Modelling, estimation and compensation of imbalances in quadrature transceivers
Date
2011-03
Authors
De Witt, Josias Jacobus
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : University of Stellenbosch
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: The use of the quadrature mixing topology has been severely limited in the past due to
its sensitivity towards mismatches between its signal paths. In recent years, researchers
have suggested that digital techniques can be used to compensate for the impairments in
the analogue quadrature mixing front-end. Most authors, however, focus on the modelling
and compensation of frequency-independent imbalances, reasoning that this approach is
sufficient for narrow band signal operation. This common assumption is, however, becoming
increasing less applicable as the use of wider bandwidth signals and multi-channel systems
becomes more prevalent.
In this dissertation, baseband equivalent distortion models are derived, which model
frequency-independent, as well as frequency-dependent contributions towards the imbalances
of the front-end. Both lowpass and bandpass imbalances are modelled, which extends current
modelling approaches found in literature. The resulting baseband models are shown to be
capable of explaining the imbalance characteristics observed in practical quadrature mixing
front ends, where existing models fail to do so.
The developed imbalance models is then used to develop novel frequency-dependent imbalance
extraction and compensation techniques, which directly extract the exact quadrature
imbalances of the front end, using simple test tones. The imbalance extraction and compensation
procedures are implemented in the digital baseband domain of the transceiver and
do not require high computational complexity. The performance of these techniques are
subsequently verified through simulations and a practical hardware implementation, yielding
significant improvement in the image rejection capabilities of the quadrature mixing
transceiver.
Finally, a novel, blind imbalance compensation technique is developed. This technique
is aimed at extracting frequency-independent I/Q imbalances in systems employing digital
modulation schemes. No test tones are employed and the imbalances of the modulator and
demodulator are extracted from the second order statistics of the received signal. Simulations
are presented to investigate the performance of these techniques under various operating
conditions.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Die gebruik van die haaksfasige mengtopologie word geweldig beperk deur die sensitiwiteit vir wanbalanse wat mag bestaan tussen die twee analoog seinpaaie. In die afgelope paar jaar het navorsers digitale metodes begin voorstel om te kompenseer vir hierdie wanbalanse in die analooggebied. Meeste navorsers fokus egter op frekwensie-onafhanklike wanbalanse. Hulle staaf hierdie aanslag deur te redineer dat dit ’n aanvaarbare aaname is vir ’n nouband stelsel. Hierdie algemene aanvaarding is egter besig om minder akkuraat te raak, namate wyeband- en multikanaalstelses aan die orde van die dag raak. In hierdie tesis word basisband-ekwiwalente wanbelansmodelle afgelei wat poog om die effek van frekwensie-afhanklike en -onafhanklike wanbalanse akkuraat voor te stel. Beide laagdeurlaat- en banddeurlaatwanbalanse word gemodelleer, wat ‘n uitbreiding is op die huididge modellerings benaderings wat in literatuur gevind word. Dit word aangetoon dat die modelle van hierdie tesis daarin slaag om die karakteristieke van ’n werklike haaksfasige mengstelsel akkuraat te vervat – iets waarin huidige modelle in die literatuur nie slaag nie. Die basisband-ekwiwalente modelle word dan gebruik om nuwe digitale kompensasie metodes te ontwikkel, wat daarin slaag om die frekwensie-afhanklike wanbalanse van die haaksfasige mengstelsel af te skat, en daarvoor te kompenseer in die digitale deel van die stelsel. Hierdie kompensasiemetodes gebruik eenvoudige toetsseine om die wanbalanse af te skat. Die werksverrigting van hiedie kompensasiemetodes word dan ondersoek deur middel van simulasies en ’n praktiese hardeware-implementasie. Die resultate wys daarop dat hierdie metodes daarin slaag om ’n aansienlike verbetering in die beeldonderdrukkingsvermo¨ens van die haaksfasige mengers te weeg te bring. Laastens word daar ook ’n blinde kompensasiemetode ontwikkel, wat gemik is op frekwensie- onafhanklike wanbalanse in digital-modulasie-skama stelsels. Vir hierdie metodes is geen toetsseine nodig om die wanbalanse af te skat nie, en word dit gedoen vanuit die tweede-orde statistiek van die ontvangde sein. Die werksverrigting van hierdie tegnieke word verder bevestig deur middel van simulasies.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Die gebruik van die haaksfasige mengtopologie word geweldig beperk deur die sensitiwiteit vir wanbalanse wat mag bestaan tussen die twee analoog seinpaaie. In die afgelope paar jaar het navorsers digitale metodes begin voorstel om te kompenseer vir hierdie wanbalanse in die analooggebied. Meeste navorsers fokus egter op frekwensie-onafhanklike wanbalanse. Hulle staaf hierdie aanslag deur te redineer dat dit ’n aanvaarbare aaname is vir ’n nouband stelsel. Hierdie algemene aanvaarding is egter besig om minder akkuraat te raak, namate wyeband- en multikanaalstelses aan die orde van die dag raak. In hierdie tesis word basisband-ekwiwalente wanbelansmodelle afgelei wat poog om die effek van frekwensie-afhanklike en -onafhanklike wanbalanse akkuraat voor te stel. Beide laagdeurlaat- en banddeurlaatwanbalanse word gemodelleer, wat ‘n uitbreiding is op die huididge modellerings benaderings wat in literatuur gevind word. Dit word aangetoon dat die modelle van hierdie tesis daarin slaag om die karakteristieke van ’n werklike haaksfasige mengstelsel akkuraat te vervat – iets waarin huidige modelle in die literatuur nie slaag nie. Die basisband-ekwiwalente modelle word dan gebruik om nuwe digitale kompensasie metodes te ontwikkel, wat daarin slaag om die frekwensie-afhanklike wanbalanse van die haaksfasige mengstelsel af te skat, en daarvoor te kompenseer in die digitale deel van die stelsel. Hierdie kompensasiemetodes gebruik eenvoudige toetsseine om die wanbalanse af te skat. Die werksverrigting van hiedie kompensasiemetodes word dan ondersoek deur middel van simulasies en ’n praktiese hardeware-implementasie. Die resultate wys daarop dat hierdie metodes daarin slaag om ’n aansienlike verbetering in die beeldonderdrukkingsvermo¨ens van die haaksfasige mengers te weeg te bring. Laastens word daar ook ’n blinde kompensasiemetode ontwikkel, wat gemik is op frekwensie- onafhanklike wanbalanse in digital-modulasie-skama stelsels. Vir hierdie metodes is geen toetsseine nodig om die wanbalanse af te skat nie, en word dit gedoen vanuit die tweede-orde statistiek van die ontvangde sein. Die werksverrigting van hierdie tegnieke word verder bevestig deur middel van simulasies.
Description
Thesis (PhD (Electrical and Electronic Engineering))--University of Stellenbosch, 2011.
Keywords
Frequency translation, Quadrature mixing, I/Q imbalance compensation, Software-defined radio, Dissertations -- Electronic engineering, Theses -- Electronic engineering