CN111490959B - 宽带多通道射频收发机iq失衡校正方法、装置及电路 - Google Patents

宽带多通道射频收发机iq失衡校正方法、装置及电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种宽带多通道射频收发机IQ失衡校正方法，包括：步骤一、信号经I路和Q路传输，经I路或Q路其中的一路接收，得两组回路信号数据，计算FIR滤波器系数值，在Q路设置FIR滤波器，在I路设置延时单元；步骤二、选取测试信号，经两个移相角传输，得到两组本地回路信号数据，计算失衡参数、增益比、相位差；步骤三、设置加法器和乘法器校正增益比和相位差，具有运算复杂度低、校正精确度高的有益效果。还公开了一种宽带多通道射频收发机IQ失衡校正装置，具有结构简单，校正准确的效果。还公开了一种宽带多通道射频收发机IQ失衡校正电路，具有电路简单，校正准确的效果。

Description

宽带多通道射频收发机IQ失衡校正方法、装置及电路
技术领域
本发明涉及无线移动通信技术领域。更具体地说，本发明涉及一种宽带多通道射频收发机IQ失衡校正方法、装置及电路。
背景技术
4G网络已经逐渐完成了向5G网络的演进，而超宽带、多通道是实现与5G相关的超高吞吐量的关键，为了实现高带宽，由于正交调制可以放宽数模转换器和模数转换器的采样率，因此具有很大的吸引力。然而其中一个主要的问题就是同交和正相(IQ)的不平衡会产生镜像信号，而镜像信号会导致信噪比的降低，从而影响通信的性能，具体来说接收机和发送机可各自包括用于同相(I)和正交(Q)信号的单独分支。在理想情况下，I路和Q路具有相等的增益，彼此之间相差90度。但是，I路和Q路之间可能存在不平衡。这些不平衡可能会降低接收机和发送机的性能。因此需要通过设计不同的方法来解决这种IQ失衡问题来提高通信性能。
目前已经有很多关于IQ失衡校正的方法，这些方法都为解决IQ失衡提供了很多基础，但是其中的一些方法仅仅校正了接收端的IQ失衡，而并没有考虑发送端的失衡情况，因此对镜像信号的抑制往往较低。此外，随着传输带宽的增加，在整个带宽上假定IQ失衡是相同的已经不成立，以往的大多数假设整个带宽相同的IQ失衡校正方法已经逐步的不适应如今的通信状况，而考虑与频率有关的方法又具有较高的硬件复杂度，因此，有必要提出一种可以解决这种高带宽的情况，并且需要尽可能低的硬件复杂度的IQ失衡校正方法。从而提高在5G网络下的通信性能。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。
本发明还有一个目的是提供一种宽带多通道射频收发机IQ失衡校正方法，通过将两类失衡分开补偿，利用本地回路的回路信号计算方法，所获得的信号受到的干扰更小，因此计算得到的失衡参数能够更加准确，补偿效果会更好在整个校正过程当中，相比较于其他高阶矩阵的运算，该方法只有对应的二阶矩阵预算，降低了运算复杂度。
还提供了一种宽带多通道射频收发机IQ失衡校正装置，结构简单，校正准确。
还提供了一种宽带多通道射频收发机IQ失衡校正电路，电路简单，校正准确。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种宽带多通道射频收发机IQ失衡校正方法，包括以下步骤：
步骤一、校正由基带滤波器造成的IQ失衡：将相同的信号通过发送端的I路和Q路传输，并通过接收端的I路或Q路其中的一路接收该信号，得到两组回路信号数据，基于两组回路信号数据，采用LMS自适应算法计算得到FIR滤波器的系数值，然后在发送端的Q路设置该系数值的FIR滤波器，在发送端的I路设置与该FIR滤波器对应的延时单元；以及，
将相同的信号通过发送端的I路或Q路传输，并通过接收端的I路和Q路接收该信号，得到两组回路信号数据，基于两组回路信号数据，采用LMS自适应算法计算得到FIR滤波器的系数值，然后在接收端的Q路设置该系数值的FIR滤波器，在接收端的I路设置与该FIR滤波器对应的延时单元；
步骤二、在变频器与发送端或接收端之间并联移相器，选取射频收发机带宽范围内任意一个频率点的信号作为测试信号进行传输，通过调节移相器的移相角，得到两组不同相位的本地回路信号数据，基于两组本地回路信号数据计算得到发送端或接收端的失衡参数，基于失衡参数计算发送端或接收端的增益比和相位差；
步骤三、在发送端和接收端的I路和Q路上均设置加法器和乘法器，所述加法器和所述乘法器用于补偿步骤二计算得到的增益比和相位差。
优选的是，FIR滤波器的系数的计算方法具体为：
采用最小均方算法，使E[|e(n)|2]值最小，
由I路得到的回路信号数据为d(n)，由Q路得到的回路信号数据为y(n)，采用最小均方算法计算，使得使E[|e(n)|2]值最小，其中，e(n)＝d(n)-y(n)，假设FIR滤波器的系数为w(n)，则
w(n+1)＝w(n)+μe(n)x(n) 公式1
其中，μ为自适应算法的步长，x(n)为测试信号数据，迭代计算得到FIR滤波器的系数的数值。
优选的是，发送端或接收端的增益比gT和相位差
Figure BDA0002438908580000031
的计算方法具体为：
测试信号为z(t)，当移相器的移相角为θ1时，得到本地回路信号数据为z(n)θ1，z(n)θ1由zM(n)和zI(n)组成，然后采用FFT方法计算得到两个峰值
Figure BDA0002438908580000032
和
Figure BDA0002438908580000033
测试信号为z(t)，当移相器的移相角为θ2时，得到本地回路信号数据为z(n)θ2，z(n)θ2由zM(n)和zI(n)组成，然后采用FFT方法计算得到两个峰值得到
Figure BDA0002438908580000034
和
Figure BDA0002438908580000035
Figure BDA0002438908580000036
zM(n)＝gejθz(t) 公式3
其中，g和ejθ是由本地回路所导致的增益和相位差；
Figure BDA0002438908580000037
E＝P-1F 公式5
Figure BDA0002438908580000038
Figure BDA0002438908580000039
根据公式2～公式7计算得到发送端或接收端由于上下变频而造成的失衡系数E、增益比gT、相位差
Figure BDA00024389085800000310
优选的是，移相角为θ2时，θ2＝0。
提供一种宽带多通道射频收发机IQ失衡校正装置，包括：
两个FIR滤波器，两个FIR滤波器分别设置在发送端和接收端的Q路上，其中，FIR滤波器的系数采用权利要求1中记载的方法计算得到；
两个延时单元，两个延时单元分别设置在发送端和接收端的I路上，其中，发送端的延时单元的参数与发送端上的FIR滤波器匹配，接收端的延时单元的参数与接收端上的FIR滤波器匹配；
加法器和乘法器，加法器和乘法器设置在发送端和接收端上，用于补偿发送端和接收端的增益比和相位差，增益比和相位差采用权利要求1中记载的方法计算得到。
提供一种宽带多通道射频收发机IQ失衡校正电路，包括：
两个FIR滤波器，两个FIR滤波器分别串联在发送端和接收端的Q路上，其中，FIR滤波器的系数采用权利要求1中记载的方法计算得到；
两个延时单元，两个延时单元分别串联在发送端和接收端的I路上，其中，发送端的延时单元的参数与发送端上的FIR滤波器匹配，接收端的延时单元的参数与接收端上的FIR滤波器匹配；
加法器和乘法器，根据增益比和相位差，并联和/或串联于I路和Q路上，其中，增益比和相位差采用权利要求1中记载的方法计算得到。
本发明至少包括以下有益效果：
第一、不同于以往进行IQ失衡校正时将频率依赖性和频率无关的IQ失衡放在一起进行考虑，而是通过将两类失衡分开补偿的方式不仅可以解决传输带宽越来越大的问题，而且大大降低了复杂度。
第二、通过在本地回路放置移相器来把射频收发机的发送端和接收端分离，从而解决了发送端的多通道干扰问题。
第三、在解决宽带问题时，传统方法采用的是遍历整个频带频点的方式，即如果带宽为40M，每间隔1M计算一次频点相关参数，则需要进行40次的计算，随着带宽的增加，所需计算次数会越来越多。此外间隔的大小选择是一个问题，间隔过大会导致校正效果下降，间隔过小导致计算次数增加。而本发明只是在整个频带内任意选择一个频点，计算一次即可。
第四、传统方法只解决了接收端的IQ失衡问题，并没有考虑发射端，因此在现如今多通道的通信情况下，发射端由IQ失衡产生的镜像频率会对其他通道进行干扰，从而降低通信性能。而本发明采用了预失真的方式，在接收端进行了预校正，从而抑制了镜像频率的大小，适用于多通道情况。
第五、对于射频的硬件结构而言，会受到温度变化、器件老化等因素的影响，这些变化会导致IQ失衡参数的变化，本发明采用了自适应滤波的方案，相比较于传统方法的固定滤波器系数，可以及时的根据这些变化来调整滤波器系数，从而提高校正的效果和稳定性。
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为本发明其中一种技术方案的宽带多通道射频收发机IQ失衡校正方法的工作流程图；
图2为本发明其中一种技术方案的用于估计频率选择性IQ失衡的大小和进行补偿的结构图；
图3为本发明其中一种技术方案的接收端补偿结构图；
图4为本发明其中一种技术方案的用于计算频率无关性IQ失衡的失衡参数和补偿的结构图；
图5为本发明其中一种技术方案的所述宽带多通道射频收发机IQ失衡校正电路示意图。
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。
如图1～5所示，本发明提供一种宽带多通道射频收发机IQ失衡校正方法，包括以下步骤：
步骤一、校正由基带滤波器造成的IQ失衡：将相同的信号通过发送端的I路和Q路传输，并通过接收端的I路或Q路其中的一路接收该信号，得到两组回路信号数据，基于两组回路信号数据，采用LMS自适应算法计算得到FIR滤波器的系数值，然后在发送端的Q路设置该系数值的FIR滤波器，在发送端的I路设置与该FIR滤波器对应的延时单元；以及，
将相同的信号通过发送端的I路或Q路传输，并通过接收端的I路和Q路接收该信号，得到两组回路信号数据，基于两组回路信号数据，采用LMS自适应算法计算得到FIR滤波器的系数值，然后在接收端的Q路设置该系数值的FIR滤波器，在接收端的I路设置与该FIR滤波器对应的延时单元；
步骤二、在变频器与发送端或接收端之间并联移相器，选取射频收发机带宽范围内任意一个频率点的信号作为测试信号进行传输，通过调节移相器的移相角，得到两组不同相位的本地回路信号数据，基于两组本地回路信号数据计算得到发送端或接收端的失衡参数，基于失衡参数计算发送端或接收端的增益比和相位差；
步骤三、在发送端和接收端的I路和Q路上均设置加法器和乘法器，所述加法器和所述乘法器用于补偿步骤二计算得到的增益比和相位差。
在上述技术方案中，在具体的校正过程当中，首先进行频率选择性的IQ失衡校正，利用射频收发机本身的结构，即发送端和接收端是集成在同一块芯片上，可以通过在发送端只用I路或Q路来发送信号，而在接收端利用I路和Q路来分别接收信号，两路信号的差值会准确反映出频率依赖性IQ失衡的大小，从而利用这两路信号的数据通过最小均方算法计算出补偿滤波器(FIR滤波器)的系数，从而进行IQ失衡的补偿。以上主要介绍了在接收端的IQ失衡校正，发送端的校正方法相同。
之后进行频率无关性的IQ失衡校正，由于在整个带宽内的IQ失衡是相同的，因此可以选择任意频点的测试信号，频率无关性的IQ失衡是由上下变频造成的，在发送端发送的测试信号到返回的回路信号分别经过了上变频器和下变频器，得到的回路信号是由发送端失衡和接收端失衡叠加而成，通过在收发机的本地回路放置移相器来把两端的失衡分开，从而分别计算出发送端和接收端的IQ失衡参数，利用相应的失衡参数在发送端进行预补偿和在接收端进行后补偿，从而完成频率无关性的IQ失衡校正。本发明的方法和传统方法的对镜像信号的抑制在一个量级，但是本发明月的方法比传统方法的复杂度要低很多。
FIR滤波器的系数的计算方法具体为：
本方案考虑在通用射频收发机结构下，即发送端与接收端集成在同一芯片上，通用的上下变频结构，用所提出的IQ失衡校正方法进行校正。
校正方法基于将频率依赖性和频率无关性两类失衡分别校正，首先进行频率依赖性的校正，校正的结构图如图2所示。通过在发送端发送相同的信号或者在接收端接收相同的信号来衡量IQ失衡的大小，在估计发送端导致的频率选择性IQ失衡时，1a和1b连接接收端的同一路，即连接2a或2b。同样的在估计接收端的IQ失衡时，2a和2b连接发送端的同一支路，即连接1a或1b，得到的两组回路信号数据的差值可以用来反映IQ失衡的大小。
由I路得到的回路信号数据为d(n)，由Q路得到的回路信号数据为y(n)，采用最小均方算法计算，使得使E[|e(n)|2]值最小，其中，e(n)＝d(n)-y(n)，假设FIR滤波器的系数为w(n)，则
w(n+1)＝w(n)+μe(n)x(n) 公式1
其中，μ为自适应算法的步长，x(n)为测试信号数据，迭代计算得到FIR滤波器的系数的数值。
计算出滤波器系数后，设置FIR滤波器和延时单元，接收端的IQ失衡从而得到补偿，发送端应用同样的方法得到补偿。
校正完频率选择性的IQ失衡之后，进行频率无关性的IQ失衡校正，校正结构图如图4所示，HPA代表高功率放大器，LNA为低噪声放大器，在整个频带内选择任意频点的测试信号z(t)，经过上变频之后，直接经过下变频，通过本地回路得到回路信号数据，如下所述：
发送端或接收端的增益比gT和相位差
Figure BDA0002438908580000071
的计算方法具体为：
测试信号为z(t)，当移相器的移相角为θ1时，得到本地回路信号数据为z(n)θ1，z(n)θ1由zM(n)和zI(n)组成，然后采用FFT方法计算得到两个峰值
Figure BDA0002438908580000072
和
Figure BDA0002438908580000073
测试信号为z(t)，当移相器的移相角为θ2时，得到本地回路信号数据为z(n)θ2，z(n)θ2由zM(n)和zI(n)组成，然后采用FFT方法计算得到两个峰值得到
Figure BDA0002438908580000074
和
Figure BDA0002438908580000075
Figure BDA0002438908580000076
zM(n)＝gejθz(t) 公式3
其中，g和ejθ是由本地回路所导致的增益和相位差；
Figure BDA0002438908580000077
E＝P-1F 公式5
Figure BDA0002438908580000078
Figure BDA0002438908580000079
根据公式2～公式7计算得到发送端或接收端由于上下变频而造成的失衡系数E、增益比gT、相位差
Figure BDA0002438908580000081
为了分开发送端和接收端的失衡，需要利用回路中的移相器来产生两组数据，利用不同角度的两组数据即可分别计算出发送端和接收端的失衡参数E，在得到失衡参数之后，在发送端通过IQ失衡造成的增益比和相位差进行预补偿，只需要线性结构(加法器和乘法器)转换即可，同样的在接收端进行后补偿，从而完成IQ失衡的校正。利用本地回路的回路信号计算方法，所获得的信号受到的干扰更小，因此计算得到的失衡参数能够更加准确，补偿效果会更好在整个校正过程当中，相比较于其他高阶矩阵的运算，该方法只有对应的二阶矩阵预算，降低了运算复杂度。
提供一种宽带多通道射频收发机IQ失衡校正装置，包括：
两个FIR滤波器，两个FIR滤波器分别设置在发送端和接收端的Q路上，其中，FIR滤波器的系数采用权利要求1中记载的方法计算得到；
两个延时单元，两个延时单元分别设置在发送端和接收端的I路上，其中，发送端的延时单元的参数与发送端上的FIR滤波器匹配，接收端的延时单元的参数与接收端上的FIR滤波器匹配；
加法器和乘法器，加法器和乘法器设置在发送端和接收端上，用于补偿发送端和接收端的增益比和相位差，增益比和相位差采用权利要求1中记载的方法计算得到。
在上述技术方案中，只需要在发送端和接收端都设置FIR滤波器和延时单元，即可校正频率选择性的IQ失衡，只需要在发送端和接收端设置线性结构(加法器和乘法器)转换，即可校正频率无关性的IQ失衡，并且在整个校正过程当中，相比较于其他高阶矩阵的运算，该装置只有对应的二阶矩阵预算，降低了运算复杂度。
提供一种宽带多通道射频收发机IQ失衡校正电路，包括：
两个FIR滤波器，两个FIR滤波器分别串联在发送端和接收端的Q路上，其中，FIR滤波器的系数采用权利要求1中记载的方法计算得到；
两个延时单元，两个延时单元分别串联在发送端和接收端的I路上，其中，发送端的延时单元的参数与发送端上的FIR滤波器匹配，接收端的延时单元的参数与接收端上的FIR滤波器匹配；
加法器和乘法器，根据增益比和相位差，并联和/或串联于I路和Q路上，其中，增益比和相位差采用权利要求1中记载的方法计算得到。
在上述技术方案中，只需要在发送端和接收端的电路上设置FIR滤波器和延时单元，即可校正频率选择性的IQ失衡，只需要在发送端和接收端的电路上设置线性结构(加法器和乘法器)转换，即可校正频率无关性的IQ失衡，并且在整个校正过程当中，相比较于其他高阶矩阵的运算，该电路结构简单，只有对应的二阶矩阵预算，降低了运算复杂度。
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 (6)

1.宽带多通道射频收发机IQ失衡校正方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、校正由基带滤波器造成的IQ失衡：将相同的信号分别通过发送端的I路和Q路传输，并通过接收端的I路或Q路其中的一路接收经I路和Q路传输的信号，得到两组回路信号数据，基于两组回路信号数据，采用LMS自适应算法计算得到FIR滤波器的系数值，然后在发送端的Q路设置该系数值的FIR滤波器，在发送端的I路设置与该FIR滤波器对应的延时单元；以及，
将相同的信号通过发送端的I路或Q路传输，并通过接收端的I路和Q路接收经I路或Q路传输的信号，得到两组回路信号数据，基于两组回路信号数据，采用LMS自适应算法计算得到FIR滤波器的系数值，然后在接收端的Q路设置该系数值的FIR滤波器，在接收端的I路设置与该FIR滤波器对应的延时单元；
步骤二、在变频器与发送端或接收端之间并联移相器，选取射频收发机带宽范围内任意一个频率点的信号作为测试信号进行传输，通过调节移相器的移相角，得到两组不同相位的本地回路信号数据，基于两组本地回路信号数据计算得到发送端或接收端的失衡参数，基于失衡参数计算发送端或接收端的增益比和相位差；
步骤三、在发送端和接收端的I路和Q路上均设置加法器和乘法器，所述加法器和所述乘法器用于补偿步骤二计算得到的增益比和相位差。
2.如权利要求1所述的宽带多通道射频收发机IQ失衡校正方法，其特征在于，FIR滤波器的系数的计算方法具体为：
采用最小均方算法，使E[|e(n)|2]值最小，
由I路得到的回路信号数据为d(n)，由Q路得到的回路信号数据为y(n)，采用最小均方算法计算，使得使E[|e(n)|2]值最小，其中，e(n)＝d(n)-y(n)，假设FIR滤波器的系数为w(n)，则
w(n+1)＝w(n)+μe(n)x(n) 公式1
其中，μ为自适应算法的步长，x(n)为测试信号数据，迭代计算得到FIR滤波器的系数的数值。
3.如权利要求1所述的宽带多通道射频收发机IQ失衡校正方法，其特征在于，发送端或接收端的增益比gT和相位差
Figure FDA0002747377440000029
的计算方法具体为：
测试信号为z(t)，当移相器的移相角为θ1时，得到本地回路信号为z(n)θ1，z(n)θ1由时域信号zM(n)和zI(n)组成，然后对时域信号zM(n)和zI(n)采用FFT方法计算得到峰值FLIθ1和FLMθ1；
测试信号为z(t)，当移相器的移相角为θ2时，得到本地回路信号为z(n)θ2，z(n)θ2由时域信号zM(n)和zI(n)组成，然后对时域信号zM(n)和zI(n)采用FFT方法计算得到峰值
Figure FDA0002747377440000021
和
Figure FDA0002747377440000022
Figure FDA0002747377440000023
zM(n)＝gejθz(t) 公式3
其中，g和ejθ是由本地回路所导致的增益和相位差；
Figure FDA0002747377440000024
E＝P-1F 公式5
Figure FDA0002747377440000025
Figure FDA0002747377440000026
根据公式2～公式7计算得到发送端或接收端由于上下变频而造成的失衡系数E、发送端的增益比gT、发送端的相位差
Figure FDA0002747377440000027
接收端的增益比gR、接收端的相位差
Figure FDA0002747377440000028
4.如权利要求3所述的宽带多通道射频收发机IQ失衡校正方法，其特征在于，移相角为θ2时，θ2＝0。
5.宽带多通道射频收发机IQ失衡校正装置，其特征在于，包括：
两个FIR滤波器，两个FIR滤波器分别设置在发送端和接收端的Q路上，其中，FIR滤波器的系数采用权利要求1中记载的方法计算得到；
两个延时单元，两个延时单元分别设置在发送端和接收端的I路上，其中，发送端的延时单元的参数与发送端上的FIR滤波器匹配，接收端的延时单元的参数与接收端上的FIR滤波器匹配；
加法器和乘法器，在发送端的I路和Q路上和接收端的I路和Q路上均设置加法器和乘法器，用于补偿发送端和接收端的增益比和相位差，增益比和相位差采用权利要求1中记载的方法计算得到。
6.宽带多通道射频收发机IQ失衡校正电路，其特征在于，包括：
两个FIR滤波器，两个FIR滤波器分别串联在发送端和接收端的Q路上，其中，FIR滤波器的系数采用权利要求1中记载的方法计算得到；
两个延时单元，两个延时单元分别串联在发送端和接收端的I路上，其中，发送端的延时单元的参数与发送端上的FIR滤波器匹配，接收端的延时单元的参数与接收端上的FIR滤波器匹配；
加法器和乘法器，根据增益比和相位差，并联和/或串联于I路和Q路上，发送端的I路和Q路上和接收端的I路和Q路上均设置加法器和乘法器，其中，增益比和相位差采用权利要求1中记载的方法计算得到。
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Denomination of invention: Method, device, and circuit for correcting IQ imbalance in broadband multi-channel RF transceivers

Effective date of registration: 20230615

Granted publication date: 20201201

Pledgee: Beijing first financing Company limited by guarantee

Pledgor: Beijing Litong Communication Co.,Ltd.

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Inventor after: Hou Weibing

Inventor after: Ye Yafei

Inventor after: Wang Ya

Inventor before: Lei Weilong

Inventor before: Hou Weibing