一种自回环结构的收发联合频率选择性iq失衡估计与补偿方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于宽带无线通信技术领域，具体是自回环结构的收发联合频率选择性IQ 失衡的频域估计与补偿方法。
【背景技术】
[0002] 越来越多的设备都配备了无线通信功能，导致无线系统转向大宗商品市场。这意 味着无线产品的价格竞争大，致力于创造追求低成本解决方案。这在多天线系统尤其是个 问题，因为他们需要多个射频（RF)前端。此外，越来越多的无线标准需要灵活的解决方案， 以便同时支持多个标准协议。
[0003] 直接变频在满足这些需求上是很有前途的概念。因为它不需要外部中频（IF)滤 波器和镜像干扰滤波器，使收发机容易集成化、小型化。在移动终端如手机等小型化、集成 化要求较高的通信系统中有重要的应用价值。
[0004] 常见的收发机方案可以分为两种：直接变频方案与超外差方案，前者又称为零中 频方案，可通过模拟/数字正交解调实现。然而，由于物理器件的缺陷，在上下变频的过程 中，容易造成I和Q两路信号的幅度失真和相位偏差，即IQ失衡，引入镜像干扰。IQ失衡会 导致信号星座图失真，严重限制接收机获得同步的能力，使输出信号产生邻道功率泄漏干 扰，使EVM指标恶化，由此带来误码率的提高。为了克服这些问题，一般有两种解决方法：
[0005] 1)采用性能更好的RF器件。这种方法会使接收机价格上升。
[0006] 2)在基带采用数字补偿技术，克服射频缺陷。这种方法可以使得发射机、接收机的 成本随着芯片工艺的提高一直下降。因此被大量使用。
[0007] 随着数字信号处理技术的发展，在数字域中对IQ失衡进行估计并消除IQ失衡对 系统性能的影响是可以实现的。本发明提出一种自回环结构的收发联合频率选择性IQ失 衡估计和补偿算法。
【发明内容】
[0008] 发明目的：针对射频前端存在的IQ两路信号的幅度失真和相位偏差问题以及不 同的频率响应问题，本发明提供了一种自回环结构的收发联合频率选择性IQ失衡估计与 补偿方法，通过设计的自回环结构，在频域同时对收发机的失衡参数进行估计，然后根据估 计出的参数，对发射端的和接收端的IQ失衡分别进行补偿。
[0009] 技术背景：定义发射机的失衡因子为yT(n)和0T(n)，可分别表示为：
[0012] 式中，&和巾汾别表示发射机的幅度和相位失衡，huOi)和hQ,T(n)分别表示发
[0010]
[0011]
[0013] 射机的I和Q两支路对信号不同的频率响应。同理，我们定义接收机失衡因子yK(n)和 0R(n)，分别表不为：
[0014]
[0015] 式中，巾汾别表示发射机的幅度和相位失衡，hu(n)和hQ,K(n)分别表示接 收机中I和Q两支路对信号不同的频率响应。
[0016] 通过推导，可得出发射机和接受机的IQ失衡模型都可表示为：
[0017] y(n)=y(n)?x(n)+P(n)?x*(n)(公式 5)
[0018] 其中y(n)和(n)表示失衡因子，x(n)为原始信号，y(n)为失衡后的信号，符号 ?代表卷积，（.）*代表共轭。
[0019] 技术方案：为了实现上述发明目的，本发明提出一种自回环结构的收发联合频率 选择性IQ失衡估计与补偿方法，对发射机和接收机的频率选择性IQ失衡进行估计和补偿， 包括如下步骤：
[0020] 1)将信号的上变频单元和下变频单元直接级联起来，形成自回环结构，得到第一 失衡模型；通过一个90°相移器将上变频单元和下变频单元再次级联起来，形成另一个自 回环结构，得到第二失衡模型。
[0021] 第一失衡模型的时域形式可以表示为：
[0022]
)
[0023] 式中，x(n)为发射信号，y(n)为接收信号，s(n)为上变频后的等效基带信号。
[0024] 第二失衡模型的时域形式可以表示为：
[0025]
[0026] 式中，x(n)为发射信号，y(n)为接收信号，sjn) =s(n) ?ej"/2=js(n)为上变 频等效基带信号经过90°相移器后的输出信号。
[0027] 公式6和7是时域上的表达式，对其做离散傅里叶变换（DFT)，将其转换到频域，则 公式6、7转变为如下式形式：
[0028]
[0029] 式中，X(k)和Y(k)分别为对应的频域信号，Y00和0 (k)为对应的频域失衡参 数，N表示频点的总个数。
[0030] 2)运用频域训练序列，经过两个自回环结构得到两个级联方程组，对级联方程组 进行求解，分别估算出发射机和接收机IQ失衡各频点补偿所需的参数；所述发射机和接收 机各频点的补偿系数的求解方法为：
[0031] 2. 1)计算发射机和接收机的频域失衡参数；
[0032] 设发射两段不同的频域复数序列& (k)和X2 (k)，经过IQ失衡后，收到的频域信号 为t(k)和Y2 (k)，联立失衡模型频域形式的两个方程，可得：
[0033]
[0034] 对公式9进行求解，可求得Y(k)和0 (k)，表示为：
[0035
[0036] 针对两种自回环结构，使用上述的频域训练序列通过两种失衡模型，分别求出对 应的频域失衡参数y: (k)、0 : (k)和y2 (k)、0 2 (k);
[0037] 2. 2)计算接收机和发射机各频点的补偿系数，具体公式为：
[0038]
[0039] 式中，WT(k)为发射机各频点的补偿系数，WK(k)为接收机各频点的补偿系数。
[0040] 3)根据各频点的补偿系数，在频域分别对发射机和接收机的频率选择性IQ失衡 进行补偿，具体方法为：
[0041] 在信道估计/均衡前，对发射信号在频域进行预补偿，具体公式为：
[0042] Ypre(k) =X(k)-ffT(k)X*(N-k) (公式 12)
[0043] 其中，X(k)为发射信号，Yp,e(k)为预补偿后的信号；如果我们估计出WT(k)，并且 在信道估计/均衡前对发射信号进行预补偿，上变频引起的信号的镜像干扰能够被完全补 偿，而剩余的部分将在的信道估计/均衡时被补偿。
[0044] 在信道估计/均衡前，对接收信号进行补偿，具体公式为：
[0045] Ycomp(k) =Y(k)-ffE(k)Y*(N-k) (公式 13)
[0046] 其中，Y(k)为接收信号，Y_p(k)为补偿后的信号。如果我们估计出WK(k)，且在信 道估计/均衡前对信号进行补偿，下变频引起的镜像干扰能够被完全补偿，而剩余的部分 将在的信道估计/均衡时被补偿。从而发射机和接收机的IQ失衡在本发明的方案下得到 补偿。
[0047] 有益效果：本发明提出的自回环结构的收发联合频率选择性IQ失衡估计和与补 偿方法，在正式的无线通信过程开始前对发射机和接收机的频率选择性IQ失衡进行补偿， 在低复杂度的开销下，消除失衡给系统性能带来的性能影响，从而实现更有效的通信。从仿 真结果看出，对比经过频率选择性IQ失衡而未补偿的情况，本发明的方案使整个系统的性 能明显地提高了，并接近于没有IQ失衡存在的情况。
【附图说明】
[0048] 图1是是本发明实施例所采用的自回环结构框图；
[0049] 图2是本发明的方法流程图；
[0050] 图3是本发明的信号在频域的IQ失衡框图；
[0051] 图4是本发明的信号在频域的IQ失衡补偿框图；
[0052] 图5是本发明具体实施例中的性能对比图，仿真参数为4发射天线，4接收天线，单 载波，16QAM(QuadratureAmplitudeModulation，QAM)调制；
[0053] 图6是本发明具体实施例中的另一性能对比图，仿真参数为4发射天线，4接收天 线，单载波，64QAM(QuadratureAmplitudeModulation，QAM)调制。
【具体实施方式】
[0054] 下面以毫米波无线局域网（IEEE802.llaj)为例，结合附图对本发明收发联合频 率选择性IQ失衡自回环结构估计与补偿方法作进一步详细说明。应理解这些实施例仅用 于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发 明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利。
[0055] 本发明实施例中，IEEE802.llaj支持两种带宽540MHz和1080MHz，我们选择 540MHz。为了仿真对比，本实施例定义了仿真参数见表1。
[0056] 表1仿真参数设置
[0057]
[0058] 如图2所示，以毫米波无线局域网（IEEE802.llaj)为例，一种自回环结构收发联 合的IQ失衡估计与补偿方法，包括以下步骤：
[0059] (1)步骤1 :发射机和接收机都存在IQ失衡，根据参考文献，定义发射机的失衡因 子为yT (n)和0T (n)，分别表不为：
[0062] 其中，&和巾汾别表示发射机的幅度和相位失衡，huOi)和hQ,T(n)分别表示发
[0060]
[0061] 射机中I和Q两支路对信号不同的频率响应。在本实例中，&为ldB，(i>TS3°= [l，0.04，-0.03]，hQ,T(n) = [1，-0.04,-0.03]。
[0063] 同理，我们定义接收机失衡因子YB(n)和Kn)，分别表示为：
[0064]
[0065]
[0066] 其中，g