Dirty RF Signal Processing for Mitigation of Receiver Front-end Non-linearity

Grimm, Michael GND

Moderne drahtlose Kommunikationssysteme stellen hohe und teilweise gegensätzliche Anforderungen an die Hardware der Funkmodule, wie z.B. niedriger Energieverbrauch, große Bandbreite und hohe Linearität. Die Gewährleistung einer ausreichenden Linearität ist, neben anderen analogen Parametern, eine Herausforderung im praktischen Design der Funkmodule. Der Fokus der Dissertation liegt auf breitbandigen HF-Frontends für Software-konfigurierbare Funkmodule, die seit einigen Jahren kommerziell verfügbar sind. Die praktischen Herausforderungen und Grenzen solcher flexiblen Funkmodule offenbaren sich vor allem im realen Experiment. Eines der Hauptprobleme ist die Sicherstellung einer ausreichenden analogen Performanz über einen weiten Frequenzbereich. Aus einer Vielzahl an analogen Störeffekten behandelt die Arbeit die Analyse und Minderung von Nichtlinearitäten in Empfängern mit direkt-umsetzender Architektur. Im Vordergrund stehen dabei Signalverarbeitungsstrategien zur Minderung nichtlinear verursachter Interferenz - ein Algorithmus, der besser unter "Dirty RF"-Techniken bekannt ist. Ein digitales Verfahren nach der Vorwärtskopplung wird durch intensive Simulationen, Messungen und Implementierung in realer Hardware verifiziert. Um die Lücken zwischen Theorie und praktischer Anwendbarkeit zu schließen und das Verfahren in reale Funkmodule zu integrieren, werden verschiedene Untersuchungen durchgeführt. Hierzu wird ein erweitertes Verhaltensmodell entwickelt, das die Struktur direkt-umsetzender Empfänger am besten nachbildet und damit alle Verzerrungen im HF- und Basisband erfasst. Darüber hinaus wird die Leistungsfähigkeit des Algorithmus unter realen Funkkanal-Bedingungen untersucht. Zusätzlich folgt die Vorstellung einer ressourceneffizienten Echtzeit-Implementierung des Verfahrens auf einem FPGA. Abschließend diskutiert die Arbeit verschiedene Anwendungsfelder, darunter spektrales Sensing, robuster GSM-Empfang und GSM-basiertes Passivradar. Es wird gezeigt, dass nichtlineare Verzerrungen erfolgreich in der digitalen Domäne gemindert werden können, wodurch die Bitfehlerrate gestörter modulierter Signale sinkt und der Anteil nichtlinear verursachter Interferenz minimiert wird. Schließlich kann durch das Verfahren die effektive Linearität des HF-Frontends stark erhöht werden. Damit wird der zuverlässige Betrieb eines einfachen Funkmoduls unter dem Einfluss der Empfängernichtlinearität möglich. Aufgrund des flexiblen Designs ist der Algorithmus für breitbandige Empfänger universal einsetzbar und ist nicht auf Software-konfigurierbare Funkmodule beschränkt.

Today's wireless communication systems place high requirements on the radio's hardware that are largely mutually exclusive, such as low power consumption, wide bandwidth, and high linearity. Achieving a sufficient linearity, among other analogue characteristics, is a challenging issue in practical transceiver design. The focus of this thesis is on wideband receiver RF front-ends for software defined radio technology, which became commercially available in the recent years. Practical challenges and limitations are being revealed in real-world experiments with these radios. One of the main problems is to ensure a sufficient RF performance of the front-end over a wide bandwidth. The thesis covers the analysis and mitigation of receiver non-linearity of typical direct-conversion receiver architectures, among other RF impairments. The main focus is on DSP-based algorithms for mitigating non-linearly induced interference, an approach also known as "Dirty RF" signal processing techniques. The conceived digital feedforward mitigation algorithm is verified through extensive simulations, RF measurements, and implementation in real hardware. Various studies are carried out that bridge the gap between theory and practical applicability of this approach, especially with the aim of integrating that technique into real devices. To this end, an advanced baseband behavioural model is developed that matches to direct-conversion receiver architectures as close as possible, and thus considers all generated distortions at RF and baseband. In addition, the algorithm's performance is verified under challenging fading conditions. Moreover, the thesis presents a resource-efficient real-time implementation of the proposed solution on an FPGA. Finally, different use cases are covered in the thesis that includes spectrum monitoring or sensing, GSM downlink reception, and GSM-based passive radar. It is shown that non-linear distortions can be successfully mitigated at system level in the digital domain, thereby decreasing the bit error rate of distorted modulated signals and reducing the amount of non-linearly induced interference. Finally, the effective linearity of the front-end is increased substantially. Thus, the proper operation of a low-cost radio under presence of receiver non-linearity is possible. Due to the flexible design, the algorithm is generally applicable for wideband receivers and is not restricted to software defined radios.

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Grimm, Michael: Dirty RF Signal Processing for Mitigation of Receiver Front-end Non-linearity. 2014.

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