Digital Transmitter I/Q Calibration: Algorithms and Real-Time Prototype Implementation

Abstract

Nowadays, the direct-conversion and the low-IF transceiver principles are seen as the most promising architectures for future flexible radios. Both architectures employ complex I/Q mixing for up- and downconversion. Consequently, the performance of the transceiver architectures can be seriously deteriorated by the phenomenon called I/Q imbalance. I/Q imbalance stems from relative amplitude and phase mismatch between the I- and Q-branches of the transceiver, thus resulting in self-interference or adjacent channel interference. This thesis addresses details of the real-time prototype implementation of the transmitter unit realizing a widely-linear least-squares-based I/Q imbalance estimation algorithm and a corresponding pre-distortion structure as previously proposed by Anttila et al.

First transceiver architectures and radio transmitter principles are discussed with special emphasis on I/Q imbalance related aspects. Thereafter, the imbalance estimation principle itself is reviewed and a recursive version of it is derived. Then the implementation platform and software are introduced. After that, implementation details are discussed and implementation-related practical issues are addressed. Finally, simulation results and comprehensive RF measurement results from the real-time prototype implementation are presented.

The work done in this thesis realizes a real-time prototype implementation of the WL-LS I/Q imbalance estimation algorithm and corresponding pre-distortion structure. In addition, the implementation is shown to give consistent results with Matlab simulations and it can operate on general purpose processors. /Kir10

Nykyaikana suoramuunnos- ja matalavälitaajuuslähetin-vastaanotin periaatteet nähdään lupaavimpina arkkitehtuureina tulevaisuuden joustaville radioille. Molemmat arkkitehtuurit käyttävät taajuusmuunnoksissa kompleksista I/Q taajuus-sekoitusta. Tästä johtuen mainittujen lähetin-vastaanotinarkkitehtuurien suorituskykyä huonontaa ilmiö nimeltä I/Q epätasapaino, mikä johtuu suhteellisesta amplitudi ja vaihe epäsovituksesta modulaattorin I- ja Q-haarojen välillä. Tämän vuoksi signaaliin muodostuu itseishäiriötä tai viereisen kanavan häiriötä heikentäen radiotaajuisen signaalin puhtautta. Tässä diplomityössä esitellään reaaliaikaisen lähetin-vastaanotinprototyypin toteutus, jossa on käytössä Lauri Anttilan aiemmin julkaisema laajasti lineaariseen pienimmän neliösumman menetelmään perustuva I/Q epätasapainon estimointi algoritmi ja siihen liittyvä esivääristysrakenne.

Aluksi esitellään lähetin-vastaanotinarkkitehtuurit ja niihin liittyvät pääperiaatteet painottaen I/Q epätasapainoon liittyviä asioita. Tämän jälkeen johdetaan I/Q epätasapainon estimointiin käytettävän algoritmin rekursiivinen versio ja esitellään toteutukseen käytettävä kehitysalusta ohjelmistoineen. Tämän jälkeen käydään läpi toteutuksen yksityiskohdat ja siihen liittyvät käytännön ilmiöt. Lopuksi esitellään simulaatiotulokset ja kokonaisvaltaiset radiotaajuusmittaukset reaali-aikaisesta prototyyppitoteutuksesta.

Diplomityöprojektin tuloksena on radiolähettimen reaali-aikainen prototyyppi toteutus, jossa on käytössä laajasti lineaariseen pienimpään neliösummaan perustuva I/Q epäsovituksen estimointi ja vähentämis algoritmi. Implementaatio tuottaa yhdenmukaisia tuloksia Matlab simulaatioiden kanssa ja pystyy toimimaan yleiskäyttöisen suorittimen laskentateholla.