TWI309940B - Method and device for compensating iq imbalance - Google Patents

Description

1309940 ' 九、發明說明： \ 【發明所屬之技術領域】

. 本發鴨«於通訊线，尤指-種絲補償iq不平衡（IQ imbalance)之方法與裝置。 【先前技術】 在無線通訊領域中’超外差式接收器因為具有選擇性強、靈敏 • 度高等優點而被廣泛地應用^相較於超外差式接收器，直接轉換 接收器（directC〇nversi〇nreceiver)之架構具有以較低成本提供更 高性能的潛力。然而，由於IQ不平衡是直接轉換接收器必須解決 的問題’受到硬體方面的限制，其優勢卻未得以充分地發揮。本 '發明在於提供一個用來簡易估算IQ不平衡的方法，以便解決IQ 不平衡的問題。 【發明内容】 •本發明之目的之一在於提供用來補償接收器中IQ不平衡之方 法與裴置。 本發明之目的之一係提供用來補償接收器中IQ不平衡之方法 與裝置。其中，該接收器依據I/Q彼此的關聯性(c〇rrelati〇n)以估算 出補償係數後，再加以補償。 . 本發明之目的之一係提供用來補償接收器中IQ不平衡之方法 1309940 與裝置。該接收器無須利用已知的信號(例如：pilot或是testtone) - 來估算其補償係數。 本發明之目的之一係提供用來補償接收器中IQ不平衡之方法 與装置。該接收器可應用於無已知信號的系統。 本發明之目的之一係提供用來補償接收器中IQ不平衡之方法 > 與裝置。該接收器估算之補償係數不受載波頻率偏移（carrier frequency offset)的影響。 【實施方式】 ' 於一理想狀況下，該接收器所進行之解調變之結果係分 ‘別透雜I %與Q麵舰―步纽（例如：級、放大處理）， 以分別輸出-訊號I與-訊號q ’其中訊號χ與訊號Q係互相正 交。於-實際狀況下’接收ϋ所輸&之峨1，與訊糾，卻不互相 > 正交。 第1圖為使用的Γ-Q，座標來補償接收器之抑不平衡之一實施 例的示意®。雜第丨_^r_Q，賴與W麵之間的投影 關係，訊號i、Q、Γ、與Q，可分別寫成時間t的函輯)、Q(t)、r (0、與Q，(t) ’且具有如下列方程式所示之關係： /' (0 = (1 + f )(cos |)7(/) -(1 + £)(sin ^)Qit) ρ- (/) = -d - £)(sin |)/(〇 + (1 _ £)(c〇s e_)m 1309940 其〇代表增益誤差’ 代表綠誤差。上述之方程式為同業 所熟知’詳細内容可參考畢查德.拉扎維（BehzadRazav〇所著之 射頻微電子學（"RF Mieroeleetronies”，Prentiee Hall PRT, pl35 )。 百先假設I(t)之變異var(I⑼與Q(t)之變異var(Q⑼相等。其 次，依據上述之方程式來推導r(t)之變異var(r⑼與Q，(t)之變異 var(Q’(t))，如以下所示： ” var(· = (1+f)2㈣2 f)-_ _(1+|)如4) var_) ~ (1 + ~)2 (cos2 -- Sin2 var(/(〇) W(_ = (1-f)>2 昏)，⑹-G-gWfhar⑽） =0 --)2(cos21 - sin21) var(/(〇) 另，疋義兩增盈補償參數^^與^，如下列所示： \yar(Q'(t))

(3)； κ,

Vvar(/'(〇) = Υ 1 H—八 ρ (4)。 女此本發明可分別估算兩訊號r與q，的功率(即，平方值），並 依據上述估算來即時地調整訊號j，與q，中至少其中之一的增益， 1309940 以將味徑與Q路徑所分別輪出的訊號之功率調成—致，、 增益誤差。«本實細’經由上述增益輕後q路彳雄^修正― 上分別產生訊號Γ與訊號Q”，其中訊號〗，，與Q”可分別路^ 間t的函數Γ，⑴與Q” (t)。r(t)、Q，⑴、r, (t)、與=且”女成時 列所示之

Ί o' >(0' .Qn(t) .° KQ. Q\t)_ >(〇- ~Kj 0' '/'(0' 0 1 (5);或 ⑹。 即’本實施例可以調整訊號Γ與Q，中至少其中之一的增益來修正 ^益5吳差’其中增益補償參數Kq與Κι係分別用來調整訊號q，與 Γ 〇 、 此外，關於相位誤差的修正，首先計算I’(t)與Q，⑴的乘積(I，(t) Q’(t))之平均值mean(I，⑴Q，(t))，如以下所示： mean(r {t)Q (^)) = (i _ (f )^). mean{l(t)Q{t) -(I2(t) + Q2 (〇) sin θ) -~(1_ (~)2) ntean{l2 (t) + Q1 (t))sin Θ sin6U 〜 meanjr (t)Q'(t)) ⑺。 ~〇 -(|)2)·mean(l2(〇 + Q2(〇) 9 1309940 已知： sin 0 = 2 cos(昏)sin(昏） （8); 由於在Θ很小的情況下，餘弦函數cos(e/2)之值趨近於一，於是， 上式可改寫為：

sin ^ « 2 sin(—) 2 (9)〇

Sin(» 將方程式(7)代入方程式(9)，得： -1 sin(昏)》臺sin0 = |· mean{V {t)Q\t)) mean(I1 2(t) + Q2 (t))

由於(ε/2)2遠小於一，上式可改寫為： sin(f} 1 mean(F (t)Q'(t)) 2 mean(I2(t) + Q2 (/)) (10); 1- :os(|) = -Jl-sin2(|) (ll)〇 10 1 mean{r{t)Q\t))、 2

A{mean(I2(t) + Q2(t)Y 1309940 藉由上述料之絲，可估算得sin_與e_/2)，糾透過矩陣 運算來修正相位誤差。 在此定義經由本發明之相位調整後，〗路徑與Q路徑上分別產 生訊號Γ”與訊號Q，，，。承以上所述，I(t)、Q(t)、r(t)、Q，⑴、工”⑴、 Q (t)、I (t)、與Q’’’⑴具有如下列方程式所示之關係：

_ Θ . cos— 2 sin— 2 7"' Q"[ • θ sm— Θ cos— L 2 2J θ . Θ cos— sin— 2 2 (12)； .θ θ sin— cos— .2 2. Γ Q'

_ θ .Θ1 「 cos— 2 sin— 2 Ί 0 ' i+£ 2 0 'θ cos— .θ' —sin— 7' • Θ Θ 〇 2 2 sin— L 2 cos— 2」 0 .Θ -sin— Θ cos— Q. 2_ L 2 2 J 由於上式中最後個等號之右侧中的兩矩陣可依據方程式⑶進行 如下之化減： 0 ' M 〇] 2 1 Γ\" 0 KQ_ 0 1--L 2] 〇 i+£ L 2. =(i+f) 1 0 0 1 所以方程式(12)可被改寫如下： 1309940

β" (1 + f} O+f) θ . θ cos— sm— 2 2 • θ θ sin— cos— .2 2. θ . θ cos — sm— 2 2 • θ θ sin — cos— .2 2 Θ . θ' — -sin— 2 2 • θ Θ sin— cos— 2 2 cos

Q ：(1+l Θ .Θ •sin— 2 2 .θ Θ sm—— cos— 2 2 . 0 cos cos2 A-sin2(-) (1 + -)(cos2 (~) ~ sin2 (—)) L 2 、2 :(1 + |)(c〇s2 (昏)-sin2 (香)) I I / Oi 1- c

Q cos2 (|)-Sin2 (|)

Q 0

Q 其中係定義了 C = (1 + |)(c〇s2 (昏)_ sin2 (譬》。 對特定之增益誤差ε與相位誤差θ而言，C係為定值。因此 藉由使用本發明之方法所得到之訊號Γ”與訊號Q，，，係分别為該理 想狀況下的訊號I與訊號Q之還原。 …U 本發明藉由調整訊號Q，的功率（使用增益參數補償KQ)或調 整訊號Γ的功率（使用增益參數補償KO，即可修正增益誤差；另 外，藉由轉Si_2)與⑽⑼2)即可赠祕陣運算來修正相位誤 差。如此’即可還原出理想狀況下的訊號〗與訊號Q。 、 第2圖為本發明本發明之補償池之—實施例的示意圖。第3 圖為本發明之補償參數產生模組之—實施例的示意圖。圖 12 1309940 所示，補償模組11〇_1包含有一增益補償模組112與—相位補償模 組114。增益補償模組112包含有一乘法器，該乘法器依據補償參 數產生模組120-1所產生之增益補償參數KQ，於Q路徑上進行增 益補償。相位補償模組114包含有複數個乘法器與複數個算數單 元；這些乘法器與算數單元依據補償參數產生模組Uoq所產生之 相位補償參數A_sin與A—cos，於I路徑與Q路徑上進行相位補 償。依據本實施例，相位補償模組114中之兩算數單元係為加法 器。 ’ 如第3圖所示’補償參數產生模組包含有兩平方運算單 兀122-1與122-2、兩算數單元124與126、兩濾波器128-1與128_2 (於本實施例中係為迴路濾波器）、一乘法器13〇、兩平均運算單 元132-1與132-2、一除法運算單元134、以及一計算單元138， 其中算數單元124與126實質上分別為一減法器與一加法器，且 算數單元I24可利用-加法器與一反向器（Inverter)的組合來實 現。依據本實施例，濾波器128]與128_2可採用簡單的低通據波 器或平均運算單元來實現。 平方運算單兀122-1與122-2分別計算訊號Γ與訊號q，之平方 值。算數單元m計算訊號〗，與訊號Q，之平方值之差值，而據波 =128-1卿該紐進行舰，以產生增益補償參數Kq。另外， 异數單元I26將訊號Γ與訊號Q，之平方值之和，而平均運算單元 132-1則_和數進行平均運算，以產生—第—平均值。另—方 1309940 — 面，乘法器130計算訊號I，與訊號Q，之乘積，而平均運算單元132_2 則對該乘積進行平均運算，以產生一第二平均值。於是，除法運 异单το 134將該第-平均值除以該第二平均值以產生一商數，而 遽波器128-2則對該商數進行濾波，以產生相位補償參數入—也。 此外，計算單元138接收相位補償參數A—sin以產生相位補償參 數A_cos。依據帛3圖所示之架構，相位補償參數a—也與a—c〇s 係分別對應於方程式⑽與(11)之sin_與c〇_)。於本實施例 ⑩中’相位補償參數A-Sin係與轉/2)成正比，且相位補償參數 A_cos係與cos(e/2)成正比’其中上述兩正比關係的比例常數相同。 於本實施例之-變化例中，增益補償模組112中之該乘法器係 •改設置於1路徑上；該乘法器依據增益補償參數Κι，於1路徑上 .進行增益補償，其中增益補償參數KJ藉由計算1/κ_得知。另 ^若將減單元124之正、負輸人端改為分雜接至平方運算 單元122 2與122·卜則此狀況下，濾波器對算數單元124 _所之祕進_職_魅之料顯錄㈣&。其餘 重複之處不再贅述。 第4圖為本發明之補償參數產生模組之另—實施例的示意 圖。相較於補償參數產生模組12(M，補償參數產生模組12〇_2省 ，了异數早凡m、平均運算單元叫與咖、以及除法運算 早兀134，而是取代為-正負號偵測單元136。 14 1309940 ^正負號偵测單元136債測乘法器13〇所計算之該乘積的正負 生—正負號伽^結果’而濾波器l28_2則對該正負號债測 、、° 、仃濾波，以產生相位補償參數A_sin，。此外，計算單元I% 依據相位補償錄A—sin’a纽她猶雜A—咖，。 >第5圖為本發明之補償模組之另-實施例的示意®，其中本實 施例係為第2圖所示之實施例的變化例，而補償模組110-2可用來 籲代換上述之補償模組110-b如此，可省略一個乘法器。 第6圖為本發明之補償模組之另一實施例的示意圖，其中本實 把例亦為第2圖所示之實施例的變化例，而補償模組11〇_3可用來 ' 代換上述之補償模組110-1或110-2。在此不再贅述。 依據本發明之另一實施例，第3圖所示之閉迴路架構的左側所 輸入之訊號Γ與訊號Q’可分別代換為訊號厂，與訊號Q，，，，其中淚 Φ 波器128-1與128-2當中之每一者包含一積分器或包含具有至少一 極點（pole)的低通濾波器。依據本發明之另一實施例，濾波器 128-1與128-2可省略。 依據本發明之又一實施例’第4圖所示之閉迴路架構的左側所 輸入之訊號Γ與訊號Q’可分別代換為訊號I，”與訊號Q，，，，其中淚 波器128-1與128-2當中之每一者包含一積分器或包含具有至少一 極點的低通濾波器。 15 1309940 依據其它實施例，增益補償參數Kq與Κί可以由分別用來實現 方知式(3)與⑷之開迴路架構估算得知。另一實施例，相位補償參 數A_sm與A—cos (以及其所對應之sin(0/2)與c〇s(e/2))可以由分 別用來實現方程式(10)與(11)之開迴路架構估算得知。另一實施 例’相位補償參數A—sin與A—c〇s (以及其所對應之如㈣與 c〇s(0/2))也可以改由訊號〗，，與Q，，來運算而取得。 本發明針對IQ不平衡之補償同時考慮〗路徑與Q路徑之誤差 來進行理論料’作為論狀闕，故本發_實地提供對於接 收器中IQ不平衡之翻解決方案。本發明可廣泛應胁各種無線 通訊系統，並不限定只錢於正交分頻多工（〇rthGgQnai㈣職^ DMSi〇nMultiplexing，QFDM)的轉；對於非正交分頻多工架構 之通訊系統’本發明可以—併解決其獨路徑之間的不平衡之應 用瓶頸。 另外，本發明之較佳實施例中係藉由估算_/2)與c〇s(e/2) 來產生相位補償參數A—sin與A—⑽，其中θ係為該〗路徑盘該q 路徑之相健差：此係為實施上之触，並料本發明之限 制。依據本發明之其它實施例，亦可將第丨圖中叫，座標對卬 座_角度代換《它角度來進行相位補償參數A—如與A—⑽ 之估算，例如：將Q’軸與q軸之間的夾角以及〗，轴與〗轴之間的 夾角分別代換為(2Θ/3)與c_/3)，並不妨礙本發明之實施。 1309940 以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範 - 園所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。 【圖式簡單說明】 第1圖為使用的Γ-Q，座標來補償接收器之；[Q不平衡之一實施例 的不意圖。 第2圖為本發明之補償模組之一實施例的示意圖。 • 第3圖為本發明之補償參數產生模組之一實施例的示意圖。 第4圖為本發明之補償參數產生模組之另一實施例的示意圖。 第5圖為本發明之補償模組之另一實施例的示意圖。 第6 ®為本發明之補倾欧另―實細的示意圖。 【主要元件符號說明】 112 '——--- 補償模組 114 ~~~~~—-~~- 增益補償模組 相位補償模組 ιζυ-ι? 12U-2 - 補償參數產生模組 --- 1 —---- 10/1 1 ^ r~ ~~~~---- 平方運算單元 Λ. ^ X 19δ_ΐ ι ~~--~~__ 异數單元（減法器/加法器） ιζ〇-ι? ΐζ〇-2 - ι ~~~----_ 濾波器（迴路濾波器） 132-1 ν\Τΐ~~~~~--- 乘法器 ~~ 平均運算單元 1309940 134 除法運算單元 136 正負號偵測單元 138 計算單元 Γ,Γ’,Ι，，， I路徑上之訊號 Q，,Q，，,Q，，， Q路徑上之訊號 Kq, Κϊ 增益補償參數 Asin, Acos 相位補償參數

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Claims (1)

1309940 十、申請專利範圍： 1. -種餅-接收H之IQ不平衡之補償方法，該方法包含： 計算該接收ϋ之I路徑上—第—峨之平方值與該接收器之 Q路徑上-第二訊號之平方值之間的差值，且依據該差 值產生一增益補償參數； 計算該第-纖與該第二訊號之乘積，且依據該乘積產生一 第-相位爾她以及產生職該第—她補償參數 I 之一第二相位補償參數；以及 依據該增益補償參數、該第—她補償參數、無第二相位 補偵參數，於該I路徑與該Q路徑上進行補償。 2. 如㈣專利範圍第1項之方法，其中產生該增益補償參數之 步驟另包含： 對該差值進行濾波，以產生該增益補償參數。 ► 3.如申請專利範圍帛！項之方法，其中產生該第一相位補償參 數之步驟另包含： ’ 將該第-訊號之平讀與該第二訊號之平方值相加以產生一 和數； 對該和數進行平均運算，以產生一第一平均值； 對該乘積進行平均運算，以產生一第二平均值；以及 依據5亥第-平均值除以該第二平均值所得之商數以產生該第 一相位補償參數。 19 1309940 4.如申請專利範圍第1項之方法，其中產生該第一相位補償參 數之步驟另包含： 偵測該乘積之正負號，以產生一正負號偵測結果；以及 依據該正負號偵測結果以產生該第一相位補償參數。 5·如申請專利範圍第1項之方法，其中產生該第二相位補償參 數之步驟另包含： 依據該第一相位補償參數以產生該第二相位補償參數。 如申明專利範圍第1項之方法，其中於該以徑與該Q路徑 上進行補償之步驟另包含： 依據該增益補償參數對該I路徑與該Q路徑之至少其一來進 行增益補償；以及 依據該第-相位補償參數與該第二相位補償參數，於該工路 徑與該Q路徑上進行相位補償。 7.如中請專利範圍第i項之方法，其中於該㈣徑與該㈣徑 上進行補償之步驟另包含： 依據该增减償參數與該第—相位補償參數之乘積、該增益 2償參數與該第二她補償參數之乘積、該第一相位補 ，參數、與該第二相位補償參數，於該丨路徑與該〇路 k上進行增益補償與相位補償。 20 1309940 •如申請專利範圍第1項之方法，其中產生該第-相位補償參 =及4第—相位補償參數係n祕算sin(e/2)與⑺s_)來取 得，其中θ係為該〗路徑與該Q路徑之相位誤差。 種1Q不平衡補償裝置，位於一接收器中，該裝置包含： 補你參數產生模組，該補償參數產生模組計算該接收器之 • I路徑上一第一訊號之平方值與該接收器之Q路徑上一 第二訊號之平方值之間的差值，且依據該差值產生一增 盈補償參數’以及計算該第一訊號與該第二訊號之乘 積，且依據該乘積產生一第一相位補償參數以及產生對 ， 、，該第一相位補償參數之-第二相位補償參數；以及 • —池，雛魏麵參數衫额，时依據該增益 補償參數、該第-她補償錄、無第二相位補償參 B 數，於该I路徑與該Q路徑上進行補償。 说如申請專利範圍第9項之裝置，其中該補償參數產生模組包 含： 平方運算單元，时計算該第—減之付減該第二訊號 之平方值；以及 -第-算數單元，減至辭方運算單元，用來計算該第一 汛號之平方值與該第二訊號之平方值之間之該差值； 其中，该增盈補償參數係與該差值相對應。 21 1309940 11. 如申請專利範圍第9項之裝置，其中該補償參數產生模組包 含： 一乘法用來計算該第—訊號與該第二訊號之該乘積； 平方運算單70，用來計算該第—峨之平方值與該第二訊號 之平方值； -算數單元’絲將該第—訊號之平方值無第二訊號之平 ^ 方值相加以產生一和數； 第一平均運算單元，用來對該和數進行平均運算，以產生 一第一平均值； -第二平均運算單元，用紐該乘積進行平均運算，以產生 - 一第二平均值； 一除法運异單元，用來將該第一平均值除以該第二平均值以 產生一商數；以及 一濾波器，耦接至該除法運算單元，用來對該商數進行迴路 • 濾波，以產生該第一相位補償參數。 12. 如申請專利範圍第9項之裝置，其中該補償參數產生模組包 含： 一乘法器，用來計算該第一訊號與該第二訊號之該乘積；以 及 一正負遗偵測单元，搞接至該乘法器，用來摘測該乘積之正 負號，以產生一正負號偵測結果； 22 1309940 其中’該該第-相位補償參數係與該正負號偵測結果相對應。 13.=請專·_ 9項之裝置，其巾該補償參數產生模組包 補 償細蝴二相位 14. ^申，專利範圍第9項之裝置，其中該補償模組包含： '二補油組’用來依據該增益補償參數於該I路徑或該 —Q路徑或兩者路徑上進行增益補償；以及 —她補償她， 立補債參數，於該1路徑與該Q路徑上進行相位補償。 如申睛專利範圍第14 個乘法器與複數個算數單t置其中相位補償模組包括複數 16. 利!圍第9項之褒置，該補償模組包含： S複數個算數單元’用來依據該增益補償參數 數之乘積、該增益補償參數與該第 二相位::!積、該第—相位補償參數、與該第 _相2;於該1路徑與該Q路徑上進行增益補 1309940 17. 如申請專利範圍第9項之裝置，其中該接收器藉由估算 sin(0/2)與cos(0/2)來修正該！路徑與該q路徑之相位誤差， 其中Θ係為該I路徑與該q路徑之相位誤差。 18. —種用於一接收器之IQ不平衡之補償方法，包含： 比較該接收器之I路徑上一第一訊號與該接收器之q路徑上 一第二訊號之功率，以產生一增益補償參數； 藉由估算sin(0/2)與cos_)來產生一第一相位補償參數及一 第二相位補償參數，其中θ係為該J路徑與該Q路徑之 相位誤差；以及 依據該增益觀參數、料—她猶參數、與該第二相位 補償參數，於該I路徑與該Q路徑上進行補償。 19. 一種用於一接收器之IQ不平衡之補償裝置，包含： 一補煩參數產生器，用來比較該接收器之〗路徑上一第一訊 號與該接收器之Q路徑上—第二訊號之功率，以產生一 增益補償參數，以及藉由估算3记_與C〇_)來產生 一第一相位補償參數及一第二相位補償參數，其中❸係 為該I路徑與該Q路徑之相位誤差；以及 -補償模組，輕接該補償參數產生器，用來依據該增益補償 參數、該第-她麵參數、無第二她補償參數， 於該I路徑與該Q路徑上進行補償。 24 1309940 20. —種用於一接收器之iq不平衡之補償方法，包含： 比較該接收器之I路徑上一第一訊號與該接收器之Q路徑上 一第二訊號之功率，以產生一增益補償參數； 依據該第一訊號與該第二訊號的關聯性（c〇rrelati〇n)來產生 至少一相位補償參數；以及 依據該增益補償參數與該至少一相位補償參數，於該I路徑 與該Q路徑上進行補償。 21·如申請專利範圍第2〇項之方法，其中該至少一相位補償參數 包括一第一相位補償參數以及一第二相位補償參數。 22. 如申請專利範圍第21項之方法，其中該第一相位補償參數以 及該第二相位補償參數係藉由估算s_/2)與c〇s(0/2)來產生， 其中Θ係為該I路徑與該Q路徑之相位誤差。 23. —種用於一接收器之IQ不平衡之補償裝置，包含： 一補償參數產生器，用來依據該接收器之〗路徑上一第一訊 號與該接收器之Q路徑上一第二訊號之關聯性 (correlation )來產生一增益補償參數以及至少一相位補 償參數；以及 一補償模組，耦接該補償參數產生器，用來依據該增益補償 參數、該至少一相位補償參數，於該I路徑與該Q路徑 上進行補償。 25 1309940 24.如申請專利範圍第23項之裝置’其中該至少一相位補償參数 包括一第一相位補償參數以及一第二相位補償參數。 25.如，請專利難第Μ項之裝置，其中該第一相位補償參數以 X第—相位補償參數係藉由估算3城0/2)與⑽⑽)來產 ’其中_為該1路徑與該Q路徑之相位誤差。 十一、圖式： 26