用于相位量化ADC的IQ不平衡的校准模块及校准方法

信号进行半周期信号生成处理，输出信号为第一次校准后的q0信号的半个周期信号t_q2以及第一次校准后的i0信号的半个周期信号t_i2；
12.所述增益误差校准模块接收所述第一次校准后的q1信号以及第一次校准后的i1信号以及时序控制模块输出的第一次校准后的q0信号的半个周期信号t_q2和第一次校准后的i0信号的半个周期信号t_i2，并在半个周期内对第一次校准后的q0信号以及第一次校准后的i0信号进行积分处理，得到增益补偿因子k，再利用增益补偿因子k对所述第一次校准后的i1信号进行补偿，输出最终校准后的i2信号；
13.所述相位误差校准模块是接收所述第一次校准后的q1信号和最终校准后的i2信号以及时序控制模块输出的第一次校准后的q1信号的半个周期t_q2、第一次校准后的i1信号的半个周期t_i2和周期数t，并对第一次校准后的q1信号的半个周期t_q2和第一次校准后的i1信号的半个周期t_i2进行做差处理，得到夹角θ，再利用夹角θ的补偿公式对所述第一次校准后的q1信号进行补偿，输出最终校准后的q2信号。
14.本发明所述的一种用于相位量化adc的iq不平衡的校准模块的特点也在于，所述单个周期生成模块是由2个过零比较器、2个上升沿触发器、4个下降沿触发器、2个加法器、4个减法器以及1个积分器组成；
15.第一过零比较器接收初始信号i0，并输出控制信号c_i0；
16.第一下降沿触发器接收初始值为“1”的电平信号，以及所述控制信号c_i0，并输出信号d1_i0；
17.第一上升沿触发器接收初始值为“1”的电平信号，以及控制信号c_i0，并输出信号d2_i0；
18.第五减法器接收信号d1_i0以及信号d2_i0，并输出信号s_i0；
19.第一加法器接收信号s_i0以及控制信号c_i0，并输出信号a_i0；
20.第二下降沿触发器接收初始值为“1”的电平信号，以及控制信号a_i0，并输出信号d3_i0；
21.第六减法器接收被减信号d1_i0以及减信号d3_i0，并输出信号t_i1；
22.第六积分器接收信号t_i1，并输出自身积分结果为周期数t；
23.第二过零比较器接收初始信号q0，并输出控制信号c_q0；
24.第三下降沿触发器接收初始值为“1”的电平信号，以及控制信号c_q0，并输出信号d1_q0；
25.第二上升沿触发器接收初始值为“1”的电平信号，以及控制信号c_q0，并输出信号d2_q0；
26.第七减法器接收信号d1_q0以及信号d2_q0，并输出信号s_q0；
27.第二加法器接收信号s_q0以及控制信号c_q0，并输出信号a_q0；
28.第四下降沿触发器接收初始值为“1”的电平信号，以及控制信号a_q0，并输出信号d3_q0；
29.第八减法器接收被减信号d1_q0以及减信号d3_q0，并输出信号t_q1。
30.所述失调误差校准模块是由2个积分器、2个除法器、2个减法器组成；
31.第一积分器接收初始信号q0并作为被积分数以及信号t_q1并作为积分区间，从而输出周期数倍的失调误差因子ta；
32.第一除法器接收周期数倍的失调误差因子ta并作为被除数以及周期数t并作为除数，从而输出失调误差因子a；
33.第一减法器接收初始信号q0并作为被减数以及失调误差因子a并作为减数，从而输出第一次校准后的q1信号；
34.第二积分器接收初始信号i0并作为被积分数以及信号t_i1并作为积分区间，从而输出周期数倍的失调误差因子tb；
35.第二除法器接收周期数倍的失调误差因子tb并作为被除数以及周期数t并作为除数，从而输出失调误差因子b；
36.第二减法器接收初始信号i0并作为被减数以及失调误差因子b并作为减数，从而输出第一次校准后的i1信号。
37.所述半个周期模块是由2个过零比较器、2个上升沿触发器、2个下降沿触发器以及2个减法器组成；
38.第三过零比较器接收第一次校准后的信号q1，并输出控制信号c_q1；
39.第五下降沿触发器接收初始值为“1”的电平信号以及控制信号c_q1，并输出信号d1_q1；
40.第三上升沿触发器接收初始值为“1”的电平信号以及控制信号c_q1，并输出信号d2_q1；
41.第九减法器接收信号d1_q1以及信号d2_q1，并输出信号t_q2；
42.第四过零比较器接收第一次校准后的信号i1，并输出控制信号c_i1；
43.第六下降沿触发器接收初始值为“1”的电平信号以及控制信号c_i1，并输出信号d1_i1；
44.第四上升沿触发器接收初始值为“1”的电平信号以及控制信号c_i1，并输出信号d2_i1；
45.第十减法器接收信号d1_i1以及信号d2_i1，并输出信号t_i2。
46.所述增益误差校准模块是由1个乘法器、2个积分器以及1个除法器组成；
47.第三积分器接收第一次校准后的信号q1并作为被积分数以及信号t_q2并作为积分区间，从而输出结果a；
48.第四积分器接收第一次校准后的信号i1并作为被积分数以及信号t_i2并作为积分区间，从而输出结果b；
49.第三除法器接收结果a并作为被除数以及结果b并作为除数，从而输出增益补偿因子k；
50.第一乘法器接收增益补偿因子k以及第一次校准后的信号i1，并输出最终校准后的i2信号。
51.所述相位误差校准模块是由2个减法器、1个绝对值模块、1个积分器、1个三角函数模块以及2个乘法器组成；
52.第三减法器接收信号t_q2并作为被减数以及信号t_i2并作为减数，从而输出信号en；
53.绝对值模块接收信号en，并输出信号|en；
54.第五积分器接收信号|en|，并输出自身积分结果为相位夹角差θ；
55.三角函数模块接收相位夹角差θ，并输出信号cscθ以及信号cotθ；
56.第二乘法器接收信号cscθ以及收第一次校准后的信号q1，并输出信号cscθ
×
q1；
57.第三乘法器接收信号cotθ以及最终校准后的i2信号，并输出信号cotθ
×
i2；
58.第四减法器接收信号cscθ
×
q1以及信号cotθ
×
i2，并输出最终校准后的q2信号。
59.本发明一种用于相位量化adc的iq不平衡的校准方法的特点是按如下步骤进行：
60.步骤1、在单个周期中，利用上升沿触发器以及下降沿触发器对初始信号q0和i0进行处理，得到初始信号q0的单个周期信号t_q1以及初始信号i0的单个周期信号t_i1；再利用积分器对单个周期信号t_i1进行处理，得到周期数t；
61.步骤2、在单个周期内，分别对初始信号i0以及q0进行积分处理，得到失调补偿因子a以及b；
62.步骤3、将初始信号i0减去失调补偿因子a，得到第一次校准后的i1信号；将初始信号q0减去失调补偿因子b得到第一次校准后的q1信号；
63.步骤4、在半个周期中，利用上升沿触发器以及下降沿触发器分别对第一次校准后的i1信号和q1信号进行处理，得到的第一次校准后的i1信号的半个周期信号t_i2以及第一次校准后的q1信号的半个周期信号t_q2；
64.步骤5、在半个周期内分别对第一次校准后的i1信号以及q1信号进行积分处理，得到结果a和b，并将结果a与b相除得到增益补偿因子k；
65.步骤6、对第一次校准后的i1信号乘以增益补偿因子k，得到最终校准后的i2信号；
66.步骤7、将半个周期信号t_q2与t_i2做差，得到信号en，对信号en进行绝对值以及积分处理从而得到初始信号q0和初始信号i0的相位夹角差θ；利用式(1)得到最终校准后的q2信号并输入到相位量化adc中：
67.q2＝cscθ
×
q1‑
cotθ
×
i2ꢀꢀꢀ
(1)。
68.与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
69.1、本发明通过采用一种用于相位量化模数转换器(phase
‑
domainadc，phadc)的iq不平衡的校准模块及其校准方法，对增益误差、失调误差和相位误差同时进行了考虑，解决了现有技术中i与q不平衡的问题，从而降低了i与q误差在phadc中的影响，提高了phadc的精度。
70.2、本发明将增益误差、失调误差和相位误差同时进行了考虑，并且进行校准算法的设计，可以同时消除三种误差同时存在的情况，适用于任意频率的iq信号校准，具有很强的普遍性。
71.3、本发明在phadc运行前结束校准，对校准模块本身不会对phadc增加额外的误差，有利于phadc精度提高。
72.4、本发明的校准算法中实现过程只需要进行简单的数学运算，计算复杂度低，易于实现。
附图说明
73.图1是已有的原理框架图；
74.图2是本发明校准算法中整体的原理框架图；
75.图3是本发明校准算法中失调误差校准模块的原理框架图；
76.图4是本发明校准算法中增益误差校准模块的原理框架图；
77.图5是本发明校准算法中相位误差校准模块的原理框架图；
78.图6是本发明校准算法中时序控制模块的原理框架图；
79.图7是本发明校准算法中单个周期生成模块的原理框架图；
80.图8是本发明校准算法中半个周期模块的原理框架图；
81.图9为iq之间失调误差为0.1、增益误差为10％以及相位误差为0.1时，所实施例输入信号归一化频率为0.103的系统未经过校准的输出频谱图；
82.图10为iq之间失调误差为0.1、增益误差为10％以及相位误差为0.1时，所实施例输入信号归一化频率为0.103的系统经过校准的输出频谱；
83.图11为iq之间失调误差为0.1、增益误差为10％以及相位误差为0.1时，所实施例输入信号归一化频率为0.403的系统未经过校准的输出频谱图；
84.图12为iq之间失调误差为0.1、增益误差为10％以及相位误差为0.1时，所实施例输入信号归一化频率为0.403的系统经过校准的输出频谱图。
具体实施方式
85.本实施例中，一种用于相位量化adc中iq不平衡的校准模块，相位量化adc的输入iq信号是经过正交系统之后产生，由于实际正交系统中存在误差，因此实际的矢量调制信号可表示为式(1)：
86.s(t)＝(c
i
+i(t))cos(ωt)+(c
q
+k
×
q(t))sin(ωt
‑
θ)
ꢀꢀꢀ
(1)
87.式(1)中：ci和cq表示通道内的直流信号，k表示iq的不平衡系数，θ表示iq信号之间的正交度误差。
88.将相位增益以及失调误差全部加入可得q0与i0的表达式(2)与式(3)：
89.q0＝a sin(ω+θ)+a
ꢀꢀꢀ
(2)
90.i0＝b cosω+b
ꢀꢀꢀ
(3)
91.式(2)与式(3)中，a,b为增益误差，a，b为失调误差，θ为iq之间的相位偏差；
92.故如图1所示，在正交系统和相位量化adc之间设置有校准模块，用于对正交系统输出的iq正交信号进行校准后传递给位量化adc；
93.如图2所示，校准模块是由失调误差校准模块、增益误差校准模块、相位误差校准模块和时序控制模块组成，四个模块分别执行不同的作用，去除iq不平衡中的失调误差、增益误差以及相位误差；
94.如图6所示，时序控制模块是由单个周期生成模块以及半个周期生成模块构成。单个周期生成模块对所接收的初始信号q0和初始信号i0进行周期处理，输出信号q0的单个周期信号t_q1、原信号i0的单个周期信号t_i1以周期数t；
95.具体实施中，如图7所示，单个周期生成模块是由2个过零比较器、2个上升沿触发器、4个下降沿触发器、2个加法器、4个减法器以及1个积分器组成；
96.第一过零比较器接收初始信号i0，并输出控制信号c_i0；
97.第一下降沿触发器接收初始值为“1”的电平信号，以及控制信号c_i0，并输出信号d1_i0；
98.第一上升沿触发器接收初始值为“1”的电平信号，以及控制信号c_i0，并输出信号
d2_i0；
99.第五减法器接收信号d1_i0以及信号d2_i0，并输出信号s_i0；
100.第一加法器接收信号s_i0以及控制信号c_i0，并输出信号a_i0；
101.第二下降沿触发器接收初始值为“1”的电平信号，以及控制信号a_i0，并输出信号d3_i0；
102.第六减法器接收被减信号d1_i0以及减信号d3_i0，并输出信号t_i1；
103.第六积分器接收信号t_i1，并输出自身积分结果为周期数t；
104.第二过零比较器接收初始信号q0，并输出控制信号c_q0；
105.第三下降沿触发器接收初始值为“1”的电平信号，以及控制信号c_q0，并输出信号d1_q0；
106.第二上升沿触发器接收初始值为“1”的电平信号，以及控制信号c_q0，并输出信号d2_q0；
107.第七减法器接收信号d1_q0以及信号d2_q0，并输出信号s_q0；
108.第二加法器接收信号s_q0以及控制信号c_q0，并输出信号a_q0；
109.第四下降沿触发器接收初始值为“1”的电平信号，以及控制信号a_q0，并输出信号d3_q0；
110.第八减法器接收被减信号d1_q0以及减信号d3_q0，并输出信号t_q1。
111.如图2所示，失调误差校准模块接收外部输入的初始信号q0和初始信号i0、以及时序控制模块输出的单个周期信号t_q1以及t_i1，并在一个周期内对初始信号q0和初始信号i0进行积分处理，得出失调补偿因子a以及b，再利用失调补偿因子a以及b进行补偿，输出第一次校准后的q1信号以及第一次校准后的i1信号；
112.具体实施中，如图3所示，失调误差校准模块是由2个积分器、2个除法器、2个减法器组成；
113.第一积分器接收初始信号q0并作为被积分数以及信号t_q1并作为积分区间，从而输出周期数倍的失调误差因子ta；
114.第一除法器接收周期数倍的失调误差因子ta并作为被除数以及周期数t并作为除数，从而输出失调误差因子a；
115.第一减法器接收初始信号q0并作为被减数以及失调误差因子a并作为减数，从而输出第一次校准后的q1信号；
116.第二积分器接收初始信号i0并作为被积分数以及信号t_i1并作为积分区间，从而输出周期数倍的失调误差因子tb；
117.第二除法器接收周期数倍的失调误差因子tb并作为被除数以及周期数t并作为除数，从而输出失调误差因子b；
118.第二减法器接收初始信号i0并作为被减数以及失调误差因子b并作为减数，从而输出第一次校准后的i1信号。
119.如图2所示，半个周期生成模块对所接收的第一次校准后的q1信号以及第一次校准后的i1信号进行半周期信号生成处理，输出信号为第一次校准后的q0信号的半个周期信号t_q2以及第一次校准后的i0信号的半个周期信号t_i2；
120.具体实施中，如图8所示，半个周期模块是由2个过零比较器、2个上升沿触发器、2
个下降沿触发器以及2个减法器组成；
121.第三过零比较器接收第一次校准后的信号q1，并输出控制信号c_q1；
122.第五下降沿触发器接收初始值为“1”的电平信号以及控制信号c_q1，并输出信号d1_q1；
123.第三上升沿触发器接收初始值为“1”的电平信号以及控制信号c_q1，并输出信号d2_q1；
124.第九减法器接收信号d1_q1以及信号d2_q1，并输出信号t_q2；
125.第四过零比较器接收第一次校准后的信号i1，并输出控制信号c_i1；
126.第六下降沿触发器接收初始值为“1”的电平信号以及控制信号c_i1，并输出信号d1_i1；
127.第四上升沿触发器接收初始值为“1”的电平信号以及控制信号c_i1，并输出信号d2_i1；
128.第十减法器接收信号d1_i1以及信号d2_i1，并输出信号t_i2。
129.如图2所示，增益误差校准模块接收第一次校准后的q1信号以及第一次校准后的i1信号以及时序控制模块输出的第一次校准后的q0信号的半个周期信号t_q2和第一次校准后的i0信号的半个周期信号t_i2，并在半个周期内对第一次校准后的q0信号以及第一次校准后的i0信号进行积分处理，得到增益补偿因子k，再利用增益补偿因子k对第一次校准后的i1信号进行补偿，输出最终校准后的i2信号；
130.具体实施中，如图4所示，增益误差校准模块是由1个乘法器、2个积分器以及1个除法器组成；
131.第三积分器接收第一次校准后的信号q1并作为被积分数以及信号t_q2并作为积分区间，从而输出结果a；
132.第四积分器接收第一次校准后的信号i1并作为被积分数以及信号t_i2并作为积分区间，从而输出结果b；
133.第三除法器接收结果a并作为被除数以及结果b并作为除数，从而输出增益补偿因子k；
134.第一乘法器接收增益补偿因子k以及第一次校准后的信号i1，并输出最终校准后的i2信号。
135.如图2所示，相位误差校准模块是接收第一次校准后的q1信号和最终校准后的i2信号以及时序控制模块输出的第一次校准后的q1信号的半个周期t_q2、第一次校准后的i1信号的半个周期t_i2和周期数t，并对第一次校准后的q1信号的半个周期t_q2和第一次校准后的i1信号的半个周期t_i2进行做差处理，得到夹角θ，再利用夹角θ的补偿公式对第一次校准后的q1信号进行补偿，输出最终校准后的q2信号。
136.具体实施中，如图5所示，相位误差校准模块是由2个减法器、1个绝对值模块、1个积分器、1个三角函数模块以及2个乘法器组成；
137.第三减法器接收信号t_q2并作为被减数以及信号t_i2并作为减数，从而输出信号en；
138.绝对值模块接收信号en，并输出信号|en；
139.第五积分器接收信号|en|，并输出自身积分结果为相位夹角差θ；
140.三角函数模块接收相位夹角差θ，并输出信号cscθ以及信号cotθ；
141.第二乘法器接收信号cscθ以及收第一次校准后的信号q1，并输出信号cscθ
×
q1；
142.第三乘法器接收信号cotθ以及最终校准后的i2信号，并输出信号cotθ
×
i2；
143.第四减法器接收信号cscθ
×
q1以及信号cotθ
×
i2，并输出最终校准后的q2信号。
144.在本实施例中，为了观察校准效果，首先在iq中加入失调误差、增益误差以及相位误差，再接入一个6bit精度以及采样率10mhz的相位量化adc中，通过观察校准前后enob的变化来比较校准前后效果如何，具体是按如下步骤进行：
145.步骤1、利用上升沿触发器以及下降沿触发器对初始信号q0和i0进行处理，得到初始信号q0的单个周期信号t_q1以及初始信号i0的单个周期信号t_i1；再利用积分器对单个周期信号t_i1进行处理，得到周期数t，具体信号流程为：在初始信号i0首先经过第一过零比较器，之后将第一过零比较器得出的信号c_i0充当第一上升沿触发器以及第一下降沿触发器的使能信号，之后将第一上升沿触发器得出的信号d2_i0减去第一下降沿触发器得出的信号d1_i0得出一个新的信号s_i0，再去加上之前第一过零比较器得出的信号c_i0得出一个新的信号a_i0，利用这个新的信号a_i0充当第二下降沿触发器的使能信号得出一个新的信号d3_i0被第一下降沿触发器产生的信号d1_i0减去得出单个周期信号t_i1；信号q0首先经过第二过零比较器，之后将第二过零比较器得出的信号c_q0充当第二上升沿触发器以及第三下降沿触发器的使能信号，之后将第二上升沿触发器得出的信号d2_q0减去第三下降沿触发器得出的信号d1_q0得出一个新的信号s_q0，再去加上之前第二过零比较器得出的信号c_q0得出一个新的信号a_q0，利用这个新的信号a_q0充当第四下降沿触发器的使能信号得出一个新的信号d3_q0被第三下降沿触发器产生的信号d1_q0减去得出单个周期信号t_q1。之后单个周期信号t_i1进行自我积分即可得出周期数t，之后输出单个周期信号t_q1、单个周期信号t_i1以及周期数t。
146.步骤2、在单个周期内分别对初始信号i0在单个周期信号t_i1内进行积分处理以及对初始信号q0在单个周期信号t_q1内进行积分处理，如式(4)
‑
式(7)所示，得到失调补偿因子a以及b；
[0147][0148][0149][0150][0151]
步骤3、将初始信号i0减去失调补偿因子a，得到第一次校准后的i1信号；将初始信号q0减去失调补偿因子b，如式(8)、式(9)所示，得到第一次校准后的q1信号；
[0152]
q1＝a sin(ω+θ)
ꢀꢀꢀ
(8)
[0153]
i1＝b cosω
ꢀꢀꢀ
(9)
[0154]
步骤4、利用上升沿触发器以及下降沿触发器分别对第一次校准后的i1信号和q1信号进行处理，得到的第一次校准后的i1信号的半个周期信号t_i2以及第一次校准后的q1信号的半个周期信号t_q2，具体信号流程为：输入第一次校准后的q1信号先经过第三过零比
较器之后得到的信号c_q1将其作为第三上升沿触发器以及第五下降沿触发器的使能信号，之后将第五下降沿触发器得到的信号d1_q1减去第三上升沿触发器得到的信号d2_q1得到第一次校准后的q1信号的半个周期信号t_q2。第一次校准后的i1信号先经过第四过零比较器之后得到的信号c_i1将其作为第四上升沿触发器以及第六下降沿触发器的使能信号，之后将第六下降沿触发器得到的信号d1_i1减去第四上升沿触发器得到的信号d2_i1得到第一次校准后的i1信号的半个周期信号t_i2。
[0155]
步骤5、在半个周期内分别对第一次校准后的i1信号以及q1信号进行积分处理，如式(10)、式(11)所示，得到结果a和b。
[0156][0157][0158]
如式(12)所示，并将a与b相除，得到增益补偿因子k：
[0159]
k＝a/b
ꢀꢀꢀ
(12)
[0160]
步骤6、对第一次校准后的i1信号乘以增益补偿因子k，如式(13)所示，得到最终校准后的i2信号；
[0161]
i2＝i1×
k
ꢀꢀꢀ
(13)
[0162]
步骤7、将半个周期信号t_q2与t_i2做差，得到信号en，对信号en进行绝对值以及积分处理从而得到初始信号q0和初始信号i0的相位夹角差θ；利用式(1)得到最终校准后的q2信号并输入到相位量化adc中。
[0163]
图9为iq之间失调误差为0.1、增益误差为10％以及相位误差为0.1时，所实施例输入信号归一化频率为0.103的系统未经过校准的输出频谱图，可见在低频时enob由于误差的影响由6bit降低到3.8bit。
[0164]
图10为iq之间失调误差为0.1、增益误差为10％以及相位误差为0.1时，所实施例输入信号归一化频率为0.103的系统经过校准的输出频谱，与图9作比较可见在低频时enob从3.8提升至5.8，phadc精度有明显提升，校准效果明显。
[0165]
图11为iq之间失调误差为0.1、增益误差为10％以及相位误差为0.1时，所实施例输入信号归一化频率为0.403的系统未经过校准的输出频谱图，可见在高频时enob由于误差的影响由6bit降低到3.8bit。
[0166]
图12为iq之间失调误差为0.1、增益误差为10％以及相位误差为0.1时，所实施例输入信号归一化频率为0.403的系统经过校准的输出频谱图，与图11作比较可见在高频时enob从3.8提升至5.8，phadc精度有明显提升，校准效果明显。