基于时域波形误差负反馈实现信号evm校正的方法、系统、装置、处理器及其存储介质
阅读说明：本技术 基于时域波形误差负反馈实现信号evm校正的方法、系统、装置、处理器及其存储介质 (Method, system, device, processor and storage medium for realizing signal EVM correction based on time domain waveform error negative feedback ) 是由 刘景鑫 于 2020-12-23 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于时域波形误差负反馈实现信号EVM校正的方法,包括以下步骤：通过期望波形和原始失真波形得到误差波形；通过失真波形和误差波形训练滤波器系数,得到使滤波器输出趋近于误差波形的系数；通过系数对失真信号进行校正补偿。本发明还涉及一种基于时域波形误差负反馈实现信号EVM校正的系统、装置、处理器及其计算可读存储介质采用了本发明的基于时域波形误差负反馈实现信号EVM校正的方法、系统、装置、处理器及其计算可读存储介质,能够快速校正硬件电路带来的信号失真,实时性能好,本发明能满足大带宽情况下高处理速率的要求,处理带宽大,本发明既适用于接收机也适用于发射机,应用范围广。(The invention relates to a method for realizing signal EVM correction based on time domain waveform error negative feedback, which comprises the following steps: obtaining an error waveform through the expected waveform and the original distorted waveform; training a filter coefficient through a distortion waveform and an error waveform to obtain a coefficient which enables the output of the filter to approach the error waveform; and correcting and compensating the distortion signal through the coefficient. The invention also relates to a system, a device, a processor and a computer readable storage medium for realizing signal EVM correction based on time domain waveform error negative feedback, which adopt the method, the system, the device, the processor and the computer readable storage medium for realizing signal EVM correction based on time domain waveform error negative feedback of the invention, can quickly correct signal distortion brought by a hardware circuit, and has good real-time performance.)
技术领域
本发明涉及仪器仪表技术领域，尤其涉及无线通信设备测试领域，具体是指一种基于时域波形误差负反馈实现信号EVM校正的方法、系统、装置、处理器及其计算可读存储介质。
背景技术
在无线通信设备测试领域，需要信号接收机采集信号进行分析，或是需要信号发射机作为信号源发出信号，由于发射或接收机硬件电路的缺陷，常常造成信号出现失真。特别是随着技术的发展，信号的带宽越来越大，对硬件电路的性能要求也越来越高，为了补偿仪器接收机或发射机电路给信号带来的失真，提出此方法。
无线通信中使用的正交调制码元通常分为实部(记为I)和虚部(记为Q)两个分量，将这些码元以1分量作为横坐标，Q分量作为纵坐标，绘制在正交坐标上，便得到了星座图。星座图能反映信号质量的好坏，信号失真的严重程度。图1、图2是QPSK调制方式的星座图，信号质量较好、失真较小的情况下，星座图上各个数据点集中在4个参考点附近，分布较为致密，如图1所示。信号质量较差、失真严重时，数据点围绕参考点的位置比较分散，例如图2所示。我们可以通过分析点的致密程度判断信号质量的好坏，通常使用误差向量幅度(Error Vector Magnitude，EVM)，来表示实际信号与参考点之间的向量差。EVM衡量调制信号质量好坏的重要参数，它既包含了信号的幅度误差，也包含了信号的相位误差。
对信号失真进行补偿的目的，就是要改善EVM指标。对于接收机来说，信号经过射频电路，由ADC转成数字信号，最后进入基带FPGA，通常借助FPGA或上位机软件对射频和ADC失真做补偿。对于发射机，数字信号由FPGA产生，发送给DAC转为模拟信号，最后由射频电路发射出去，这样的结构需要在信号被失真之前，在FPGA内部做预失真处理，提前补偿DAC和射频电路带来的影响。
发明内容
本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种满足误差小、精准度高、适用范围较为广泛的基于时域波形误差负反馈实现信号EVM校正的方法、系统、装置、处理器及其计算可读存储介质。
为了实现上述目的，本发明的基于时域波形误差负反馈实现信号EVM校正的方法、系统、装置、处理器及其计算可读存储介质如下：
该基于时域波形误差负反馈实现信号EVM校正的系统，其主要特点是，所述的方法包括以下步骤：
(1)通过期望波形和原始失真波形得到误差波形；
(2)通过失真波形和误差波形训练滤波器系数，得到使滤波器输出趋近于误差波形的系数；
(3)通过系数对失真信号进行校正补偿。
较佳地，所述的步骤(1)具体包括以下步骤：
(1.1)采集失真后的信号时域波形；
(1.2)根据调制类型，推算得到相位一致的期望波形；
(1.3)将期望波形减去原始失真信号波形，得到误差波形。
较佳地，所述的步骤(2)具体包括以下步骤：
(2.1)将失真波形作为输入序列，误差波形作为目标输出；
(2.2)通过不断的迭代训练，得到使滤波器输出趋近于误差波形的系数。
较佳地，所述的步骤(3)具体包括以下步骤：
(3.1)对失真数据做并行化处理，划分为多路的并行化数据；
(3.2)将多路并行化数据与训练后的滤波器系数进行卷积运算；
(3.3)对运算后的数据进行并行化合并，得到与输入端失真波形对应的误差波形；
(3.4)对输入的失真数据做延时操作；
(3.5)将失真数据和误差波形做减法运行，得到未失真的数据。
较佳地，所述的步骤(2)中得到滤波器系数，具体为：
根据以下公式得到滤波器系数：
Δwn＝e×conj(xn)；
其中，e为期望输出与实际输出之差，xn为输入数据，wn为滤波器系数。
该基于时域波形误差负反馈实现信号EVM校正的系统，其主要特点是，所述的系统包括：
并行化模块，用于对失真数据做并行化处理，分为多路的并行化数据；
运算单元组，包含多个运算单元，均与并行化模块相连接，每个运算单元接收并行化模块输出的其中一路并行化数据，与训练后的滤波器系数进行卷积运算；
合并模块，与所述的运算单元组相连接，用于对运算后的数据进行并行化合并，得到与输入端失真波形对应的误差波形；
延时模块，与所述的并行化模块相连接，用于对输入的失真数据做延时操作；
减法模块，与所述的合并模块和延时模块相连接，用于将失真数据和误差波形做减法运行，得到未失真的数据。
该基于时域波形误差负反馈实现信号EVM校正的装置，其主要特点是，所述的装置包括：
处理器，被配置成执行计算机可执行指令；
存储器，存储一个或多个计算机可执行指令，所述的计算机可执行指令被所述的处理器执行时，实现上述的基于时域波形误差负反馈实现信号EVM校正的方法的步骤。
该基于时域波形误差负反馈实现信号EVM校正的处理器，其主要特点是，所述的处理器被配置成执行计算机可执行指令，所述的计算机可执行指令被所述的处理器执行时，实现上述的基于时域波形误差负反馈实现信号EVM校正的方法的步骤。
该计算机可读存储介质，其主要特点是，其上存储有计算机程序，所述的计算机程序可被处理器执行以实现上述的基于时域波形误差负反馈实现信号EVM校正的方法的各个步骤。
采用了本发明的基于时域波形误差负反馈实现信号EVM校正的方法、系统、装置、处理器及其计算可读存储介质，能够快速校正硬件电路带来的信号失真，实时性能好，本发明能满足大带宽情况下高处理速率的要求，处理带宽大，本发明既适用于接收机也适用于发射机，应用范围广。
附图说明
图1为现有技术的信号质量较好的QPSK星座图实例示意图。
图2为现有技术的信号质量较差的QPSK星座图实例示意图。
图3为本发明的基于时域波形误差负反馈实现信号EVM校正的方法的QPSK时域波形的实部分量示意图。
图4为本发明的基于时域波形误差负反馈实现信号EVM校正的方法的QPSK时域波形的虚部分量示意图。
图5为本发明的基于时域波形误差负反馈实现信号EVM校正的方法的信号校正的逻辑结构示意图。
图6为本发明的基于时域波形误差负反馈实现信号EVM校正的方法的QPSK信号的校正效果示意图。
图7为未做校正的失真QPSK信号原始效果示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。
本发明的该基于时域波形误差负反馈实现信号EVM校正的方法，其中包括以下步骤：
(1)通过期望波形和原始失真波形得到误差波形；
(1.1)采集失真后的信号时域波形；
(1.2)根据调制类型，推算得到相位一致的期望波形；
(1.3)将期望波形减去原始失真信号波形，得到误差波形；
(2)通过失真波形和误差波形训练滤波器系数，得到使滤波器输出趋近于误差波形的系数；
(2.1)将失真波形作为输入序列，误差波形作为目标输出；
(2.2)通过不断的迭代训练，得到使滤波器输出趋近于误差波形的系数；
(3)通过系数对失真信号进行校正补偿；
(3.1)对失真数据做并行化处理，划分为多路的并行化数据；
(3.2)将多路并行化数据与训练后的滤波器系数进行卷积运算；
(3.3)对运算后的数据进行并行化合并，得到与输入端失真波形对应的误差波形；
(3.4)对输入的失真数据做延时操作；
(3.5)将失真数据和误差波形做减法运行，得到未失真的数据。
作为本发明的优选实施方式，所述的步骤(2)中得到滤波器系数，具体为：
根据以下公式得到滤波器系数：
Δwn＝e×conj(xn)；
其中，e为期望输出与实际输出之差，xn为输入数据，wn为滤波器系数。
本发明的该基于时域波形误差负反馈实现信号EVM校正的系统，其中包括：
并行化模块，用于对失真数据做并行化处理，分为多路的并行化数据；
运算单元组，包含多个运算单元，均与并行化模块相连接，每个运算单元接收并行化模块输出的其中一路并行化数据，与训练后的滤波器系数进行卷积运算；
合并模块，与所述的运算单元组相连接，用于对运算后的数据进行并行化合并，得到与输入端失真波形对应的误差波形；
延时模块，与所述的并行化模块相连接，用于对输入的失真数据做延时操作；
减法模块，与所述的合并模块和延时模块相连接，用于将失真数据和误差波形做减法运行，得到未失真的数据。
作为本发明的优选实施方式，该基于时域波形误差负反馈实现信号EVM校正的装置，其中包括：
处理器，被配置成执行计算机可执行指令；
存储器，存储一个或多个计算机可执行指令，所述的计算机可执行指令被所述的处理器执行时，实现上述的基于时域波形误差负反馈实现信号EVM校正的方法的步骤。
作为本发明的优选实施方式，该基于时域波形误差负反馈实现信号EVM校正的处理器，其中，所述的处理器被配置成执行计算机可执行指令，所述的计算机可执行指令被所述的处理器执行时，实现上述的基于时域波形误差负反馈实现信号EVM校正的方法的步骤。
作为本发明的优选实施方式，该计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述的计算机程序可被处理器执行以实现上述的基于时域波形误差负反馈实现信号EVM校正的方法的各个步骤。
本发明的具体实施方式中，对硬件电路带来的信号失真进行校正和补偿，改善仪器接收机或发射机的矢量性能。
本发明提供一种可在FPGA内实现的均衡器结构，以及均衡器系数的训练方式，可以实现对失真矢量信号的校正，补偿硬件电路缺陷带来的信号质量恶化。
该滤波器结构基于传统FIR滤波器基础上做了优化：一是引入并行化的结构，使得该结构能处理高速、大带宽的信号；二是该结构只输出信号的误差波形，在结构末尾处与原始信号做减法运算，这种方法让本发明既适用于接收机的校正，也适用于发射机的校正。
首先需要采集失真后的信号时域波形，信号类型通常是正交调制信号，如QPSK、16QAM等，然后根据调制类型，推算得到相对应(相位一致，码元已知)的理想信号时域波形，将理想信号波形减去原始失真信号波形，得到了误差波形。如图3、图4所示是常规的QPSK时域波形图，图3是实部I，图4是虚部Q。实线是失真的原始数据，虚线是推算得到的剔除失真的理想数据，点线是相减后的误差波形。
利用失真波形和误差波形训练滤波器系数，训练算法基于复数误差负反馈算法实现。失真波形作为输入序列，误差波形作为训练的目标输出，经过不断的迭代训练，找到合适的系数使得滤波器输出趋近于其输入对应的误差波形。
假设输入数据为X＝{x1，x2，x3，……，xn}，输出数据为o，滤波器系数为W＝{w1，w2，w3，……，wn}，则输出o：
假设滤波器期望的输出是t，期望与实际输出之差为e＝t-o；
需要不断利用新的输入数据X，计算得到新的差值e，利用e去反复修正滤波器系数W，直到e收敛到期望的大小。每次训练更新W：
w′n＝wn+αΔwn
其中，α是学习率，决定了训练时系数收敛的快慢，Δwn根据e计算得到：
Δwn＝e×conj(xn)；
由此，通过不断更新系数W，实现对滤波器的训练。
训练完成后，得到所需要的滤波器系数，将系数加载进信号校正的逻辑模块内，就可以实现对失真信号的校正补偿。信号校正逻辑结构简图如图5所示。
首先对硬件导致的失真数据做并行化处理，可分为任意多路的并行化数据，能够支持更大速率、更大带宽的输入数据。例如图5所示将数据分为3路，逻辑运算速度在200MHz时，可以处理600MHz的数据率。并行化的数据各自输入进一个基于FIR结构的运算单元，与训练好的滤波器系数做卷积运算。运算完成后的数据再做并行化合并，根据之前的训练方法，此时的数据是输入端失真波形对应的误差波形。输入的失真数据再做延时后，与卷积运算后得到的误差波形做减法运行，失真数据减去误差分量后，就恢复出了未失真的数据。
本发明的图1是星座图实例，信号质量较好的QPSK星座图，数据点分布密集。图2是星座图实例，信号质量较差的QPSK星座图，数据点分散。图3是QPSK时域波形，实部分量。实线是失真的原始数据，虚线是推算得到的剔除失真的理想数据，点线是相减后的误差波形。图4是QPSK时域波形，虚部分量。实线是失真的原始数据，虚线是推算得到的剔除失真的理想数据，点线是相减后的误差波形。图5是信号校正的逻辑结构，基于FPGA实现，首先对信号分为并行多路，每路分别由一个FIR结构滤波器做失真校正，校正完成后做并行数据合并，再与原始数据相减，得到校正数据。
图6显示了对数据进行校正后的星座图，图7显示了未作校正的星座图，可见带入训练好的滤波器系数后，滤波器将信号失真剔除，输出的信号质量得到了改善。
本实施例的具体实现方案可以参见上述实施例中的相关说明，此处不再赘述。
可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行装置执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
采用了本发明的基于时域波形误差负反馈实现信号EVM校正的方法、系统、装置、处理器及其计算可读存储介质，能够快速校正硬件电路带来的信号失真，实时性能好，本发明能满足大带宽情况下高处理速率的要求，处理带宽大，本发明既适用于接收机也适用于发射机，应用范围广。
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。
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