域中采用IQ信号的幅度来计算输入信号的功率,计算公式为:
Figure GDA0002419585610000021
其中,M为计算功率的点数。
以通道中心频率为基准,计算通道平坦度P′n;通道中心频率点fc对应的功率点为PN/2,则
Figure GDA0002419585610000031
通信***要求线性相位特性,因此需要对增益平坦度数据P′n增加相位信息,构成序列Xn,计算公式为:
Xn=P′n*ejπ(N/2-n)*(N-1)/N,n=0,1,2……N-1
通过IFFT计算FIR滤波器系数,进行IFFT运算之前,需要对上述的序列Xn进行移位处理,
公式如下:
Figure GDA0002419585610000032
然后进行IFFT运算得到滤波器的系数Yn=IFFT(X′n)。
将多个频率点的单音信号信号(f1,f2,…fn)赋以不同的幅度G1,G2,…Gn,对边缘频段的单音信号赋以较大的G值,其他频段的单音信号赋以较小的G值,采用上述的多个频率点的单音信号作为滤波器的激励源,且在计算过程中,只需计算1/2的Yn得出1/2的Zq,当自适应过程收敛后即均方误差最小时,Zq实现了Yn的一个最佳拟合。
考虑复数乘法运算的特殊性,采用4个实系数FIR滤波器来构造一个复系数的FIR滤波器
本发明的有益效果为:
1、可以灵活地在补偿精度和计算量之间进行平衡;
2、可以重点补偿频带边缘的平坦度特性,用较少的计算量获得良好的性能。
附图说明
图1是本发明的一种接收机增益平坦度补偿方法的实现装置;
图2是本发明使用Q点的复数序列Zq来逼近Yn的频率响应的方法示意图;
图3是用4个实系数FIR滤波器构造一个复系数滤波器的示意图;
图4是本发明提供的一种发射机增益平坦度补偿方法的实现装置。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的优选实施例进行详细的描述:
接收机包括模拟电路部分,模数转换器ADC以及数字信号处理器FPGA或DSP。如图1所示,接收机的模拟电路一般包括双工器,一级或多级带通滤波器,低噪声放大器LNA,混频器或解调器,增益放大器以及衰减器等电路。因为这部分电路不是本发明的重点部分,因此在图1中用一个模块来示意。
接收机的增益不平坦主要是由模拟电路部分造成的,本发明在数字域中构造一个复数的FIR滤波器来对增益平坦度进行补偿。
在数字域中,首先将ADC采样的信号通过频谱搬移和低通滤波转换为零中频的IQ信号。如果模拟电路部分采用零中频方案,ADC采用双通道的IQ采样,则可以省略掉这一过程。
功率计算模块计算输入信号的功率,在数字域中采用以下公式计算功率:
Figure GDA0002419585610000041
其中M为计算功率的点数。为了使计算结果尽量准确,本实施例中M=32768。
信号发生器以fc-fs/2为起始频率点,fs/N为步进,共计N个频率点的单音信号,数字域中用上述公式计算出各个频率点的功率Pn。其中fc为接收通道的中心频率,fs为数字信号的采样速率。因为要对Pn进行IFFT运算,为了运算的简便,限定N的取值为2的整数次方。N的取值越大,平坦度补偿的结果越精确。
以通道中心频率fc为基准,计算通道平坦度P′n。fc对应的功率点为PN/2,则
Figure GDA0002419585610000042
因为计算功率P的时候取了对数运算,因此P的单位为dB,上述公式中的幂运算将dB值转换为绝对值。
为了使不同频率的信号不失真地通过通信***,要求通信***具有线性相位。本发明提供的增益平坦度补偿方法是通过复系数的FIR滤波器来实现的,因此该滤波器也要求具有线性相位特性。在上文的叙述中,我们仅仅获得了在不同频率点上的幅度特性,因此需要人为地添加相位特性,以构成一个线性相位***。
增加相位的公式如下:
Xn=P′n*ejπ(N/2-n)*(N-1)/N,n=0,1,2……N-1
根据上文所述,计算功率的频率顺序为-fs/2到fs/2,但是根据IFFT原理,其对应的频率顺序为0到fs,因此在IFFT变换之前,需要将Xn的顺序变换为0到fs,变换方法如下:
Figure GDA0002419585610000051
最后,对X′n进行N点的IFFT,得到复数序列Yn
Yn=IFFT(X′n)
其中,IFFT是数字信号处理中的通用算法,在此不再赘述。
本发明使用Q点的复数序列Zq来逼近Yn的频率响应,如图2所示。
如图2所示,将多个频率点的单音信号信号(f1,f2,…fn)赋以不同的幅度G1,G2,…Gn,对边缘频段的单音信号赋以较大的G值,其他频段的单音信号赋以较小的G值,因为通常在频段的边缘部分增益平坦度较差,中间部分的增益平坦度较好,所以在平坦度补偿时,把权重向边缘频段倾斜。
采用上述的多个频率点的单音信号作为滤波器的激励源,根据滤波器的线性相位特性,序列Yn和序列Zq具有共轭对称关系,即:
Figure GDA0002419585610000052
Figure GDA0002419585610000053
其中,*表示复数的共轭。
因此,为了减少计算量,可以先根据1/2的Yn(n=0,1,…N/2-1)来计算出1/2的Zq(q=0,1,2…Q/2-1)。然后根据共轭对称特性,得出其余的Zq(q=Q/2,Q/2+1…Q-1)。
当自适应过程收敛后即均方误差最小时,Zq实现了Yn的一个最佳拟合。
本发明使用复系数的FIR滤波器来进行增益平坦度的补偿。但是在常规的数字信号处理过程中涉及到的一般是实系数的FIR滤波器,因此本发明还提供了一种由实系数FIR滤波器构造复数FIR滤波器的方法,如图3所示。
如图3所示,4个实系数的FIR滤波器构成了一个复系数的FIR滤波器。其中h_real是复系数的实部,h_imag是复系数的虚部。
图4是本发明提供的一种发射机的增益平坦度补偿方法的实现装置,如图4所示,发射机一般包括数字信号处理器FPGA或DSP,数模转换器DAC以及模拟电路部分。
发射机的模拟电路部分一般包括一级或多级带通滤波器,混频器或调制器,功率放大器PA以及双工器等电路。因为这部分不是本发明的重点部分,因此在图4中用一个模块来示意。
发射机的增益不平坦主要是由模拟电路部分造成的,本发明在数字域中构造一个复数的FIR滤波器来对增益平坦度进行补偿。
在数字域中,用NCO产生N个频点的单音信号,频率范围从-fs/2到fs/2,以fs/N为步进。首先,图4中的选择器模块(MUX)选择NCO的输出发送到DAC,使用频谱分析仪测量每个频率点的功率Pn,然后,发射机进入正常工作模式,MUX选择FIR滤波器的输出发射到DAC。因为需要对Pn进行IFFT运算,为了运算简便,限定N取值为2的整数次方。N的取值越大,平坦度补偿的结果越精确。
频谱分析仪测量的结果Pn输入到数字信号处理器进行后续处理。以通道中心频率(即数字域的零频)为基准,计算发射通道的增益平坦度P′n。中心频率对应的功率点为PN/2,则
Figure GDA0002419585610000061
因为频谱分析仪测量的功率以dB为单位,因此需要通过幂运算来转换为绝对功率值。
剩余的处理方法和接收机的平坦度补偿方法一致,在此不再赘述。
以上所述是仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和修饰,这些改进和修饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种收发信机的增益平坦度补偿方法,其特征在于:包括一种接收机的增益平坦度补偿方法,在数字域通过一个复系数的FIR滤波器来补偿接收通道的增益平坦度;一种发射机的增益平坦度补偿方法,在数字域通过一个复系数的FIR滤波器来补偿发射通道的增益平坦度;
所述接收机的增益平坦度补偿方法,包括以下步骤:
步骤1:将ADC接收到的信号转换为零中频的IQ信号;
步骤2:信号发生器设置fc-fs/2为频率起始点,并以fs/N的频率间隔发送N个频率点的单音信号,在数字域计算出每个频率点的功率Pn;其中fc为接收通道的中心频率,fs数字信号的采样频率,N取值为2的整数次方;
步骤3:以通道中心频率点fc的功率为基准,计算整个fs带宽内的增益平坦度,得到序列P′n
步骤4:对P′n增加线性相位信息,构造一个N点的复数序列Xn
步骤5:对Xn进行N点的IFFT运算,得到结果Yn
步骤6:用Q点的复数序列Zq来逼近Yn的频率响应;其中Q选择合适的整数;
步骤7:在数字域构造一个Q阶的复数FIR滤波器,以Zq作为滤波器的系数,对IQ信号进行滤波,其结果就是增益平坦度补偿后的数据;
所述发射机的增益平坦度补偿方法,包括以下步骤:
步骤1:在-fs/2至fs/2的频率范围内,数字域中采用NCO以fs/N的频率间隔产生N个频率点的单音信号,用频谱分析仪读取每个频率点的功率Pn;其中fs为数字信号的采样频率,N取值为2的整数次方;
步骤2:以通道中心频率点的功率为基准,计算发射通道的增益平坦度,得到序列P′n
步骤3:对P′n增加相位信息构造一个N点的复数序列Xn
步骤4:对Xn进行N点IFFT运算,得到结果Yn
步骤5:用Q点的复数序列Zq来逼近Yn的频率响应,其中Q可以选择合适的整数;
步骤6:在数字域发送到DAC之前构造一个Q阶复数FIR滤波器,以Zq作为FIR滤波器的系数,对IQ信号进行滤波运算,其结果就是增益平坦度补偿后的发射数据;
将多个频率点的单音信号(f1,f2,…fn)赋以不同的幅度G1,G2,…Gn,对边缘频段的单音信号赋以较大的G值,其他频段的单音信号赋以较小的G值,用上述的多个频率点的单音信号作为滤波器的激励源,当自适应过程收敛后即均方误差最小时,Zq实现了Yn的一个最佳拟合;根据滤波器的线性相位特性,Yn和Zq具有共轭对称特性,因此计算过程中根据1/2的Yn来计算1/2的Zq,然后根据共轭对称的特性来获得其余1/2的Zq
2.根据权利要求1所述的收发信机的增益平坦度补偿方法,其特征在于:数字域中采用IQ信号的幅度来计算输入信号的功率,计算公式为:
Figure FDA0002525458900000021
其中,M为计算功率的点数。
3.根据权利要求1所述的收发信机的增益平坦度补偿方法,其特征在于:以通道中心频率点的功率为基准,计算通道平坦度P′n;通道中心频率点fc对应的功率点为PN/2,则
Figure FDA0002525458900000022
4.根据权利要求1所述的收发信机的增益平坦度补偿方法,其特征在于:通信***要求线性相位特性,因此需要对增益平坦度数据P′n增加相位信息,构成序列Xn,计算公式为:
Xn=P′n*ejπ(N/2-n)*(N-1)/N,n=0,1,2……N-1。
5.根据权利要求1所述的收发信机的增益平坦度补偿方法,其特征在于:通过IFFT计算FIR滤波器系数,进行IFFT运算之前,需要对上述的序列Xn进行移位处理,公式如下:
Figure FDA0002525458900000023
然后进行IFFT运算得到序列Yn=IFFT(X′n)。
6.根据权利要求1所述的收发信机的增益平坦度补偿方法,其特征在于:考虑复数乘法运算的特殊性,采用4个实系数FIR滤波器来构造一个复系数的FIR滤波器。
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