摘要：  针对这个问题，本文提出了一种收敛速度快，补偿精度高的I/Q不平衡补偿方法。该方法基于接收信号的统计特性，监测I/Q分支信号的幅度和相位误差，提出以误差方差为依据的步长控制准则，并设计了步长控制器，在不同状态下以误差方差自动的调整误差补偿的步长，最终得到收敛速度快且补偿精度高的I/Q不平衡补偿结果。第2节为带有IQ不平衡补偿的CMMB接收系统结构设计，第3节重点介绍了本文提出的自适应IQ不平衡补偿方法和步长控制准则，第4节通过计算机仿真，验证了提出的补偿方法的收敛速度和性能，最后给出了结论。

关键字：  CMMB，  多载波，  OFDM，  ADC

CMMB是中国移动多媒体广播行业标准，它是一个基于多载波OFDM技术的无线广播系统，采用先进的信道纠错编码和多载波OFDM调制技术，提高了抗干扰能力和对移动性的支持；采用时隙发射方式，降低了终端的平均功耗。
 
由于CMMB主要应用于便携及移动终端，所以CMMB接收机在设计上要遵循低功耗的要求，普遍在下变频器Tuner中使用零中频技术，将天线接收到的射频信号直接变为零频I/Q分支信号。这种设计功耗低，并且较之传统的Tuner更利于芯片集成，所以在CMMB接收系统中被普遍采用。
 
但是零中频技术也存在一定的技术缺点，由于信号被直接变为零频的I/Q模拟信号，然后经过处理进入模数转换器（ADC）变为数字信号，由于对I/Q两个分支的模拟信号在处理上会存在不一致性，将使I/Q两个分支信号产生幅度和相位的差异，继而对接收信号的恢复产生明显影响，降低系统性能。如图1所示，带有I/Q不平衡误差且没有被补偿的情况下，接收信号的星座图产生了移位、旋转、扩散等信号畸变，这些都将降低接收机的性能。所以高精度的I/Q不平衡补偿是CMMB系统中不可或缺的。
 
此外，对于CMMB系统而言，为了尽可能降低解调器终端的平均功耗，标准中采用了突发传输的方式，每1秒分为40个时隙，每个时隙25ms。不同的节目在1秒钟内，在时间上进行时分复用传输，每个节目在预定的时隙进行传输。所以对于某个特定的接收信号，信号传输方式为1秒钟1次突发，持续时间为几个时隙。这种突发传输方式对接收系统的I/Q不平衡补偿提出了收敛速度的要求，需要在较短时间内完成误差的补偿，才可以适应CMMB这种突发传输方式。综合以上两方面分析，如何在每个数据突发段快速且精确的补偿接收信号的I/Q不平衡误差，是CMMB接收机中一个急需解决的问题。
 
针对这个问题，本文提出了一种收敛速度快，补偿精度高的I/Q不平衡补偿方法。该方法基于接收信号的统计特性，监测I/Q分支信号的幅度和相位误差，提出以误差方差为依据的步长控制准则，并设计了步长控制器，在不同状态下以误差方差自动的调整误差补偿的步长，最终得到收敛速度快且补偿精度高的I/Q不平衡补偿结果。第2节为带有IQ不平衡补偿的CMMB接收系统结构设计，第3节重点介绍了本文提出的自适应IQ不平衡补偿方法和步长控制准则，第4节通过计算机仿真，验证了提出的补偿方法的收敛速度和性能，最后给出了结论。

系统设计与分析

CMMB发射信号经过无线传输后，通过接收天线进入接收机，假设接收机收到的信号为：

 
在接收端，系统经过一系列信道解调处理恢复原始数据流。如图1，为一个CMMB接收装置，收到的射频模拟信号首先进入一个解调模块，解调后产生一个基带复数数字信号包括一个实部和一个虚部，然后这两个分支信号进入I/Q不平衡补偿器，经过补偿后的信号进入一个快速傅立叶变换模块，将接收信号从时域变换到频域，变换后的频域信号进入解扰模块进行数据解扰运算，解扰之后的数据进入信道估计模块，估计传输过程中附加在信号上的信道响应，之后频域数据和信道估计结果同时进入信道解码模块，进行信道解码处理后送入后续处理模块。

IQ不平衡补偿方法

为了解决CMMB接收机中要求快速精确的补偿I/Q不平衡的问题，本文提出了以误差方差作为步长控制准则，并设计了步长控制器，自适应的调整误差补偿的步长，从而实现快速精确的I/Q不平衡补偿。提出的误差方差的步长控制准则为：

其工作原理如下：根据误差方差的步长控制准则，将I/Q不平衡补偿的过程划分为几个状态，系统开始工作时，I/Q不平衡电路首先进入捕获态，捕获态时步长控制器选择较大的环路步长，进行误差的快速捕获；随着估计误差的逐渐缩小，在误差方差达到一定阈值时，步长控制器控制环路步长切换至一个小步长，电路进入跟踪态，由于环路滤波器的步长减小，估计结果的剩余误差将减小，当误差方差达到下一个阈值时，电路继续切换环路步长至一个更小步长，电路进入稳定态，得到输出抖动很小的误差结果。从而最终得到一个精确的I/Q不平衡补偿结果。
 
提出的基于自适应补偿的I/Q不平衡补偿方法如图3。I/Q两路信号进入模块后，首先进入补偿器，根据反馈的幅度和相位误差估计结果，以I路信号为基准，对Q路进行补偿。然后分别进入幅度估计器和相位估计器，幅度估计器由I/Q两路信号的功率差计算，相位估计器由I/Q两路信号的乘积得到。两个估计器得到的信号瞬时误差进入两个环路滤波器进行高频误差过滤，过滤后的结果即为统计的I/Q分支信号的幅度误差和相位误差。
 
在环路滤波器中，环路带宽将由两个步长控制器自动控制。步长控制器中以幅度环路滤波器的步长控制器为例。它包括一个方差监测器，一个步长池和一个步长选择器。首先环路滤波器输出的瞬时信号误差进入方差监测器，计算连续误差信号的方差，此方差可以体现环路收敛的程度，从而从步长池中选择新的环路滤器步长，最后方差监测器打开步长选择器相应开关，将新的步长反馈送入环路滤波器进行下一状态。

仿真验证

通过仿真结果比较本文提出的补偿方法和传统方法的性能，加载于信号上的I/Q不平衡模型如下：

从图4中可以看出，本文中提出的自适应I/Q不平衡补偿方法较之传统的补偿方法收敛更快，而且仍然可以得到很高的估计精度。所以它适合于CMMB这样的突发传输系统。在I/Q不平衡补偿后， CMMB接收系统性能明显提高。表2为不同I/Q不平衡处理条件下的性能比较结果。从表中看出，经过I/Q不平衡补偿的系统，其性能接近于无I/Q不平衡的性能，如果不进行有效的I/Q不平衡补偿，系统性能将大大降低。

本文小结

本文针对CMMB接收机中需要快速且高精度补偿I/Q不平衡的要求，提出基于自适应步长的I/Q不平衡补偿方法，并提出了相应的步长控制准则。提出的I/Q不平衡补偿方法具有以下特点，(1) 根据误差收敛结果自适应的调整环路滤波器的步长，保证误差补偿的速度和精度，(2) 以误差方差作为步长控制准则，(3) 具有较宽的步长范围以适应不同应用。提出的I/Q不平衡补偿方法的性能通过理论分析和计算机仿真得到了验证。对于其他基于突发传输模式的零中频通信接收机，该方法也可以被应用来补偿系统中的I/Q不平衡误差。

图 1： IQ不平衡造成的信号畸变

图2:  带有IQ补偿的CMMB接收机结构。

图3: 本文提出的自适应I/Q不平衡补偿方法.

图4：不同I/Q不平衡补偿方法的收敛速度比较

表1. 仿真条件

表2. 性能结果