Digital compensation of front-end

xianing1229

Digital compensation of front-end non-idealities in broadband communication systems
1 Introduction 1
1.1 Problem Statement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2 Objectives and Solution Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3 Outline of the Thesis and Contributions . . . . . . . . . . . . . . . 7
2 End-to-End System Model 13
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2 Front-End Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3 Channel Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.3.1 Discrete Time Channel Model . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.4 OFDM Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.4.1 WLAN IEEE 802.11a Case Study . . . . . . . . . . . . . . 26
2.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
I Single Antenna OFDM Systems 29
3 IQ Imbalance 31
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.2 Joint IQ Imbalance and Channel Compensation . . . . . . . . . . . 33
xv
xvi CONTENTS
3.2.1 System Model with IQ Imbalance . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.2.2 Influence of IQ Imbalance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.2.3 IQ Imbalance Compensation . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.2.4 Initialization Algorithms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.3 Joint IQ Imbalance and Channel Compensation under Insufficient
CP Length . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.3.1 System Model with IQ Imbalance and Insufficient CP Length 43
3.3.2 IQ Imbalance Compensation . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.4 Simulation Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4 IQ Imbalance and CFO 57
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.2 System Model with CFO and IQ Imbalance . . . . . . . . . . . . . 59
4.3 CFO Estimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.4 Joint FI IQ imbalance, CFO and Channel Compensation . . . . . . 64
4.5 Joint FS IQ imbalance, CFO and Channel Compensation under
Insufficient CP length . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.5.1 TEQ + FEQ based Compensation . . . . . . . . . . . . . . 71
4.5.2 PTEQ based Compensation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.6 Simulation Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
5 Decoupled Compensation Schemes 85
5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.2 Decoupled FEQ Schemes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
5.2.1 Decoupled Transmitter IQ Imbalance Compensation . . . . 87
5.2.2 Decoupled Receiver IQ Imbalance Compensation . . . . . . 90
CONTENTS xvii
5.2.3 Decoupled Transmitter and Receiver IQ Imbalance Compensation
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
5.3 Phase Rotation Schemes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5.3.1 Decoupled Receiver IQ Imbalance Compensation . . . . . . 97
5.3.2 Decoupled Receiver IQ Imbalance and CFO Compensation 100
5.4 Simulation Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
5.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
II Multiple Antenna OFDM Systems 117
6 Joint Compensation Schemes 119
6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
6.2 System Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
6.3 Joint IQ Imbalance and Channel Compensation . . . . . . . . . . . 123
6.4 Joint IQ Imbalance, CFO and Channel Compensation . . . . . . . 126
6.5 Space-Time Block Codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
6.5.1 Joint IQ Imbalance and Channel Compensation . . . . . . . 133
6.5.2 Joint IQ Imbalance, CFO and Channel Compensation . . . 135
6.6 Multi-User MIMO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
6.6.1 Down-Link Scenario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
6.6.2 Up-Link Scenario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
6.7 Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
6.8 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
7 Decoupled Compensation Schemes 149
7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
7.2 Decoupled FEQ Schemes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
7.2.1 Compensation Entirely at the Receiver . . . . . . . . . . . . 152
7.2.2 Compensation with Pre-Distortion of Transmitted Symbols 154
xviii CONTENTS
7.2.3 Estimation of Transmitter and Receiver IQ Imbalance Gain
Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
7.3 Phase Rotation Based Schemes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
7.4 Simulation Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
7.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
8 Conclusions and Future Work 173
8.1 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
8.2 Further Research . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178

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