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| 电子科技大学测试技术与仪器研究所：宽带零中频接收机I/Q线性相位不平衡估计技术 | MDPI Electronics |
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论文标题：I/Q Linear Phase Imbalance Estimation Technique of the Wideband Zero-IF Receiver（宽带零中频接收机的I / Q线性相位不平衡估计技术）
期刊：Electronics
作者：Jie Meng, Houjun Wang, Peng Ye, Yu Zhao, Lianping Guo, Hao Zeng and Yu Tian
发表时间：28 October 2020
DOI：10.3390/electronics9111787
微信链接：
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期刊链接：
https://www.mdpi.com/journal/electronics
团队介绍
电子科技大学测试技术与仪器研究所是依托“教育部工程研究中心”平台的总装备部定点军用电子仪器“一所、一厂、一校”骨干研制单位。在测试仪器领域，本研究所主要研究方向是以数字化为基础的“电子仪器”技术，包括传统的数字示波器、任意波发生器、脉冲源等传统电子测试仪器，以及软件无线电技术为基础的通用射频信号分析仪和信号发生器等新一代电子测试仪器。目前，研究所拥有一支由13名教授、23名副教授、16名外聘专职科研人员及300余名在读博士、硕士研究生组成的科研人员队伍。拥有仪器科学与技术学科博士后流动站、博士点、硕士点以及测控技术与仪器国家特色专业和国防特色学科。
引言
在过去的几十年中，随着下一代无线通信网络技术的不断发展，超宽带是实现超高吞吐量的关键。利用I/Q正交解调的零中频架构可以有效降低对接收端的模数转换器 (ADC) 带宽和采样率的需求，并且该架构由于具有功耗低、易实现、成本低廉等优点，近年来受到广泛应用。但是，该结构对I/Q信号之间的幅度和相位不一致，即I/Q失衡问题尤为敏感，对接收机系统的性能指标造成了严重影响。对于宽带通信系统，I/Q失衡问题更是呈现出随着频率变化而变化的趋势，这大大增加了失衡误差的估计和消除难度。因此，解决宽带I/Q失衡问题成为了实现零中频接收架构的热门研究问题。
文章内容
1. 特点
对于宽带零中频接收机中的I/Q失衡问题，相位误差为失衡误差的主导部分，其中线性相位失衡误差 (LPI) 主要包括I/Q信号之间的时延误差和本振相偏，对系统的镜像抑制比等指标带来了严重的影响。本文提出了一种基于I/Q信号互功率谱和三点相位解缠法的联合应用的LPI估计和补偿技术，对LPI两部分误差进行同时估计，并根据估计的误差参数设计了相应的分数延迟滤波器和延时模块的补偿结构。该相位估计方法独立于幅度失配误差，为单独补偿I/Q幅度失配和相位失配误差带来了可能性，可以满足各种应用场景的不同需求。经过MATLAB仿真和实际平台验证，补偿后的系统镜像抑制比 (IRR) 有了很大的提升。该方法仅需要一个三音信号，无需增加任何其他硬件，这有助于该方法在宽带零中频接收机的实现。
2. 实验方法
(1) 在接收端输入三音信号，为了求得I/Q信号之间的相位误差，解调后的Q信号经过希尔伯特变换，得到其对应频域表征。
(2) 计算I信号和经过希尔伯特变换后Q信号之间的互功率谱为：
(3) 求互功率谱的相位谱，得到对应输入信号频率处的线性相位误差值：
(4) 利用三点相位解缠法解决求得相位误差的相位缠绕问题，准确获得I/Q信号之间的时延Δδ和本振相偏值φ。
(5) 根据得到I/Q时延设计相应的分数延迟滤波器和延迟模块，估计得到的本振相偏值用于调节两路本振的相位偏差。
3. 实验结果
(1) MATLAB仿真
系统瞬时带宽为[−300MHz,300MHz]、采样率fs= 1GHz、信噪比为35dB，时延和本振相偏分别设置为Δδ = 3Ts、φ = π/36。输入的三音信号频率分别为1100MHz、1200MHz、 1250MHz，本振频率为1GHz，得到的互功率谱的相位谱和对应频点的相位值如图1所示，应用三点相位解缠法得到估计的时延、本振相偏。补偿LPI前后的IRR如图2所示，补偿前的IRR值在大部分频率处呈现负值，补偿后的IRR提升至到65dB左右。
图1. 互功率谱的相位
图2. 补偿前后的IRR
(2) 实际平台验证
平台瞬时带宽为[−200MHz,200MHz]、采样率fs = 1.25GHz、本振频率为1GHz。该系统由两个印刷电路板 (PCB) 组成，分别是射频信号接收板 (Board I) 和基带信号处理板 (Board II)，如图3所示，该平台采用具有超过1GHz的大IF带宽的正交解调器芯片LTC5586完成解调。在Board I中，端口A用于发送数据和命令，端口B用于将解调后的I/Q信号输出到Board II。在板II中，芯片AD9691是一个双通道，14位，1.25 GSPS ADC，其两个内核分别以1.25GSPS的采样速率采样模拟I和Q信号。采样后的数字I/Q信号被发送到FPGA I进行处理，处理结果在上位机进行显示。FPGA II的主要功能是通过PXIe接口在FPGA I与上位机之间进行PCI Express通信。
图3. 实际平台电路板
本文介绍的LPI估计和补偿是在LTC5586和FPGA I中实现的。LO相偏由嵌入在芯片LTC5586中的移相器寄存器进行调节，调节范围为-2.5至2.5度，分辨率约为0.05度。相位调整值通常由数字控制字 (DCW) 控制，该数字控制字根据LTC5586中的DCW计算规则由估计的LO相偏转换得到。然后将获得的DCW通过SPI接口发送到相应的寄存器地址，以通过红色反馈路径控制I/Q相移的值，如图4所示。经过本振相偏补偿后的I/Q信号被送入时延补偿模块，如图4中的蓝色框中所示，该模块包括两个部分，即整数时延模块和基于Farrow结构的分数延时滤波器，整数时延模块用于补偿时延误差的整数部分，而剩余的分数部分则由Farrow滤波器进行补偿。
图4. 补偿结构示意图
输入的三音信号频率分别为1.06GHz、1.1GHz和1.15GHz，LPI补偿前后测得的系统IRR曲线如图5所示。LPI补偿之前的大部分IRR值均远低于40dB，而补偿后的IRR曲线已显著提高到大于60dB的范围。
图5. 补偿前后的平台IRR曲线
小结
针对宽带零中频接收机的I/Q线性相位失衡 (LPI) 问题，作者提出了一种基于互功率谱和三点相位解缠法估计LPI的各误差参数。仿真结果和实验结果表明，在补偿估计获得的LPI参数后，IRR都有了很大程度的提高。最终平台实验结果在瞬时带宽范围内获得了大于60dB的IRR，很好的验证了该方法的有效性和可实现性。另外，该方法的实现仅需要一个三音信号，而无需增加任何其他硬件，保证了该方法应用场景的灵活性。
期刊简介
Electronics(ISSN 2079-9292; IF：2.412) 是MDPI组织出版的国际性开放获取期刊之一，主题涵盖电子科学与应用领域，致力于发表电子器件、微电子与计算机技术、光电子工程、通信工程、信号与信息处理、微波理论与技术、生物电子工程、能源电子及系统等领域的各类文章。Electronics采取单盲同行评审，一审周期约为15.1天，文章从接收到发表仅需3.4天。
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