Smart MAT (HHI Teilvorhaben)

Zielsetzung

Im Rahmen des von FhG-HHI beantragten Teilvorhabens sollen grundlegende Beiträge zu den Themenbereichen Hochfrequenztechnik, Systemtheorie und digitale Signalverarbeitungsalgorithmen geleistet werden. Die Arbeiten umfassen die Modellbildung analoger Schaltungskomponenten und deren Parametrierung auf der Grundlage von durchzuführenden Hochfrequenzmessungen, die Untersuchung von geeigneten Systemarchitekturen, die Entwicklung und Bewertung von Algorithmen zur Linearisierung der Transceiver sowie die Umsetzung dieser Algorithmen auf einer digitalen Signalverarbeitungsplattform. Die geplanten Arbeiten dieses Teilvorhabens sollen ein theoretisches Gerüst für die Entwicklungen der Industriepartner bilden.

Charakterisierung von Leistungsverstärkern

(Power Amplifier, PA)

Abbildung 1: schematische Darstellung des Messaufbaus

• Mit dem im Bild dargestellten Messaufbau wird ein Testsignal erzeugt und das entsprechende Ausgangssignal des Leistungsverstärkers aufgezeichnet.
• Wählen eines geeigneten Modells, das die Eigenschaften des Verstärkers beschreiben kann, zum Beispiel eine Volterra-Reihe.
• Anhand des Ein- und Ausgangssignals können die Koeffizienten des Modells berechnet werden. Das Modell ermöglicht die Simulation von Kommunikationssystemen unter Berücksichtigung der nichtlinearen Effekte des PAs.

Messbeispiel

Im folgenden Bild wurden zwei Modelle eines Verstärkers berechnet: ein Volterra-Modell und ein vereinfachtes Modell, welches keine Gedächtniseffekte berücksichtigt (engl. memoryless). Das Fehlerspektrum zeigt, dass das Volterra-Modell das gemessene Signal besser approximiert.

Abbildung 2: Links: gemessenes und modelliertes Verstärkungsverhalten. Rechts: Fehlerspektrum zwischen modelliertem und gemessenem Ausgangssignal.

Digitale Vorverzerrung

(Digital Predistortion, DP)

• Je mehr ein Leistungsverstärker ausgesteuert wird, desto höher ist seine Effizienz. Das Ausgangssignal weist aber ein nichtlineares Verhalten auf, was zu Signalstörungen führt.
  
• Ein Vorverzerrer verändert das Signal umgekehrt zum Verhalten des nachfolgenden Verstärkers. Idealerweise ist dann das Ausgangssignal des Verstärkers ist dann bezüglich des Eingangssignal des Vorverzerrers linear.
  

Messbeispiele

• Im folgenden Bild wurden zwei Vorverzerrer-Modelle berechnet: ein normales und ein vereinfachtes, welches nicht die Gedächtniseffekte des Verstärkers berücksichtigt (memoryless DP). Die Vorverzerrer werden mit einer weiteren Methode zur Reduktion der nichtlinearen Effekte verglichen. Dabei wird der Verstärker weniger stark ausgesteuert (back-off).
• Im Spektrum spiegelt sich die Stärke der Nichtlinearität in den Außerbandanteilen („Schulterhöhe“) wider. Es wird deutlich, dass das Back-off-Verfahren weniger gut funktioniert, als die Vorverzerrung.

Abbildung 3: Links: Verstärkungsverhalten von Verstärker, Vorverzerrer und linearisiertem Verstärker. Rechts: gemessene  Ausgangsspektren.

I/Q-Imbalance

• Dieser Effekt tritt in heutzutage üblichen Funksystemen auf (Direct-Conversion-Architecture). Das folgende Bild zeigt ein Modell der I/Q-Imbalance.

Abbildung 4: I/Q-Imbalance-Modell.

• Die auftretenden Spiegelfehler begrenzen die erreichbare Datenrate und können Störungen in Nachbarkanälen verursachen.

Abbildung 5: schematische Darstellung des Spektrums bei vorhandener I/Q-Imbalance.

Simulationsbeispiel

Am Institut wurde ein Verfahren entwickelt, welches frequenzabhängige I/Q-Imbalance-Effekte kompensieren kann. Ein Maß dafür ist das Spiegelunterdrückungsverhältnis (IRR, Image Rejection Ratio). Je größer der Wert, desto besser. Das folgende Bild zeigt das IRR bei verschiedenen Mittelungswerten.

Abbildung 6: Spiegelunterdrückungsverhältnis in Abhängigkeit von der Frequenz.

Implementierung

Die Algorithmen für die digitale Vorverzerrung und die I/Q-Imbalance-Kalibration wurde auf einem System implementiert, welches in Echtzeitfähigen beide Verfahren anwendet. Die benötigten Koeffizienten werden jedoch offline berechnet. Die folgende Abbildung zeigt das Blockschaltbild des Systems.

Abbildung 7: Blockschaltbild des Echtzeitsystems für digitale Vorverzerrung und I/Q-Imbalance-Kompensation.

Publikationen im Rahmen von Smart-RF

• J. Luo, A. Kortke, and W. Keusgen, "Efficient Self-Calibration of Frequency-Dependent I/Q-Imbalance in Direct-Conversion OFDM Transceivers", International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS 09), Taipei, Taiwan, May 2009.
• G. Böck, W. Keusgen, V. Subramanian, A. Hamidian, B. Schubert, and M. Peter, "PAs for mmW Applications: A Comparison of Technologies and Achievements", International Microwave Symposium Workshops (IMS 2009), Boston, USA, June 2009.
• J. Luo, A. Kortke, and W. Keusgen, "Joint Calibration of Frequency Selective Time Variant I/Q-Imbalance and Modulator DC-Offset Error in Broadband Direct-Conversion Transmitters", International Conference on Communications, Circuits and Systems (ICCCAS 2009), San Jose, USA, July 2009.
• B. Schubert, J. Liszewski, and W. Keusgen, "Identification of the Volterra Kernels of Nonlinear Power Amplifiers", International Conference on Communications, Circuits and Systems (ICCCAS 2009), San Jose, USA, July 2009, pp. 767-771.
• J. Liszewski, B. Schubert, and W. Keusgen, "Measurement and Digital Predistortion of Power Amplifiers Using Volterra Series", 5th German Microwave Conference, Berlin, Germany, March 2010.
• J. Liszewski, B. Schubert, and W. Keusgen, "Smart-RF Project: Wideband digital predistortion for SDR transmitters", European Reconfigurable Radio Technologies Workshop, Wireless Innovation Forum, Mainz, Germany, June 2010.
• J. Luo, W. Keusgen, and A. Kortke, "Preamble Designs for Efficient Joint Channel and Frequency-Selective I/Q-Imbalance Compensation in MIMO OFDM Systems", IEEE Wireless Communications & Networking Conference (WCNC 2010), Sydney, Australia, April 2010.
• Jian Luo, Andreas Kortke, Wilhelm Keusgen, "Semi-blind Iterative Joint Estimation of Frequency Selective I/Q-Imbalance and Modulator Offset Error in Direct-Conversion Transmitters", 72nd Vehicular Technology Conference: VTC2010-Fall, Ottawa, Canada, Sep. 2010.
• J. Liszewski, B. Schubert, W. Keusgen, and A. Kortke, "Low-Complexity FPGA Implementation of Volterra Predistorters for Power Amplifiers", IEEE Topical Conference on Power Amplifiers for Wireless and Radio Applications (PAWR), Phoenix, USA, Jan. 2011.