Verfahren der digitalen Kompensation von Unsymmetrien der analogen Quadraturmischung in OFDM-Empfängern (2001)

Als breitbandiges Verteilmedium fur Multimedia-Inhalte mit
portabler und mobiler Empfangsmoglichkeit kann die terrestrische digitale
Rundfunkubertragung eine wesentliche Rolle in der kunftigen informations- und wissensbasierten
Gesellschaft spielen. Ein Schlusselfaktor fur die Akzeptanz des DVB-T-Systems
(Digital Video Broadcasting - Terrestrial) ist die preisgunstige Verfugbarkeit
von Endgeraten, die den Nutzen und Vorteil der digitalen Ubertragungstechnik fur den Verbraucher
erkennbar werden lassen.       Aus wirtschaftlicher Sicht ist daher der Chip- und
Endgerateproduzent bestrebt, durch standardisierte Produktplattformen mit hoher
Integrationsdichte und wenig chipexternen Bauelementen die Herstellungskosten zu minimieren und die
Entwicklung gleichzeitig einem breiten Anwendungsspektrum zuzufuhren.       Aus systemtechnischer Sicht stellt der terrestrische
Funkkanal erhohte Anforderungen an die Robustheit des Nachrichtensystems. Durch das in der
DVB-T-Spezifikation festgeschriebene OFDM-Ubertragungsverfahren (orthogonal
frequency division multiplexing) wird diesen schwierigen
Empfangsverhaltnissen wirksam begegnet.       Die Verknupfung der wirtschaftlichen Gesichtspunkte mit
den systemtechnischen Eigenschaften des OFDM-Verfahrens fuhrt mit Zielrichtung
auf ein direktmischendes Empfangskonzept zu Empfanger-Architekturen, die die oben
genannten Anforderungen nach hoher Integrationsdichte und systemtechnischer
Flexibilitat erfullen. Die zentrale Funktion der Quadraturdemodulation zur
Ruckgewinnung der informationstragenden Basisbandsignale aus dem empfangenen Bandpass-Signal wird
in diesen Empfangskonzepten in analoger Schaltungstechnik ausgefuhrt. Die
Quadraturmischung ist daher aufgrund technologiebedingter Ungenauigkeiten im
Herstellungsprozess mit Amplituden- und Phasenunsymmetrien zwischen den
Quadraturkomponenten behaftet (IQ-Verzerrungen).       Die vorliegende Arbeit liefert Ergebnisse und Losungen zu
folgender im Kontext der breitbandigen OFDM-Ubertragung aktuellen, aber in der
Literatur bisher nur ungenugend betrachteten Fragestellung: 

<p class=MsoNormal style=mso-pagination:
 none; mso-layout-grid-align: none> •     Wie
wirken sich die dem Zeitsignal zugefugten IQ-Unsymmetrien auf die
 Signalqualitat der OFDM-Untertrageramplituden im Frequenzbereich aus? 

<p class=MsoNormal style=mso-pagination:
 none; mso-layout-grid-align: none> •     Konnen
diese IQ-Verzerrungen durch nachgelagerte digitale Kompensationsalgorithmen in einem OFDM-Empfanger beseitigt werden?       Aufbauend auf einer detaillierten mathematischen
Darstellung der durch Amplituden- und Phasenunsymmetrie verzerrten OFDM-Untertrager werden
zwei neuartige Kompensationsverfahren erarbeitet. Beide
Korrekturmechanismen beseitigen die dem analogen Zeitbereichssignal zugefugten Verzerrungen auf
digitaler Ebene im Frequenzbereich. Dabei wird von den zur Schatzung des linear verzerrten
Kanals mitgesendeten Pilottragern Gebrauch gemacht. Das Verfahren der separaten
Kompensation detektiert und kompensiert den IQ-Beitrag der Verzerrungen unabhangig
von den durch Mehrwegeempfang hervorgerufenen linearen Kanalverzerrungen. Es kann somit
in bestehende digitale Empfanger als zusatzliche Funktionseinheit
integriert werden. Das zweite Verfahren beruht auf einer adaptiven Frequenzbereichsentzerrung.
Es wird eine Filterstruktur abgeleitet, mit der sowohl die linearen als auch die durch
die IQ-Unsymmetrie verursachten Verzerrungen gemeinsam beseitigt werden. Die
Einstellung der Filterkoeffizienten erfolgt iterativ zunachst in einer
pilottragerbasierten Trainingsphase. Nach hinreichender Konvergenz geht die Koeffizientenadaption in einen
entscheidungsgestutzten Nachfuhrmodus uber.       In Simulationsmodellen nach DVB-T-Standard wird die
Wirksamkeit der entworfenen Verfahren am praktischen System nachgewiesen und deren
Grenzen unter realen Ausbreitungsbedingungen aufgezeigt.       In Beantwortung der oben aufgebrachten Fragestellung
lassen sich damit die Ergebnisse der Arbeit wie folgt zusammenfassen: 

<p class=MsoNormal style=mso-pagination:
 none; mso-layout-grid-align: none> •     Fur
Modulationsformen mit bandbreiteneffizienten, hoherstufigen
Signalkonstellationen besteht die Notwendigkeit einer IQ-Fehlerkompensation. 

<p class=MsoNormal style=mso-pagination:
 none; mso-layout-grid-align: none> •     In
einem OFDM-Empfanger lassen sich die IQ-Verzerrungen effizient mit Methoden der digitalen Signalverarbeitung auf Frequenzbereichsebene
kompensieren.       Die gewonnen Erkenntnisse stellen einen Beitrag zur
Entwicklung eines hochintegrierten OFDM-Empfangers dar, indem das Zusammenwirken von
digitaler Basisband-Signalverarbeitung unter Anwendung des OFDM-Konzepts und
analoger Schaltungstechnik effizient genutzt wird. Das Verstandnis der durch die
Systemrandbedingungen vorgegeben Auswirkungen auf die Signalqualitat fliest
unmittelbar in die funktionale Architektur der digitalen Signalverarbeitung ein. Dadurch
kann im Hinblick auf eine wirtschaftliche Gesamtlosung ein Ausgleich zwischen den
Genauigkeitsanforderungen an analoge Schaltungskomponenten und dem Anteil der
digitalen Signalverarbeitung angestrebt werden.