OPISIS_LAB7
.pdfОсновы построения инфокоммуникационных систем и сетей Лабораторная работа №7
Изучения эффектов искажения в приемной аппаратуре
Цель работы: Изучение искажений в приемной аппаратуре и их цифровой
компенсации.
Порядок выполнения работы:
1)Изучение механизмов искажений типа «смещение нуля», «амплитудный дисбаланс», «фазовый дисбаланс»;
2)Изучение модели влияния искажений на качество приема при разных архитектурах приемника;
3)Изучение способов компенсации искажений такого типа.
Введение
Обработка сигналов в режиме IQ широко используется в современных приемниках связи. Однако все архитектуры приемников с IQ-обработкой страдают от проблем, связанных с рассогласованием амплитуды и фазы в их ветвях. Дисбаланс IQ является обычным явлением в схемах аналогового внешнего интерфейса и приводит к дополнительным искажениям сигнала.
Приемники прямого преобразования с подавлением зеркальной частоты для обработки IQ довольно популярны в современных конструкциях входных частей РЧ-приемников. Приемники прямого преобразования предпочтительнее обычных супергетеродинных приемников, потому что они не требуют отдельной фильтрации сигнала. В приемнике прямого преобразования принятый сигнал усиливается и фильтруется на основной полосе частот, а не на некоторой промежуточной частоте. Приемник прямого преобразования, показанный на рисунке 1, полностью подавляет полосы изображения только при соблюдении следующих двух условий:
1)гетеродин, настроенный на желаемую радиочастоту, должен генерировать косинусоидальные и синусоидальные сигналы с разностью фаз ровно 90°.
2)усиление и фазовые характеристики I и Q ветвей должны точно совпадать. На самом деле аналоговые компоненты во внешнем радиочастотном интерфейсе несовершенны, и, следовательно, удовлетворить эти требования невозможно.
Следовательно, полный отказ от полос изображения во время преобразования RF-
IQ неизбежен.
Дисбаланс IQ возникает из-за неидеальных входных ВЧ-компонентов, из-за дисбаланса мощности и/или неортогональности ветвей I, Q, вызванных несовершенными выходами гетеродина. На рисунке 1 дисбаланс мощности на ветвях IQ фиксируется параметром усиления g на квадратурной ветви. Фазовая ошибка между выходами гетеродина фиксируется параметром .
Эффект дисбаланса IQ является катастрофическим для модуляций более высокого порядка, которые составляют основу многих современных систем связи,
таких как IEEE 802.11 WLAN, UMTS, LTE и т. Д. Кроме того, РЧ-часть может также вводить смещения постоянного тока в ветвях IQ, что приводит к еще большему снижению характеристик. Чтобы избежать дорогостоящих компонентов РЧ-интерфейса, необходимы алгоритмы обработки сигналов для компенсации
дисбаланса IQ и смещений постоянного тока.
В этом разделе мы начнем с построения модели, показанной на рисунке 2,
чтобы представить влияние следующих ухудшений радиочастотного приемника.
• |
Фазовый дисбаланс и перекрестные помехи на I, Q ветвях, вызванные |
рассогласованием фаз гетеродина - . |
|
• |
Дисбаланс усиления на ветвях I, Q - . |
•Смещения постоянного тока в ветвях I и Q - dci , dcq .
В этой |
модели |
комплексный сигнал r ri jrq обозначает идеальный |
неискаженный |
сигнал |
для приемника, а z zi jzq представляет сигнал после |
введения эффектов дисбаланса IQ и смещения постоянного тока в приемнике.
Рисунок 1 – Схема приемника
Рисунок 9.2 – Модель ухудшения в РЧ-части
внешний интерфейс. Следующая модель ухудшения качества РЧ-приемника,
реализованная в Matlab, состоит из двух этапов. Сначала он вносит IQ-дисбаланс во входящий комплексный сигнал, а затем добавляет смещения постоянного тока к синфазной и квадратурной ветвям. Подробности отдельных подфункций для модели дисбаланса IQ и модели смещения постоянного тока описаны в следующих разделах. Сначала обсуждается модель ухудшения смещения постоянного тока и ее компенсация, а затем моделирование и компенсация ухудшения IQ.
Программа 1: receiver_impairments.m: функция добавления искажений
приемника RF
function z=receiver_impairments(r,g,phi,dc_i,dc_q) |
|
|
%Function to add receiver impairments to the IQ branches |
|
|
%[z]=iq_imbalance(r,g,phi) introduces DC and IQ imbalances between inphase |
|
|
% and quadrature components of the complex baseband signal r. The model |
|
|
% parameter g represents gain mismatch between the IQ |
branches of |
the |
receiver |
|
|
% and parameter 'phi' represents phase error of local |
oscillator |
(in |
degrees). |
|
|
% DC biases associated with each I,Q path are represented by dc_i and dc_q. k = iq_imbalance(r,g,phi); %Add IQ imbalance
z = dc_impairment(k,dc_i,dc_q); %Add DC impairment
2 Смещения постоянного тока и компенсация
Модель ухудшения радиочастот на рисунке 2 содержит два типа ухудшений,
а именно дисбаланс IQ и ухудшение смещения постоянного тока. Смещения постоянного тока dci и dcq на ветвях I и Q просто моделируются как аддитивные факторы входящего сигнала.
Программа 2: dc_impairment.m: Модель для введения смещений постоянного тока в ветвях IQ.
function [y]=dc_impairment(x,dc_i,dc_q)
%Function to create DC impairments in a complex baseband model
%[y]=iq_imbalance(x,dc_i,dc_q) introduces DC imbalance
%between the inphase and quadrature components of the complex
%baseband signal x. The DC biases associated with each I,Q path
%are represented by the paramters dc_i and dc_q
y = x + (dc_i+1i*dc_q);
Соответственно, смещения постоянного тока на ветвях просто удаляются путем вычитания среднего значения сигнала на ветвях I, Q из входящего сигнала.
Программа 3: dc_compensation.m: модель для введения смещений постоянного тока в ветви IQ.
function [v]=dc_compensation(z)
%Function to estimate and remove DC impairments in the IQ branch % v=dc_compensation(z) removes the estimated DC impairment iDCest=mean(real(z));%estimated DC on I branch qDCest=mean(imag(z));%estimated DC on I branch v=z-(iDCest+1i*qDCest);%remove estimated DCs
3 Модель дисбаланса IQ
На практике используются две модели дисбаланса IQ, а именно: модель дисбаланса IQ с одной ветвью и модель дисбаланса с двумя ветвями. Эти две модели различаются тем, как предполагается рассогласование IQ в синфазном и квадратурном плечах. В модели с одной ветвью несоответствие IQ моделируется как амплитудные и фазовые ошибки только в одной из ветвей (скажем, Q-ветвь).
Напротив, в модели с двумя ветвями несоответствие IQ моделируется как амплитудные и фазовые ошибки как в I, так и в Q ветвях. Необходимо соответствующим образом скорректировать алгоритмы оценки и компенсации для обеих этих моделей. В этом тексте описывается только модель дисбаланса IQ с
одной ветвью и соответствующие ей алгоритмы компенсации.
Ссылаясь на рисунок 2, пусть обозначает идеальный
неповрежденный сигнал, а z zi jzq представляет сигнал с дисбалансом IQ. В
этой модели дисбаланса IQ с одной ветвью несоответствие усиления представлено
членом усиления только в Q-ветви. Разница является мерой отклонения
амплитуды Q-ветви от идеально сбалансированного состояния. Наличие фазовой ошибки на выходах гетеродина проявляется в виде перекрестных помех между I
и Q ветвями. По сути, вместе с дисбалансом усиления и фазовой ошибкой искаженные сигналы на ветвях I, Q представлены как
zi k |
|
1 |
|
|
|
|
g sin rad |
zq k |
|
||
|
|
|
0 |
ri k |
(1) |
|
g cos rad |
|
|
|
rq k |
|
||
|
|
|
|
Для заданного рассогласования усиления и фазовой ошибки следующая функция Matlab вводит дисбаланс IQ в сложный сигнал основной полосы частот.
Программа 4: iq_imbalance.m: Модель IQ дисбаланса
function [z]= iq_imbalance(r,g,phi)
%Function to create IQ imbalance impairment in a complex baseband
%[z]=iq_imbalance(r,g,phi) introduces IQ imbalance and phase error
%signal between the inphase and quadrature components of the
%complex baseband signal r. The model parameter g represents the
%gain mismatch between the IQ branches of the receiver and 'phi'
%represents the phase error of the local oscillator (in degrees). Ri=real(r); Rq=imag(r);
Zi= Ri; %I branch
Zq= g*(-sin(phi/180*pi)*Ri + cos(phi/180*pi)*Rq);%Q branch crosstalk z=Zi+1i*Zq;
end
4 Оценка и компенсация дисбаланса IQ
Доступно несколько схем компенсации дисбаланса IQ. В этом разделе используются два из них. Первый алгоритм представляет собой алгоритм слепой оценки и компенсации, а второй алгоритм представляет собой алгоритм оценки и компенсации на основе пилот-сигнала. Оба эти метода получены для модели дисбаланса IQ с одной ветвью.
4.1 Слепая оценка и компенсация
Слепой метод — это простой алгоритм с низкой сложностью, который основан исключительно на статистических свойствах входящего сложного сигнала.
Это не требует дополнительных затрат на обработку, таких как преамбула или обучающие символы для оценки дисбаланса IQ.
Рисунок 3 – Слепая оценка и компенсация дисбаланса IQ
Схема слепой компенсации показана на рисунке 3. Пусть z zi jzq
представляет комплексный сигнал основной полосы частот с нарушенным IQ-
дисбалансом, который необходимо компенсировать. Сначала комплексный сигнал
основной полосы частот используется для оценки трех параметров 1 , |
2 |
и 3 |
|||||||||
дисбаланса. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
E sgn zi zq |
|
|
||||||||
2 |
E |
|
|
zi |
|
|
|
(2) |
|||
|
|
|
|
||||||||
3 |
E |
|
zq |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
где sgn x - знак
1 sgn x 0
1
Коэффициенты компенсатора c1 и c2
x 0
x 0 (3) x 0
затем вычисляются из оценок 1 , 2 и
3
c |
|
c |
2 |
2 |
|
||||
|
1 |
|
3 |
1 |
|
(4) |
|||
|
|
|
2 |
||||||
1 |
2 |
|
2 |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
Наконец, синфазная и квадратурная составляющие компенсированного |
|||||||||
сигнала y yi jyq вычисляются как |
|
|
|
|
|
|
|||
y z |
y |
c1zi zq |
|
|
|||||
|
|
||||||||
i |
|
i |
q |
c2 |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
Программа 5: blind_iq_compensation.m: оценка и компенсация слепого IQ
дисбаланса
function y=blind_iq_compensation(z)
%Function to estimate and compensate IQ impairments for the single_3 %branch IQ impairment model
% y=blind_iq_compensation(z) estimates and compensates IQ imbalance I=real(z);
Q=imag(z); theta1=(-1)*mean(sign(I).*Q); theta2=mean(abs(I)); theta3=mean(abs(Q)); c1=theta1/theta2;
c2=sqrt((theta3^2-theta1^2)/theta2^2); yI = I;
yQ = (c1*I+Q)/c2; y= (yI +1i*yQ); end
4.2 Оценка и компенсация на основе пилота Алгоритмы оценки на основе пилот-сигналов широко используются для
оценки различных свойств канала. Передатчик передает пилот-последовательность,
и дисбаланс IQ оценивается на основе принятой последовательности в процессоре сигнала основной полосы частот. Метод оценки пилот-сигнала хорошо подходит
для беспроводных приложений, таких как WLAN, UMTS и LTE, где известная пилотная последовательность передается как часть сеанса передачи данных.
Алгоритм низкой сложности, использует преамбулу длиной |
для |
||||||||
оценки дисбаланса усиления Kest и фазовой ошибки Pest . |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
L |
k |
|
|||
|
|
zq2 |
|
||||||
Kest |
k 1 |
|
|
|
|
(9.5) |
|||
L |
k |
||||||||
|
|
|
|
zi2 |
|
||||
|
|
|
|
k 1 |
|
|
|
|
|
|
|
L |
zi k zq k |
|
|||||
|
|
|
|
||||||
P |
k 1 |
|
|
|
|
|
(9.6) |
||
|
L |
|
|
|
|
||||
est |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
zi2 k |
|
||||
|
|
|
|
k 1 |
|
|
|
|
|
где комплексный сигнал z zi jzq |
представляет собой искаженную |
версию |
|||||||
длинной преамбулы, как указано в спецификации IEEE 802.11a. |
|
Программа 6: pilot_iq_imb_est.m: оценка дисбаланса IQ с использованием пилотной передачи
function [Kest,Pest]=pilot_iq_imb_est(g,phi,dc_i,dc_q) %Length 64 - Long Preamble as defined in the IEEE 802.11a preamble_freqDomain = [0,0,0,0,0,0,1,1,-1,-1,1,1,-1,1,...
-1,1,1,1,1,1,1,-1,-1,1,1,-1,1,-1,1,1,1,1,...
0,1,-1,-1,1,1,-1,1,-1,1,-1,-1,-1,-1,-1,1,1,...
-1,-1,1,-1,1,-1,1,1,1,1,0,0,0,0,0];%freq. domain representation preamble=ifft(preamble_freqDomain,64);%time domain representation %send known preamble through DC & IQ imbalance model and estimate it r=receiver_impairments(preamble,g,phi,dc_i,dc_q); z=dc_compensation(r); %remove DC imb. before IQ imbalance estimation %IQ imbalance estimation
I=real(z); Q=imag(z);
Kest = sqrt(sum((Q.*Q))./sum(I.*I)); %estimate gain imbalance Pest = sum(I.*Q)./sum(I.*I); %estimate phase mismatch
end
Пусть d di jdq будет ухудшенной версией комплексного сигнала,
принятого в течение нормального интервала передачи данных. После того, как параметры, приведенные в уравнениях 5 и 6, оцениваются во время передачи преамбулы, компенсация IQ во время нормальной передачи данных выглядит следующим образом
wi di
wq |
|
dq |
Pest di |
(7) |
||
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
||
k |
est |
1 P2 |
|
|||
|
|
|
|
est |
|
Программа 7: iqImb_compensation.m: компенсация дисбаланса IQ во время
интервала передачи данных
function y=iqImb_compensation(d,Kest,Pest)
%Function to compensate IQ imbalance during the data transmission
%y=iqImb_compensation(d,Kest,Pest) compensates the IQ imbalance
%present at the received complex signal d at the baseband
%processor. The IQ compensation is performed using the gain
%imbalance (Kest) and phase error (Pest) parameters that are
%estimated during the preamble transmission.
I=real(d); Q=imag(d); wi= I;
wq = (Q - Pest*I)/sqrt(1-Pest?2)/Kest; y = wi + 1i*wq;
end
5 Визуализация эффекта ухудшения качества приемника Имея в наличии модель искажений приемника и методы компенсации,
позвольте нам визуализировать их эффекты в сложной плоскости. Например,
рассмотрим модуляцию более высокого порядка, такую как 64 QAM. Ухудшения приемника, такие как дисбаланс IQ и смещения постоянного тока, добавляются к модулированному сигналу QAM. Последовательность без искажений и последовательность, на которую влияют ухудшения приемника, нанесены на комплексную плоскость, как показано на рисунке 4.
Программа 8: test_rf_impairments.m: Визуализация ухудшений приемника в комплексной плоскости.
clearvars; clc;
M=64;%M-QAM modulation order N=1000;%To generate random symbols
d=ceil(M.*rand(N,1));%random data symbol generation
s = mqam_modulator(M,d); %M-QAM modulated symbols (s) g_1=0.8; phi_1=0; dc_i_1=0; dc_q_1=0; %gain mismatch only g_2=1; phi_2=12; dc_i_2=0; dc_q_2=0; %phase mismatch only g_3=1; phi_3=0; dc_i_3=0.5; dc_q_3=0.5; %DC offsets only g_4=0.8; phi_4=12; dc_i_4=0.5; dc_q_4=0.5; %All impairments r1=receiver_impairments(s,g_1,phi_1,dc_i_1,dc_q_1); r2=receiver_impairments(s,g_2,phi_2,dc_i_2,dc_q_2); r3=receiver_impairments(s,g_3,phi_3,dc_i_3,dc_q_3); r4=receiver_impairments(s,g_4,phi_4,dc_i_4,dc_q_4); subplot(2,2,1);plot(real(s),imag(s),'b.');hold on; plot(real(r1),imag(r1),'r.'); title('IQ Gain mismatch only') subplot(2,2,2);plot(real(s),imag(s),'b.');hold on; plot(real(r2),imag(r2),'r.'); title('IQ Phase mismatch only')
subplot(2,2,3);plot(real(s),imag(s),'b.');hold on; plot(real(r3),imag(r3),'r.'); title('DC offsets only') subplot(2,2,4);plot(real(s),imag(s),'b.');hold on; plot(real(r4),imag(r4),'r.');title('IQ impairments & DC offsets');
Рисунок 4 – Графики созвездий для исправных (синий) и нарушенных (красный)
версий символов с модуляцией 64-QAM: (a) Дисбаланс усиления g 0,8(b)
Фазовое рассогласование 12 (c) смещения постоянного тока dci 0,5 dcq 0,5
(d) Со всеми нарушениями g 0,8(b) , 12 (c) , dci 0,5 , dcq 0,5
6 Характеристики модуляции M-QAM с ухудшением качества приемника
На любом физическом уровне системы беспроводной связи, который использует OFDM с модуляцией M-QAM более высокого порядка, влияние ухудшения качества приемника вызывает большую озабоченность. Здесь моделируются характеристики M-QAM более высокого порядка в различных условиях ухудшения качества приемника.