CN1941721A - 宽带正交解调不平衡测量和补偿方法及测量设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通信技术领域，特别是一种宽带正交解调不平衡测量和补偿方法。其步骤如下：步骤S1，通用测试仪器搭建了自动测试***；步骤S2，在测试频带内采集正交解调测试数据；步骤S3，对步骤S2采集的数据进行处理，获得整个测试频带内的幅相不平衡测量；步骤S4，对步骤S3测量的带内幅相不平衡进行分类处理；步骤S5，将S4获得的两类幅相不平衡输入到幅相不平衡校正模块中，实现误差的校正。

Description

宽带正交解调不平衡测量和补偿方法及测量设备

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别是一种宽带正交解调不平衡测量和补偿方法。

背景技术

在雷达和通讯中经常采用正交解调将接收信号分成幅度相等，相位正交(90度)的I/Q两路，再进行AD变换和处理。由于器件的不理想性，在两路之间必然存在幅度不一致和相位差偏离90度的问题，即所谓的幅相不平衡问题。幅相不平衡的存在将导致输出信号中寄生镜频分量，使输出信噪比下降。在窄带接收机中，由于带宽较窄，可以通过精心调试电路将幅相不平衡控制在较小的范围。随着接收机带宽的增加，幅相不平衡的控制越来越困难。而且，随着带宽的增加，幅相不平衡的现象也越来越复杂。在窄带接收机中可以近似认为幅相不平衡是不随频率变化的，在宽带接收机中，这种假设不成立。另外，正交解调模块中的功率分配器、混频器、滤波器均会引入幅相不平衡，在输出信号中，这些误差耦合在一起，如不能加以区分，很难进行针对性的调试或校正。

消除正交解调幅相不平衡的办法有两种：一、通过精心调试正交解调电路实现IQ幅相正交，在宽带接收机中，这种办法不现实；二、通过测试获得正交解调电路的幅相不平衡误差，利用信号处理对幅相不平衡进行补偿。这种方法具有灵活、准确的特点，适于宽带正交解调不平衡的校正。

目前，有两类正交解调不平衡测试方法。一类是直接利用接收机的回波信号，提取幅相不平衡参数，这种方法的优点是不需要额外的配套设备，可以随时测量正交解调模块的误差；由于采用的是统计的方法，缺点是误差较大，而且只能测量不随频率变化的幅相不平衡，不适于宽带***。另外一类是基于仪器测量的方法可以精确测量随频率变化的幅相不平衡，但缺点是灵活性差，只能在实验室测量，而且随着测试频点的增加，测试工作效率低。以上两类方法存在一个共同的缺点是不能区分由于混频器和滤波器引起的幅相不平衡，无法为有针对性的精确校正提供依据。

发明内容

针对宽带正交解调模块的幅相不平衡的测量和校正问题，国内外解决该问题的思路是通过专用仪器对幅相不平衡进行测量，然后通过调整电路来消除该误差，或通过信号处理的手段来消除误差。我们的思路是采用自动测试的手段在整个测试频带内自动测量待测模块的不平衡特性，在测试带宽比较宽，测试频点密度大时，可以大大提高工作效率；另外，我们通过分析发现了正交解调模块中不同来源的不平衡特性对***的影响不同，校正的方法也需要有所区别，所以我们在对测试数据的处理中采用了幅相不平衡分类方法对不同来源的幅相不平衡进行了分类。在幅相不平衡校正中，我们考虑了针对不同来源的幅相不平衡进行不同的、有针对性的校正。相对常规方法，我们提出的方法效率更高、更加准确。

附图说明

图1是自动测试仪器连接图。

图2是正交解调器的电路图。

图3是***IQ误差校正示意图。

图4是LO相位误差校正示意图。

图5式本发明的宽带正交解调不平衡测量和补偿方法流程图。

具体实施方式

我们提出了一种基于仪器测量的随频率变化幅相不平衡精确测量和校正方法。该方法可以有效区分不同误差源引入的幅相不平衡；该方法采用自动测试手段，大大提高了测试效率；该方法可以实现有针对性的幅相不平衡校正，提高了校正精度。

测试设备包括：信号源、数字示波器、控制计算机、GPIB电缆等；待测件为正交解调模块或接收机。仪器连接如图1。控制计算机通过GPIB电缆控制信号源产生所需要的测试信号；测试信号输入到正交解调模块的输入端，解调后的I/Q输出分别输入到数字示波器的两个输入通道。数字示波器采集I/Q信号后，通过GPIB电缆送给控制计算机进行处理。

对于宽带正交解调测量，由控制计算机发出控制指令，让信号源在测量频带内产生对应频率的测试信号，然后由控制计算机控制数字示波器采集解调结果。以上过程均由程序控制，不需要人来参与，可以大大提高工作效率。

对于如图2所示的正交解调器，如果输入信号为：

x(t)＝Acos2πf_ct

本振LO信号为：

x(t)＝A_LOcos2πf_LOt

90度移相后，由于存在移相误差，输出信号为：

x(t)＝A_LOsin(2πf_LOt+θ)

由于两个通道内的低通滤波器和其他器件也会引入幅频和相频不平衡，假设在测试频率f_c，其引入的幅频和相频不平衡为A_e，和_e。则存在误差的正教解调接收机的I/Q输出为：

I(t)＝A_ocos[2π(f_LO-f_c)t]

Q(t)＝A_oA_esin[2π(f_LO-f_c)t++θ]

利用上面介绍的测试方法可以采集接收机输出的I/Q信号。测试信号的频点f_cn应该覆盖正交解调器的工作频带。因此，可以获得一组测试结果。对I通道信号和Q通道信号分别进行希尔伯特变换和傅立叶变换可以获得如下信号：

比较处理后两路信号输出峰值的幅度和相位可以获得在该测试频点的幅度不平衡A_e和相位不平衡+θ。对工作频带内所有测试频点重复以上处理，既可获得随频率变化的幅度和相位不平衡曲线。

图3是***IQ误差校正示意过程

通过上面的处理已经获得了***的幅相不平衡，但是为了精确补偿***的幅相不平衡，特别是相位不平衡，还需要区分由于本振移相器引入的相位不平衡θ，以及由于低通滤波器等不一致导致的相位不平衡，然后分别进行补偿。假设α为通过测试获得的相位不平衡。则更加与θ的性质，可以利用如下公式来计算：

$\mathrm{\θ}(f_{\mathrm{LO}}+\mathrm{\Δf})=-\mathrm{\θ}(f_{\mathrm{LO}}-\mathrm{\Δf})=\frac{\mathrm{\α}(f_{\mathrm{LO}}+\mathrm{\Δf})-\mathrm{\α}(f_{\mathrm{LO}}-\mathrm{\Δf})}{2}$

在已经获得IQ误差测量曲线，和相应的误差类型的前提下可以采用数字信号处理的方式对AD采样后的信号进行正交解调幅相不平衡的校正。设若已知本振LO造成的相位误差为θ，由于IQ通道低通滤波器和其他通道不一致造成的随频率变化的相位误差和幅度误差分别为(f)和A_e(f)，则IQ通道的幅相不平衡补偿方案如图3所示：

图4是LO相位误差校正示意过程

首先，对于LO相位误差θ采用如下方式校正，

$x_{\mathrm{qc}}\left(t\right)=\frac{x_q\left(t\right)}{\cos \left(\mathrm{\θ}\right)}-x_i\left(t\right)\tan \left(\mathrm{\θ}\right)\·\·\·1$

对校正LO相位误差后的信号进行FFT运算，然后在频域校正随频率变化的正交解调相位不平衡(f)和幅度不平衡A_e(f)；

$X_{\mathrm{QC}}=F\left[x_{\mathrm{qc}}\left(t\right)\right]\·\·\·2$

校正后可以获得无IQ误差的IQ信号x_I(t)和x_Q(t)。

图5的宽带正交解调不平衡测量和补偿方法，其具体步骤如下：

步骤S1，利用信号源、数据采集设备、控制计算机、控制电缆等构建正交解调幅相不平衡自动测试***，控制计算机协调各个测试仪器完成对正交解调模块的测试数据的采集；

a、首先利用高频电缆连接测试仪器与待测模块，本振模拟信号源输出连接待测正交解调模块的本振输入，高频信号源输出连接待测模块的信号输入，待测模块的I/Q输出连接双通道数据采集设备；

b、其次，利用控制电缆连接控制计算机、高频信号源、和双通道数据采集设备；

c，控制计算机通过控制电缆控制高频信号源在测试频带内对测试频点扫描，并同时控制数据采集设备同步采集并存储正交解调模块的IQ解调输出数据；

步骤S2，对步骤S1采集的数据进行处理，首先，通过对信号进行Hilbert变换，然后进行Fourier变换，在测试频点对两个通道的变换结果进行比较，可以获得该频点的幅度和相位不平衡测量值，对测试频带内所有测试频点重复以上步骤可以获得整个测试频带内的幅相不平衡测量；

步骤S3，对步骤S2测量的带内幅相不平衡进行分类处理，以测试频带的中心频率为零点，幅相不平衡中以该零点对称的部分为由于低通滤波器引入的误差；幅相不平衡中以零点反对称的部分为由于本振移相器和混频器引入的误差；

步骤S4，将S3获得的两类幅相不平衡输入到幅相不平衡校正模块中，该模块为嵌入到IQ数据采集设备中的软件，其输入为IQ双通道数据，该模块首先通过三角函数关系，实现对由本振移相器和混频器引入的误差的补充，然后对数据进行Fourier变换，在频域实现由于低通滤波器引入的误差的校正。

精华点：

1、基于仪器测量，可以区分混频器和滤波器误差的IQ幅相不平衡的测量方案和后处理方法；

2、可以分别校正混频器和滤波器引入的IQ幅相不平衡的数字校正方法。

Claims (2)

1.一种宽带正交解调不平衡测量和补偿方法，将信号源、数据采集设备仪器搭建成为正交不平衡自动测量***，完成对正交不平衡数据的采集，利用数字信号处理完成对采集的数据的分析获得待测器件的幅度和相位不平衡特性，而后将测量的结果输入到正交解调幅相不平衡校正模块中，实现无失真的正交解调，其具体步骤如下：

步骤S1，利用信号源、数据采集设备、控制计算机、控制电缆等构建正交解调幅相不平衡自动测试***，控制计算机协调各个测试仪器完成对正交解调模块的测试数据的采集；

a、首先利用高频电缆连接测试仪器与待测模块，本振模拟信号源输出连接待测正交解调模块的本振输入，高频信号源输出连接待测模块的信号输入，待测模块的I/Q输出连接双通道数据采集设备；

b、其次，利用控制电缆连接控制计算机、高频信号源、和双通道数据采集设备；

c、控制计算机通过控制电缆控制高频信号源在测试频带内对测试频点扫描，并同时控制数据采集设备同步采集并存储正交解调模块的IQ解调输出数据；

步骤S2，对步骤S1采集的数据进行处理，首先，通过对信号进行Hilbert变换，然后进行Fourier变换，在测试频点对两个通道的变换结果进行比较，可以获得该频点的幅度和相位不平衡测量值，对测试频带内所有测试频点重复以上步骤可以获得整个测试频带内的幅相不平衡测量；

步骤S3，对步骤S2测量的带内幅相不平衡进行分类处理，以测试频带的中心频率为零点，幅相不平衡中以该零点对称的部分为由于低通滤波器引入的误差；幅相不平衡中以零点反对称的部分为由于本振移相器和混频器引入的误差；

步骤S4，将S3获得的两类幅相不平衡输入到幅相不平衡校正模块中，该模块为嵌入到IQ数据采集设备中的软件，其输入为IQ双通道数据，该模块首先通过三角函数关系，实现对由本振移相器和混频器引入的误差的补充，然后对数据进行Fourier变换，在频域实现由于低通滤波器引入的误差的校正。

2.一种宽带正交解调不平衡测量设备，包括：信号源、数字示波器、控制计算机、GPIB电缆；待测件为正交解调模块或接收机，控制计算机通过GPIB电缆控制信号源产生所需要的测试信号；测试信号输入到正交解调模块的输入端，解调后的I/Q输出分别输入到数字示波器的两个输入通道，数字示波器采集I/Q信号后，通过GPIB电缆送给控制计算机进行处理。

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