CN100508508C - 相移键控接收机中振幅和相位不平衡的校正方法及相应信号平衡器 - Google Patents

相移键控接收机中振幅和相位不平衡的校正方法及相应信号平衡器 Download PDF

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Abstract

一种用在正交相移键控系统中的信号平衡器，包括：分别连接到具有一输出的第一I可调整增益放大器和具有一输出的第一Q可调整增益放大器的I信号输入端和Q信号输入端；I加法器，具有一连接到第一I放大器输出的第一I加法器输入，一连接到第一Q放大器输出的第二I加法器输入，以及一I加法器输出；Q加法器，具有一连接到第一Q放大器输出的第一Q加法器输入，一连接到第一I放大器输出的第二Q加法器输入，以及一Q加法器输出；控制第一I和Q放大器增益的装置，包括：连接到I和Q加法器输出并产生一交叉相关乘积的交叉相关装置；连接到第一I和Q可调整增益放大器的交叉相关乘积，分别控制第一I和Q放大器的增益；第一I和Q放大器分别输出相位平衡的I和Q信号。

Description

相移键控接收机中振幅和相位不平衡的校正方法及相应信号平衡器
本发明专利申请为1999年12月7日提交的申请号为99814861.X、发明名称为“相移键控接收机中振幅和相位不平衡的校正”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明一般涉及数字通信技术。更具体地，本发明涉及用于平衡接收到的正交相移(quadrature phase)调制信号的振幅和相位的系统和方法。
背景技术
一种用于调制数字信号的常用方法是使用多级系统或M进制(M-ary)技术。M进制调制技术是二进制调制技术的自然扩展，并且应用到L级振幅或相移键控。通常使用的四相方案称为正交相移键控或QPSK。象所有的M进制振幅或相位方案一样，其主要的优点是带宽压缩。
由于脉冲速率(pulse rate)fp是：
fp＝fslogL M            (公式1)
其中fs是码元速率，M是消息的数目；L表示调制级的数目，L越大，脉冲重复频率越小，因此带宽越小。
在电信应用中，QPSK将两个不同的信号调制到产生两维信号空间的同一带宽上。这通过使用图1A中所示的频率相同但是具有90度相位差的两个载波产生一个复合相位调制信号来实现。根据惯例，余弦载波被称为同相分量I，正弦载波是正交分量Q。I分量是信号的实部，Q分量是信号的虚部。每一个I和Q分量是双相调制的。QPSK码元由来自同相I和正交Q信号的至少一个采样组成。该码元可以表示模拟采样或数字数据的量化形式。
所有的相位调制方案都必须克服不可避免的相位同步的问题。对于QPSK信号传输的正确操作，I和Q信道在全部两个接收信道的处理过程中应该具有相同的增益，保持I和Q信道的不相关。在不相关的I和Q信道之间的失配信号增益或振幅在处理时产生错误。信号之间的除了90度之外的相位差在信道之间产生溢出并且同样地导致性能降低。
对于分离的I和Q信道，典型的接收机由于在混频器、滤波器和A/D转换器中的不匹配的增益，显示出不同的总增益，其中不匹配增益是由部分地由于温度、制造公差和其他因素产生的部件值之间的变化所引起的。I和Q信道之间的振幅和相位不平衡导致图1B和1C中所示的失真，降低了总的信噪比(SNR)。
用来避免振幅和相位不平衡的现有技术方法依赖于以有效温度补偿控制每个增益级的非常精密的电路。这些昂贵的设计需要以极低的温度系数和以用于在制造期间匹配的I和Q信道定制的混频器来制造的部件。
Ericsson公司的PCT专利申请No.WO98/32221公开了一种补偿Q和I载波信号之间平衡的方法和设备。Ericsson的专利使用转换机理和公知的RF参考信号对用于检测所接收信号不平衡的接收机进行预校正。
授予Ryan等人的美国专利No.4.085,378公开了一种QPSK解调器，其从串音中检测不平衡的相位，然后使用所测量的不平衡来控制VCO作为调节由串音引起的不平衡的基准。
因此，需要这样一种系统，就是在接收时平衡QPSK信号的振幅和相位以增加信号的完整性，并由此减少位误码率(BER)。
发明内容
本发明的目的是提供一种对接收到的QPSK信号的相位进行平衡的系统和方法。
根据本发明的上述目的，提供了一种用在正交相移键控系统中的信号平衡器，包括：I信号输入端，所述输入端连接到具有一输出的第一I可调整增益放大器；Q信号输入端，所述输入端连接到具有一输出的第一Q可调整增益放大器；I加法器，所述I加法器具有一连接到所述第一I可调整增益放大器输出的第一I加法器输入，具有一连接到所述第一Q可调整增益放大器输出的第二I加法器输入，以及一I加法器输出；Q加法器，所述Q加法器具有一连接到所述第一Q可调整增益放大器输出的第一Q加法器输入，具有一连接到所述第一I可调整增益放大器输出的第二Q加法器输入，以及一Q加法器输出；用于控制每个所述第一I可调整增益放大器增益和第一Q可调整增益放大器增益的装置，包括：连接到所述I加法器输出及所述Q加法器输出的交叉相关装置，所述交叉相关装置产生一交叉相关乘积；连接到所述第一I可调整增益放大器及所述第一Q可调整增益放大器的所述交叉相关乘积，用以分别控制所述第一I可调整增益放大器的增益及所述第一Q可调整增益放大器的增益；以及所述第一I可调整增益放大器输出相位平衡的I信号，所述第一Q可调整增益放大器输出相位平衡的Q信号。
根据本发明的上述目的，还提供了一种平衡正交相移键控信号的方法，其中所述信号包括I和Q分量，所述方法包括如下步骤：a)交叉相关所述I信号分量和Q信号分量；b)得到一交叉相关乘积；c)依据所述交叉相关乘积调整所述I信号分量和Q信号分量的增益；d)将一个分量同另一个不同分量的调整增益混频，产生一个相位平衡的信号。
该系统和方法的其他目的和优点对于本领域普通技术人员在阅读了最佳实施例的详细描述后将变得明显。
附图说明
图1A是振幅和相位两者都平衡的QPSK码元的图。
图1B是振幅不平衡的QPSK码元的图。
图1C是相位不平衡的QPSK码元的图。
图2是依据本发明的振幅平衡系统的方框图。
图3是依据本发明的相位平衡系统的方框图。
图4是显示相位校正的向量表示。
图5是依据本发明的组合的振幅和相位平衡系统的方框图。
具体实施方式
将参照附图描述最佳实施例，其中相同的标号始终表示相同的单元。
显示本发明的振幅平衡系统17的一个实施例在图2中显示，其中两个双相调制信号19是输入21I、21Q。量化是测量在每一个采样中的信号的强度并且将一个数字编号(digital number)分配给所测量的值的过程。采样电路每一次采样信号时，它在时间上的该离散时刻测量变化的模拟信号的强度。输入23I、23Q数据流表示组合成每一个都具有多个位的有限字的数据的离散采样。定义每一个字的位数确定每一个采样或符号的全部量化。例如，六位量化：
量化级＝2n-1                (公式2)
其中n＝6，将产生63级的分辨率。所期望的信号分辨率确定了n。
每一个信号23I、23Q的分量I和Q连接到具有可调整增益的放大器25I、25Q的一个输入。放大器25I、25Q的输出27I、27Q连接到绝对值处理器29I、29Q，以得到每一个输入码元23I、23Q的相对振幅。绝对值处理器29I、29Q的输出31I、31Q连接到相应的低通滤波器33I、33Q的输入。
低通滤波器33I、33Q对接收到的分量符号23I、23Q进行时间平均，将附加加权赋予最近的采样并且减小先前采样的加权。在当前实施例17中，使用具有一个极点的IIR(无限冲激响应)滤波器33I、33Q，但是其它类型的滤波器或不同阶IIR滤波器也可以在没有偏离本发明的原理的情况下使用。低通滤波器输出35I、35Q表示从绝对值处理器29I、29Q输出的采样振幅的平均估值。
求和器37从低通滤波器33I、33Q的输出35I、35Q得到差值，产生一个误差参考信号39。如果输入信号23I、23Q的I和Q分量是彼此正交的，则误差参考信号39将具有零振幅，指示一个平衡的符号。如果误差参考信号39产生一个非零的值，则符号不是振幅平衡的。
非零值误差参考信号39成为一个误差校正值。参考信号39连接到硬限幅处理器41的输入。根据误差参考信号39，硬限幅器41输出振幅更小的信号43，或者为正或者为负。硬限幅器41修剪误差参考信号39振幅，从而使误差参考信号39的符号成为一校正因子。这样做是为了简化实施，硬限幅器对于本发明不是必需的。
硬限幅处理器41的输出43连接到是一个泄漏(leaky)积分器，这里是累加器45。累加器45将当前值输入和先前输入值的累加值相加，并输出47一个总和。由于累加器45具有有限位宽，随着时间的推移，如果误差持续并且很大的话，累加值将在振幅和平稳状态上自限制。当系统达到静态平衡时，累加器45的内部累加器中的累加的多个误差参考信号39将平均为零。
累加器45的输出47连接到每个可调整增益放大器25I、25Q上的增益输入49I、49Q。放大器25I、25Q平衡接收到的I和Q码元23I、23Q的振幅，根据累加器45输出信号47来增加或减少它们的增益。可见，参考信号39是到上游放大级25I、25Q的负反馈。增益输入49I、49Q上的正控制电压指示那个放大器的增益增加了；负控制电压指示那个放大器的增益减少了。
如果输入信号23I、23Q的振幅不平衡，系统将依据累加器45输出信号47调整可变化放大器25I、25Q(在减小一个分量的同时增大另一个分量)直到I和Q码元振幅处于预定的容差范围内。如果码元增益是相等的，但是在接收到的码元之间变化，系统17将不进行校正。下游自动增益控制(AGC)(未显示)平衡系统输出51I、51Q，以供进一步的信号处理(未显示)。
显示本发明的相位校正系统61的一个实施例在图3中显示。两个双相调制信号19是到系统61的输入63I、63Q。I和Q码元的输入63I、63Q数据流65I、65Q连接到并行加法器69I、69Q的第一输入67I、67Q。每一个加法器69I、69Q的输出71I、71Q是系统输出73I、73Q和相位校正系统61的反馈。反馈线71I、71Q都连接到用于校正的混频器75。混频器75的交叉相关输出信号77连接到积分器79。积分器79将交叉相关乘积77进行时间平均。积分器输出被连接到硬限幅处理器83。硬决策处理器83限制积分的交叉相关乘积的振幅。该硬决策处理器83的输出85保留符号。硬限幅处理器83的输出85被连接到累加器输入87。硬决策处理器83减少实施的复杂性，本领域中的普通技术人员都知道它不是必要的。
如上面所讨论，累加器的功能是，随着时间的推移，累加当前输入值和先前输入值。将总和作为校正信号输出。
校正信号89与将Q输入65Q和I输入63I连接的可变增益放大器93I的第一输入91I连接。校正信号89也与将I输入65I和Q输入63Q连接的可调整增益放大器93Q的第一输入91Q连接。
校正信号89调整放大器93I、93Q来增加或减少它们的增益。放大器输出95I、95Q连接到输入加法器69I、69Q的第二输入97I、97Q。
相位校正在图4中显示为一个矢量表示。为了去掉彼此的交叉相关的影响，加法器69I、69Q从I分量65I中减去Q分量63Q的部分；
I＝x-ry                      等式3
-I＝-x-ry                    等式4
其中
Figure C200310101254D00111
交叉相关
以及从Q分量63Q中减去I分量65I的部分；
Q＝y-xr                      等式5
-Q＝-y-xr                    等式6
其中交叉相关
一旦导致交叉相关的信号部分被去掉，加法器69I、69Q的输出71I、71Q变为不相关的I、Q，并且在信号空间中正交。
在图5中显示了将校正振幅17和相位61不平衡的两个系统结合起来的一个替换实施例。系统101是输出103I、103Q在振幅和相位上都校正的符号的简单串联连接。振幅平衡器17连接在相位平衡器之后的另一个结合实施例也是可以的。
虽然已经显示和描述了本发明的特定实施例，本领域中的普通技术人员在没有背离本发明的精神和范围的情况下可以作出许多修改和变化。上面的描述用作示例，同时它不局限于这些特定的形式。

Claims (6)

1.用在正交相移键控系统中的信号平衡器，包括：
I信号输入端，所述输入端连接到具有一输出的第一I可调整增益放大器；
Q信号输入端，所述输入端连接到具有一输出的第一Q可调整增益放大器；
I加法器，所述I加法器具有一连接到所述第一I可调整增益放大器输出的第一I加法器输入，具有一连接到所述第一Q可调整增益放大器输出的第二I加法器输入，以及一I加法器输出；
Q加法器，所述Q加法器具有一连接到所述第一Q可调整增益放大器输出的第一Q加法器输入，具有一连接到所述第一I可调整增益放大器输出的第二Q加法器输入，以及一Q加法器输出；
用于控制每个所述第一I可调整增益放大器增益和第一Q可调整增益放大器增益的装置，包括：
连接到所述I加法器输出及所述Q加法器输出的交叉相关装置，所述交叉相关装置产生一交叉相关乘积；
连接到所述第一I可调整增益放大器及所述第一Q可调整增益放大器的所述交叉相关乘积，用以分别控制所述第一I可调整增益放大器的增益及所述第一Q可调整增益放大器的增益；以及
所述第一I可调整增益放大器输出相位平衡的I信号，所述第一Q可调整增益放大器输出相位平衡的Q信号。
2.如权利要求1所述的信号平衡器，进一步包括：
所述第一I可调整增益放大器的输出连接到具有一输出的第二I可调整增益放大器；
所述第一Q可调整增益放大器的输出连接到具有一输出的第二Q可调整增益放大器；
用于控制每个所述第二I可调整增益放大器的增益和第二Q可调整增益放大器的增益的装置，包括：
连接到所述第二I可调整增益放大器输出的I振幅判定装置；
连接到所述第二Q可调整增益放大器输出的Q振幅判定装置；以及
为所述第二I可调整增益放大器和第二Q可调整增益放大器产生一增益校正信号的振幅比较装置；以及
所述第二I可调整增益放大器输出振幅及相位平衡的I信号，所述第二Q可调整增益放大器输出振幅及相位平衡的Q信号。
3.如权利要求2所述的信号平衡器，进一步包括：
具有一输出的硬限幅器；
与所述硬限幅器的输出相连且具有一输出的累加器；以及
所述累加器与所述第一I可调整增益放大器和所述第一Q可调整增益放大器相连用于控制增益。
4.如权利要求3所述的信号平衡器，进一步包括：
I低通滤波器，连接于所述I振幅判定装置和所述振幅比较装置之间；
Q低通滤波器，连接于所述Q振幅判定装置和所述振幅比较装置之间；
所述硬限幅器的输出连接到具有一输出的累加器；以及
所述累加器连接到所述第一I可调整增益放大器和第一Q可调整增益放大器用于控制增益。
5.平衡正交相移键控信号的方法，其中所述信号包括I和Q分量，所述方法包括如下步骤：
a)交叉相关所述I信号分量和Q信号分量；
b)得到一交叉相关乘积；
c)依据所述交叉相关乘积调整所述I信号分量和Q信号分量的增益；
d)将一个分量同另一个不同分量的调整增益混频，产生一个相位平衡的信号。
6.如权利要求5所述的平衡正交相移键控信号的方法，进一步包括如下步骤：
e)比较所述相位平衡信号I振幅分量和Q振幅分量；
f)为所述I分量和所述Q分量产生一校正信号；
g)根据所述校正信号调整所述I分量和所述Q分量的增益产生一相位和振幅平衡的信号。
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