一种宽带零中频收发系统失真补偿装置
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体提出了一种无需额外标准设备，即可同时完成宽带零中频收发系统收发两端I/Q不平衡估计与补偿的技术，具体来说，是一种宽带零中频收发系统失真补偿的装置。
背景技术
随着近几年无线通信技术朝着高速化、小型化、集成化方向不断发展，零中频式收发机相较于超外差式，由于其低成本、易于集成等优势备受青睐，其基本结构如图1所示。然而，由于实际中的正交调制器无法精确地控制I、Q通道具有一致的幅度和90°相差，从而会导致I、Q两通道信号间的干扰，降低收发机的通信质量。这种由于正交调制器的非理想特性引起的非线性失真被称为I/Q不平衡。而且，随着信号带宽的增加，零中频结构中的低通滤波器将会使得I/Q不平衡参数具有频率相关性，进一步恶化收发效果。
零中频收发机的I/Q不平衡估计方法常用的有盲估计、FIR滤波器模型和基于导频信号求解通道响应等方法，其中FIR滤波器模型对于校正频率相关的I/Q不平衡具有较强的适用性和准确度。但是现有的这些方法往往需要一个相对理想的收(发)端，在不引入其他非线性失真的情况下对发射(接收)端的失真进行估计与补偿。然而当收发两侧都存在I/Q不平衡的失真时，如图2所示，接收到的信号将包含发射、接收两种成分的失真，这时若采用传统的I/Q校正方法将无法同时保证发射端、接收端的信号质量。
因此，当发射机、接收机的I/Q不平衡失真混叠在一起时，如何分隔这两种失真并分别给予补偿校正，是目前一个亟待解决的问题。
发明内容
针对在背景技术分析中所指出的矛盾性问题，本发明旨在提出一种联合估计与补偿发射机/接收机I/Q不平衡的方法。
本发明基于传统的FIR滤波器模型分别对发射端、接收端的I/Q失真进行建模。为了分别求解出收发两端的模型参数，在收发通道中加入一个非线性特征已知的单输入单输出模块来分隔收发端I/Q失真的影响，具体的I/Q不平衡估计与补偿技术方案与装置如下：
一种宽带零中频收发系统失真补偿装置，该装置包括：测试信号生成模块、发射机补偿模块、零中频发射机、非线性模块、零中频接收机、接收机补偿模块、基带处理模块；测试信号生成模块生成的信号分为两路，一路直接输入给零中频发射机，另一路通过发射机补偿模块后输入给零中频发射机；零中频发射机的输出信号经过非线性模块后传输给零中频接收机，零中频接收机的发出的信号通过接收机补偿模块后传输给基带处理模块；基带处理模块接收到信号后根据测试信号生成模块的生成信号对发射机补偿模块和接收机补偿模块的补偿参数进行调整，将调整好补偿参数的发射机补偿模块和接收机补偿模块用于实际的零中频发射电路和零中频接收电路；
所述发射机补偿模块和接收机补偿模块结构完全相同，所述发射机补偿模块包括：四个FIR滤波器、两个加法器，四个FIR滤波器分别为：第一到第四FIR滤波器，两个加法器分别为：第一加法器和第二加法器，所述发射机补偿模块的输入分为I、Q两路，I路输入第一和第二FIR滤波器，Q路输入第三和第四FIR滤波器，第一FIR滤波器的输出、第三FIR滤波器的输出、直流偏移di共同输入第一累加器，第二FIR滤波器的输出、第四FIR滤波器的输出、直流偏移dq共同输入第二累加器，第一累加器的输出为发射机补偿模块的I路输出，第二累加器的输出为发射机补偿模块的Q路输出；
所述发射机和接收机I/Q不平衡失真参数计算方法为：
步骤1：定义：H(a11,a12,a21,a22,di,dq,x)为发射机失真等效模型，P(b11,b12,b21,b22,ei,eq,x)为接收机失真等效模型，F(c1,c2,c3,…,x)为插入的非线性函数；则有
其中，x为测试信号生成模块的生成信号，y为基带处理模块接收到接收机传输来的信号，x′、y′为中间信号，{a11,a12,a21,a22,di,dq}、{b11,b12,b21,b22,ei,eq}分别为待估计的发射机、接收机I/Q失衡模型参数，a11、a22分别为发射机I、Q通道的带内响应，a12,a21表示发射机I、Q通道的相互串扰，di、dq分别代表发射机I、Q两通道的直流偏移，b11、b22分别为接收机I、Q通道的带内响应，b12,b21表示接收机I、Q通道的相互串扰，ei、eq分别代表接收机I、Q两通道的直流偏移，{c1,c2,c3,…}为已知的插入的非线性函数中的参数；
步骤2：进行迭代计算发射机失真参数和接收机失真参数；
定义代价函数Jk为：
Jk＝E[|yk-x|2]
其中，yk为第k次迭代时基带处理模块接收到接收机传输来的信号；
定义参数更新方程为：
{a11,a12,a21,a22,di,dq,b11,b12,b21,b22,ei,eq}k+1
＝{,a12,a21,a22,di,dq,b11,b12,b21,b22,ei,eq}k+f(σ,Jk)
其中f(σ,Jk)为与迭代因子σ和第k次迭代的均方误差Jk相关的迭代函数，它由具体的优化算法确定，那么通过多次迭代更新模型参数，可以找到一组最优解
进一步的，所述非线性模块为二极管、或三极管、或低噪声放大器。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
能够联合求解发射端、接收端的I/Q不平衡的模型参数，同时提高收/发信机的性能。不需要额外设计发射/接收回路或者需要额外的标准设备，同时对于选用的非线性器件没有要求，只需要已知其非线性特征即可，一方面降低了校正的成本，另外也具有相对较大的灵活性。
附图说明
图1为零中频收发机的基本结构，图左为零中频发射机，图右为零中频接收机。
图2为收发两侧失真示意图，当发射机、接收端都存在非线性失真时，接收到的信号将包含发射端、接收端引入的两种失真成分。
图3为本发明提出的宽带零中频收发系统失真补偿方法流程图。
图4为本发明提出的宽带零中频收发系统失真补偿装置图(参数估计部分)。
图5为本发明在I/Q不平衡参数估计时发射机、接收机以及插入的非线性器件等效模型结构图。
图6为对图5中各部分模型的简化表示示意图。
图7为本发明中采用的I/Q补偿的示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。
本发明提出的宽带零中频收发系统失真补偿的方法主要可以分为五部分，其基本流程如图3所示。
一种宽带零中频收发系统失真补偿的方法，该方法包括：
(1)建立发射机、接收机I/Q不平衡等效模型，如图5所示：
由于接收机采用与发射机相同的I/Q失衡模型结构，这里仅以发射端来说明它们的结构：信号分为I、Q两路传输，但是低通滤波器和正交调制器的非线性特性导致I、Q通道响应发生了失真和混叠，这种影响可由a11、a12、a21、a22四个实数FIR滤波器表示，其中a11、a22分别为I、Q通道的带内响应，a21、a12表示I、Q通道的相互串扰。另外，di、dq分别代表I、Q两通道的直流偏移。最终发射机I/Q不平衡模型可表示为：
x′＝(a11*Real(x)+a12*Imag(x)+di)+1j·(a21*Real(x)+a22*Imag(x)+dq)
上式可简化表示为x′＝H(a11,a12,a21,a22,di,dq,x)，其中{a11,a12,a21,a22,di,dq}为待求解的发射机I/Q不平衡参数；
(2)由于非线性系统不满足叠加定理，在发射-接收通道中间插入一个非线性特性已知的单输入单输出射频元器件后(包括但不限于二极管、三极管、低噪声放大器等)，便可以有效区分收发两端的非线性行为，图5中y＝F(c1,c2,c3,…,x)为插入的单输入单输出元器件对应的已知非线性函数。
(3)上位机程序产生多组基带测试信号，通过UART、WLAN、UART、PCIe等方式发送到发射机，经发射机D/A转换、上变频到射频域，然后射频信号在通过非线性器件后经过接收机下变频、A/D转换后将采集的输出信号发送到上位机；
(4)最后根据多组测试数据，通过神经网络、遗传算法等优化算法来迭代求解发射端、接收端的不平衡参数，直到模型的估计输出与实测输出的误差达到要求；
下面将简要阐述使用优化算法求解模型参数的过程。
步骤1：为了便于分析，将图5各部分作简化表示，首先定义：H(a11,a12,a21,a22,di,dq,x)为发射机失真等效模型，P(b11,b12,b21,b22,ei,eq,x)为接收机失真等效模型，F(c1,c2,c3,…,x)为插入的非线性函数，如图6所示，那么
其中，x为测试信号生成模块的生成信号，y为基带处理模块接收到接收机传输来的信号，x′、y′为中间信号，{a11,a12,a21,a22,di,dq}、{b11,b12,b21,b22,ei,eq}分别为待估计的发射机、接收机I/Q失衡模型参数，{c1,c2,c3,…}为已知的插入的非线性函数中的参数。
步骤2：进行迭代计算发射机失真参数和接收机失真参数；
定义代价函数Jk为：
Jk＝E[|yk-x|2]
其中，yk为第k次迭代时基带处理模块接收到接收机传输来的信号；
定义参数更新方程为：
{a11,a12,a21,a22,di,dq,b11,b12,b21,b22,ei,eq}k+1
＝{,a12,a21,a22,di,dq,b11,b12,b21,b22,ei,eq}k+f(σ,Jk)
其中f(σ,Jk)为与迭代因子σ和第k次迭代的均方误差Jk相关的迭代函数，它由具体的优化算法确定，那么通过多次迭代更新模型参数，可以找到一组最优解
(5)失真补偿部分建立在求解出收发两端I/Q不平衡模型参数的基础上。由于I/Q补偿方案采用与不平衡模型相同的结构，所以通过矩阵求逆可以比较方便地求解出补偿结构的模型参数，最终的补偿结构如图7所示，分别是在发射前端加入一个预处理模块H-1{*}以补偿发射端的I/Q失衡，在接收后端加入一个后处理模块P-1{*}来抵消接收端的I/Q失衡。
基于前述零中频收发系统失真补偿的方法，本发明描述了一种用于补偿宽带零中频收发系统失真的装置，该装置按功能主要分为参数估计与失真补偿两部分。参数估计部分如图4所示，包括：测试信号生成模块、零中频发射机、非线性模块、零中频接收机、基带处理模块；失真补偿部分主要为发射机补偿模块与接收机补偿模块。在参数估计部分中，测试信号生成模块生成的信号分为两路：一路传输给基带处理模块，另外一路直接输入给零中频发射机；零中频发射机的输出信号经过非线性模块后传输给零中频接收机；零中频采集到系统失真信号后将其传输给基带处理模块；基带处理模块接收到信号后根据测试信号生成模块的生成信号估计出发射机、接收机的I/Q不平衡模型参数，进而求解出发射机补偿模块、接收机补偿模块的补偿系数。失真补偿部分中的发射机补偿模块和接收机补偿模块则采用与失真模型相同的结构，并根据上述求得的补偿参数对实际的零中频发射电路和零中频接收电路进行失真补偿。
