KR100813399B1 - Apparatus for i/q mismatch compensation in zero-if receiver and thereof method - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 I/Q 부정합을 보상하기 위한 zero-IF 수신기의 구성도.1 is a block diagram of a zero-IF receiver for compensating for I / Q mismatch according to an embodiment of the present invention.
도 2는 도 1의 디지털 신호처리부의 N개의 수신신호 샘플로부터 I/Q부정합 파라미터와 DC옵셋 파라미터를 추정 및 보상하는 구성의 세부 구성도. FIG. 2 is a detailed block diagram of a configuration for estimating and compensating I / Q mismatch parameter and DC offset parameter from N received signal samples of the digital signal processor of FIG. 1; FIG.
도 3은 도 1의 I/Q부정합 추정부를 개념적으로 도시한 도면.FIG. 3 conceptually illustrates the I / Q mismatch estimator of FIG. 1; FIG.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 I/Q부정합 추정과 DC옵셋 추정성능을 시뮬레이션한 결과를 나타내는 도면.4 to 7 are diagrams showing the results of simulating I / Q mismatch estimation and DC offset estimation performance according to an embodiment of the present invention.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ><Description of Symbols for Main Parts of Drawings>
100 : 아날로그신호 처리부 200 : 디지털신호 처리부100: analog signal processing unit 200: digital signal processing unit
110, 120, 230, 283 : 곱셈기 130, 140 : 저대역통과필터(LPF)110, 120, 230, 283:
210, 220 : A/D 변환기 240, 261, 281 : 가산기210, 220: A /
250 : DC옵셋 보상 추정부 260 : DC옵셋 보상부250: DC offset compensation estimation unit 260: DC offset compensation unit
270 : I/Q 부정합 추정부 280 : I/Q 부정합 보상부270: I / Q mismatch estimator 280: I / Q mismatch compensator
282 : 복소켤레(complex conjugate) 발생부282: complex conjugate generating unit
본 발명은 직접변환구조의 zero-IF 수신기에 관한 것으로, 특히 zero-IF 구조의 수신기에서 DC옵셋과 셀프이미지(self-image) 간섭에 의하여 수신신호가 열화되는 것을 방지하기 위한 I/Q부정합 및 DC옵셋의 디지털 추정/보상방법 및 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a zero-IF receiver having a direct conversion structure. In particular, an I / Q mismatch for preventing a received signal from deteriorating due to DC offset and self-image interference in a receiver having a zero-IF structure, The present invention relates to a digital estimation / compensation method and apparatus for DC offset.
일반적으로, zero-IF(zero-intermediate frequency) 수신기는 수신된 RF신호를 기저대역으로 하향변환하는데 사용되는 아날로그 하향변환회로의 최종단 곱셈기(mixer)의 출력신호의 중심주파수가 제로헤르츠(zero Hz)가 되도록 설계된 수신기를 의미한다. 최종단 출력신호의 중심주파수가 제로헤르츠(zero Hz)가 되기 위해서는 최종단 곱셈기(mixer)의 입력으로 작용하는 수신신호의 캐리어 주파수와 로컬 오실레이터(local oscillator) 신호의 주파수가 일치해야 한다. In general, a zero-intermediate frequency (zero-IF) receiver has a center frequency of zero Hz in an output signal of a final mixer of an analog downconversion circuit used to downconvert a received RF signal to a baseband. Means a receiver designed to be In order for the center frequency of the final stage output signal to be zero Hz, the carrier frequency of the reception signal serving as the input of the final stage multiplier and the frequency of the local oscillator signal must match.
이러한 zero-IF 수신기에 해당하는 대표적인 구조로는 직접변환수신기 구조와 여러 개의 곱셈기(mixer)회로를 사용하여 다단계 하향변환하는 수퍼헤테로다인 구조가 있다. Representative structures corresponding to the zero-IF receiver include a direct conversion receiver structure and a superheterodyne structure that performs multi-step down conversion using a plurality of multiplier circuits.
특히, 직접변환구조는 RF대역의 신호를 직각위상 곱셈기(quadrature mixer)회로를 사용하여 직접 기저대역(baseband)으로 하향변환하는 구조이다. 이러한 직접변환수신기는 수퍼헤테로다인 구조에서 불가능한 단일 칩 구현을 가능케하며 전력소모가 적기 때문에 더 각광받고 있다. 즉, 수퍼헤테로다인 수신기 구조에서는 1차 하향변환회로에 의해 발생하는 이미지 대역(image-band)신호의 유입을 원천적으 로 억제(rejection)하기 위하여 LNA다음에 높은 Q?factor의 IR(image-reject) 필터를 사용해야 하고 IF대역에서도 대역통과필터로 사용하여 이미지대역신호의 유입을 차단해야 한다. In particular, the direct conversion structure is a structure that directly down-converts an RF band signal to a baseband using a quadrature mixer circuit. Such direct conversion receivers are gaining more attention because they enable single-chip implementations that are impossible with superheterodyne architectures and consume less power. In other words, in the superheterodyne receiver structure, the high Q? Factor (IR) after the LNA is inherently suppressed to inject the image-band signal generated by the primary downconversion circuit. ) Filter should be used and inflow of image band signal should be used as band pass filter in IF band.
그런데, 수퍼헤테로다인 구조에서 좋은 채널선택성과 수신감도를 얻기 위해서는 높은 주파수에서 동작하는 SAW필터가 사용되어야 하기 때문에 이로 인하여 수신기 전력소모가 크고 단일 칩 구현이 불가능하게 되어 무선통신단말기의 폼팩터(form factor)에 부정적인 영향을 미친다. However, in order to obtain good channel selectivity and reception sensitivity in the superheterodyne structure, a SAW filter operating at a high frequency must be used, which results in a large receiver power consumption and impossibility of implementing a single chip. Negatively)
이러한 수퍼헤테로다인 구조와는 달리 직접변환구조에서는 직각위상 곱셈기(quadrature mixer)에 유입되는 로컬오실레이터 신호 주파수의 설계치가 캐리어 주파수와 동일하기 때문에 RF대역의 다른 신호들이 기저대역으로 하향변환되어 이미지밴드(image-band) 간섭신호로로 작용하는 일이 발생하지 않기 때문에 SAW필터가 불필요하다. Unlike the superheterodyne structure, in the direct conversion structure, since the design value of the local oscillator signal frequency flowing into the quadrature mixer is the same as the carrier frequency, other signals in the RF band are down-converted to the baseband and thus image band ( The SAW filter is unnecessary because it does not occur as an interference signal.
따라서, 직접변환수신기는 RF 수신기를 단일 칩 안에 구현할 수 있어 전력소모, 폼팩터(form factor) 및 가격 등의 설계요소가 중요한 무선통신단말기 구현에 유용한 구조이다.Therefore, the direct conversion receiver can implement an RF receiver in a single chip, which is a useful structure for implementing a wireless communication terminal where design factors such as power consumption, form factor, and price are important.
한편, zero-IF의 신호수신성능에 영향을 미치는 요소들 중에 최근에 특히 중요한 것으로 인식되고 있는 것은 I/Q 부정합과 DC옵셋이다. On the other hand, among the factors influencing the signal reception performance of zero-IF, it is recently recognized as particularly important is I / Q mismatch and DC offset.
디지털 통신시스템에서 수신된 신호를 검출(detection)하기 위해 통과대역신호를 하향변환하여 복소 기저대역신호로 변환하는데, 복소기저대역신호는 동위상(i)채널신호와 직교위상(q) 채널신호로 구성된다. 이러한 I/Q 채널신호는 증폭 기, 저역통과필터, ADC를 통과하게 되는데, 이 과정에서 I와 Q 채널신호의 전달특성이 동일하지 않는 것을 I/Q 부정합이라고 하고, I/Q신호에 원하지 않는 DC성분이 첨가되는 것을 DC 옵셋이라고 한다.In order to detect a signal received in a digital communication system, the passband signal is down-converted into a complex baseband signal. The complex baseband signal is converted into an in-phase (i) channel signal and a quadrature-phase (q) channel signal. It is composed. The I / Q channel signal passes through the amplifier, low pass filter, and ADC. In this process, the I and Q channel signals have different transmission characteristics. The addition of a DC component is called a DC offset.
DC 옵셋과 I/Q 부정합에 대해 더욱 구체적으로 설명하면, 먼저, DC옵셋은 곱셈기(mixer) 출력단에서 수신신호에 더해져서 나타나는 DC성분을 가리키며, 이것은 제거되지 않을 경우 수신기의 동적범위(dynamic range)와 신호품질을 심각히 열화시키게 된다. More specifically, the DC offset and the I / Q mismatch, first, the DC offset refers to the DC component that appears in addition to the received signal at the output of the mixer, which, if not eliminated, is the dynamic range of the receiver. And signal quality will be seriously degraded.
이러한 DC 옵셋은 곱셈기(mixer)의 두 입력포트사이의 전기적인 커플링으로 인하여 다른 포트로 누출(leakage)된 신호성분이 원래 신호와 믹싱(mixing) 되는 현상(self-mixing)이 주된 원인이며, 수신신호에 로컬오실레이터 출력신호와 동일한 주파수 성분이 존재하는 경우도 발생한다. 곱셈기(mixer) 입력포트들 사이의 누출(leakage)은 로컬오실레이터 신호가 누출되는 경우와 수신신호가 다른 포트로 누출되는 경우가 존재한다. This DC offset is mainly caused by self-mixing of signal components leaked to other ports due to electrical coupling between two input ports of a multiplier. It also occurs when the received signal contains the same frequency component as the local oscillator output signal. Leakage between the mixer input ports may occur when the local oscillator signal is leaked or when the received signal is leaked to another port.
특히 주의할 것은 DC옵셋의 그 크기가 수신신호 크기보다 매우 크기 때문에 반드시 아날로그 고대역 통과필터(또는 Notch 필터)로 제거해 주어야 하며, 아날로그단에서 충분히 제거되지 않아서 디지털신호에 존재하는 남은 여분의 DC옵셋은 디지털단에서 추가적으로 제거해주어야 한다는 점이다.In particular, because the size of the DC offset is much larger than the received signal, it must be removed with an analog high pass filter (or notch filter), and the remaining extra DC offset present in the digital signal because it is not sufficiently removed at the analog stage. Is an additional removal from the digital stage.
한편, I/Q 부정합은 수신기 하향변환회로의 I경로와 Q경로 임펄스응답의 크기(gain)와 위상(phase)의 차이를 가리키며, 이것은 직각위상 곱셈기(quadrature mixer) 회로의 출력단에 원하는 신호의 복소 켤레(complex conjugate) 성분의 일부 가 원하는 신호에 더해져 나타나는 현상을 발생시킨다. 이 현상을 셀프이미지(self-image) 간섭현상이라고 부르며, 이것은 OFDM (orthogonal frequency division multiplexing) 방식의 다중캐리어 시스템들에서는 서로 반대주파수를 갖는 캐리어신호들이 간섭하는 현상(반대 주파수간섭이라 부름)으로 나타난다. 고수준의 QAM 인코딩을 사용하는 시스템에서 I/Q부정합으로 인한 SER(symbol error rate)의 열화는 특히 심각하다. On the other hand, I / Q mismatch refers to the difference between the gain and phase of the I and Q path impulse responses of the receiver downconversion circuit, which is a complex of the desired signal at the output of the quadrature mixer circuit. Some of the complex conjugates add up to the desired signal. This phenomenon is referred to as self-image interference, which occurs in carrier signals with opposite frequencies (called opposite frequency interference) in orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) multicarrier systems. . Degradation of symbol error rate (SER) due to I / Q mismatch is especially severe in systems using high level QAM encoding.
I/Q부정합이 발생하는 주요원인들은 수신기의 로컬오실레이터로부터 출력된 정현파의 위상(phase)을 천이시켜 I/Q경로의 곱셈기(mixer)들로 전달하는 위상천이(phase-shift) 회로의 결함과, I경로와 Q경로 상에 있는 필터, 증폭기 등 소자들 사이의 응답특성이 정확히 동일하지 않는 특성을 들 수 있다.The main causes of I / Q mismatch are defects in phase-shift circuits that shift the phase of the sine wave output from the local oscillator of the receiver and deliver them to the mixers of the I / Q path. For example, the response characteristics of elements such as a filter and an amplifier in the I path and the Q path may not be exactly the same.
특히, 오실레이터(oscillator) 주파수가 고정되었다고 가정하면, 전자의 결함은 위상쉬프트(phase-shift)회로의 이득부정합(gain mismatch)과 위상부정합(phase mismatch)이 수신신호의 전체대역에 동일하게 영향을 미치기 때문에 주파수 비선택적 특성을 갖고, 후자의 결함은 수신신호의 주파수성분에 따라 다른 I/Q 부정합을 초래하므로 주파수 선택적 특성을 갖게 된다. In particular, assuming that the oscillator frequency is fixed, the former defect is affected by the gain mismatch and phase mismatch of the phase-shift circuit equally affecting the entire band of the received signal. Because of its insufficiency, it has a frequency non-selective characteristic, and the latter defect has a frequency selective characteristic because it causes different I / Q mismatches depending on the frequency components of the received signal.
일반적으로 수신신호의 대역폭이 캐리어 주파수보다 현저히 작은 경우(0.2%이하, SNR이 32 dB이하일 때)를 협대역신호로 분류하는데, 협대역신호의 경우 I/Q부정합은 주파수 비선택적 특성을 갖고 광대역신호의 경우에는 I/Q부정합이 주파수선택적 특성을 갖는 것으로 모델링하는 것이 일반적이다.In general, when the bandwidth of the received signal is significantly smaller than the carrier frequency (less than 0.2%, SNR is less than 32 dB) is classified as a narrowband signal, for narrowband signals I / Q mismatch has a frequency non-selective characteristics and wideband In the case of signals, it is common to model the I / Q mismatch as having a frequency selective characteristic.
zero-IF 수신기의 이러한 I/Q 부정합 문제를 해결하기 위한 종래에 여러 기 술들이 개발되어 왔으며, 그 방법 중에 아날로그 보정기법과 디지털 보정기법이 있다. Various techniques have been developed to solve the I / Q mismatch problem of the zero-IF receiver. Among them, analog and digital correction techniques are used.
아날로그 보정기법은 특별히 고안된 보정회로를 사용하여 직각위상 곱셈기(quadrature mixer)의 I경로와 Q경로의 이득(gain)과 위상(phase)를 직접 제어하고자 하는 방법이다.The analog correction technique is a method for directly controlling gain and phase of the I and Q paths of a quadrature mixer using a specially designed correction circuit.
한편, 디지털 보정기법들은 디지털 단에서 I/Q부정합 파라미터를 추정하여 디지털 회로를 사용하여 부정합을 보정하는 방법으로서, DA(data-aided)방식과 NDA(non-data-aided)방식으로 구분하거나, 또는 주파수 비선택적 I/Q부정합 보상기법과 주파수 선택적 I/Q부정합 보상기법 등으로 구분할 수 있다. On the other hand, digital correction techniques are methods of correcting mismatches using digital circuits by estimating I / Q mismatch parameters in the digital stage, and are classified into a data (aided) method and a non-data-aided (NDA) method. Alternatively, the method may be classified into a frequency non-selective I / Q mismatch compensation technique and a frequency selective I / Q mismatch compensation technique.
특히, 디지털 보정기법 중 DA방식은 수신기에 대응되는 송신기로부터 송신된 미리 약속된 훈련신호를 수신하여 I/Q부정합 파라미터를 추정하는 방법이고, NDA방식은 송신신호에 대한 구체적인 정보 없이 수신된 신호의 통계적 특성을 이용하여 부정합 파라미터를 추정하는 방법이다. 한편, DA방식들 중에는 초기에만 약속된 신호를 이용하고 이후에는 DD(decision-directed)방식으로 동작하는 방법도 있다. In particular, the DA method of the digital correction technique is a method of estimating an I / Q mismatch parameter by receiving a predetermined training signal transmitted from a transmitter corresponding to a receiver, and the NDA method of a received signal without specific information about a transmission signal. A method of estimating mismatch parameters using statistical characteristics. On the other hand, some of the DA schemes use a signal promised only at the beginning and then operate in a decision-directed (DD) scheme.
Zero-IF수신기의 I/Q부정합의 추정 및 보상을 위해서 제안된 디지털 보정방법들은 DA 또는 DD방식들이 대부분이며, 광대역시스템의 주파수선택적 I/Q부정합의 추정 및 보상을 위해서 제안된 DA 또는 DD 방식들은 주파수 옵셋이 없는 것을 가정하고 있다. 주목할 점은 협대역시스템의 DA방법들은 주파수옵셋이 존재할 경우 그 성능이 심각히 열화되거나, 또는 주파수 옵셋, 채널, DC옵셋 및 I/Q부정합을 연립으로 추정함으로 인해 수신기 복잡도가 매우 높다는 문제점이 있다.The digital correction methods proposed for the estimation and compensation of I / Q mismatch of zero-IF receiver are mostly DA or DD schemes, and the DA or DD scheme proposed for estimation and compensation of frequency selective I / Q mismatch of broadband system. These assume no frequency offset. Note that the DA methods of the narrowband system have a problem in that the performance is severely degraded in the presence of a frequency offset, or the receiver complexity is very high due to the estimation of frequency offset, channel, DC offset, and I / Q mismatch.
한국특허출원 10-2002-0026853호는 직접 변환수신기의 I/Q 부정합을 DA방식을 이용하여 DC 옵셋 및 I/Q 부정합을 추정하고 보상하는 것으로서, 주파수 옵셋이 존재하는 경우에 사용이 불가능하며 특히 훈련신호(training sequence)가 명세서에서 규정한 조건을 만족시키지 못하는 경우에는 성능이 열화되는 문제점이 있다.Korean Patent Application No. 10-2002-0026853 estimates and compensates for DC offset and I / Q mismatch by using the DA method for the I / Q mismatch of a direct conversion receiver. If the training sequence does not satisfy the conditions specified in the specification, there is a problem in that performance deteriorates.
이러한 문제점을 해결하기 위한 기술로 한국특허출원 10-2003-0068330호이 있으나, 이 기술도 역시 직접변환수신기의 I/Q부정합을 DA방식으로 추정하고 보상하는 방법으로서, 수신기의 복잡도가 심각하게 증가하고 송신기에서 미리 약속된 훈련신호를 보내지 않을 경우에는 사용이 불가한 문제점이 있었다.As a technique to solve this problem, Korean Patent Application No. 10-2003-0068330, but this technique is also a method for estimating and compensating I / Q mismatch of the direct conversion receiver by the DA method, and the complexity of the receiver increases significantly. If the transmitter does not send a predetermined training signal, there is a problem that can not be used.
이와 같이, zero-IF 수신기의 I/Q부정합의 추정 및 보상을 위한 종래의 DA 방법들은 주파수옵셋이 존재하는 경우 I/Q부정합 추정기의 복잡도가 매우 높아서 실제 시스템에 적용하기에 어려운 점이 있었다. As described above, the conventional DA methods for estimating and compensating I / Q mismatch of the zero-IF receiver have a high complexity of the I / Q mismatch estimator when frequency offset exists, which makes it difficult to apply to an actual system.
따라서, DA 및 DD방법과 달리 미리 약속된 훈련신호를 사용하지 않고 수신신호의 특성만을 이용하여 I/Q부정합을 추정하는 방법의 개발을 통하여 수신기의 복잡도의 증가없이 I/Q 부정합을 보상을 가능케 할 필요가 있다.Therefore, unlike the DA and DD methods, the I / Q mismatch can be compensated without increasing the complexity of the receiver through the development of a method of estimating the I / Q mismatch using only the characteristics of the received signal without using a predetermined training signal. Needs to be.
따라서, 상술된 문제를 해결하기 위한 본 발명은 zero-IF 구조의 수신기의 주파수 비선택적 I/Q부정합을 추정 및 보상함에 있어서 미리 약속된 훈련신호를 사용하지 않고, 미지의 수신신호의 통계적 특성을 이용하여 I/Q부정합을 추정하여 보상하는 방법 및 장치를 제공함에 그 목적이 있다. Accordingly, the present invention for solving the above-described problem does not use a predetermined training signal in estimating and compensating for frequency non-selective I / Q mismatch of a receiver having a zero-IF structure, and provides statistical characteristics of an unknown received signal. It is an object of the present invention to provide a method and apparatus for estimating and compensating I / Q mismatch by using the same.
위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 zero-IF 수신기의 I/Q부정합 보상 방법은, 임의의 수신신호로부터 DC 옵셋 파라미터를 추정하는 제 1 과정과, 상기 DC 옵셋 파라미터를 이용하여 상기 임의의 수신신호의 DC 옵셋을 제거하는 제 2 과정과, 상기 DC 옵셋이 제거된 신호의 통계적 특성을 이용하여, I/Q 부정합 파라미터를 추정하는 제 3 과정과, 상기 I/Q 부정합 파라미터를 이용하여 상기 DC 옵셋이 제거된 신호로부터 I/Q 부정합을 제거하는 제 4 과정을 포함하여 구성함을 특징으로 한다.An I / Q mismatch compensation method of a zero-IF receiver according to an embodiment of the present invention for achieving the above object, the first process of estimating the DC offset parameter from any received signal, and using the DC offset parameter A second step of eliminating the DC offset of the arbitrary received signal, a third step of estimating the I / Q mismatch parameter using the statistical characteristics of the signal from which the DC offset is removed, and the I / Q mismatch parameter And a fourth process of removing I / Q mismatch from the signal from which the DC offset is removed.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 zero-IF 수신기의 I/Q부정합 보상 장치는, 임의의 수신신호로부터 DC 옵셋 파라미터를 추정하는 DC옵셋 추정부와, 상기 DC 옵셋 파라미터를 이용하여 상기 임의의 수신신호의 DC 옵셋을 제거하는 DC옵셋 보상부와, 상기 DC옵셋 보상부의 출력신호의 통계적 특성을 이용하여 I/Q 부정합 파라미터를 추정하는 I/Q부정합 추정부와, 상기 I/Q 부정합 파라미터를 이용하여 상기 DC옵셋 보상부의 출력신호로부터 I/Q 부정합을 제거하는 I/Q 부정합 보상부를 포함하여 구성함을 특징으로 한다.The I / Q mismatch compensation device of the zero-IF receiver according to the embodiment of the present invention includes a DC offset estimator for estimating a DC offset parameter from an arbitrary received signal, and the arbitrary reception using the DC offset parameter. A DC offset compensator for removing a DC offset of the signal, an I / Q mismatch estimator for estimating an I / Q mismatch parameter using statistical characteristics of an output signal of the DC offset compensator, and the I / Q mismatch parameter And an I / Q mismatch compensator for removing I / Q mismatch from the output signal of the DC offset compensator.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a preferred embodiment of the present invention.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 NDA (non-data-aided)방식으로 I/Q 부정합을 보상하기 위한 zero-IF 수신기의 구성도이다. 여기서, NDA 방식은 송신기와 수신기 사이에 미리 약속된 훈련신호를 사용하지 않고 수신신호의 통계적 특성만을 이용하여 I/Q 부정합을 추정하는 방식이다.1 is a configuration diagram of a zero-IF receiver for compensating for I / Q mismatch in a non-data-aided (NDA) method according to an embodiment of the present invention. Here, the NDA method is a method of estimating I / Q mismatches using only statistical characteristics of a received signal without using a training signal previously promised between a transmitter and a receiver.
본 발명의 실시예에 따른 zero-IF 수신기는 아날로그 신호처리부(Analog processing part; 100)와 디지털 신호처리부(Digital processing part;200)를 포함한다. The zero-IF receiver according to the embodiment of the present invention includes an analog
아날로그 신호처리부(100)는 곱셈기(mixer;110, 120)들과 저대역통과필터(low pass filter;130, 140)들로 구성되며, 디지털 신호처리부(200)는 A/D변환기(210, 220), 곱셈기(230), 가산부(240), DC옵셋 추정부(250), DC옵셋 보상부(260), 및 I/Q부정합 추정부(270), 및 I/Q부정합 보상부(280)로 구성된다. The
이때, 도 1에서는 본 발명을 설명하는데 필수적인 요소들만을 도시하였다. 즉, 아날로그 신호처리부(110)에서 I 및 Q 경로상의 AGC나 DC옵셋을 제거하기 위한 아날로그 고대역필터(High-pass filter) 등을 포함한 있을 수 있는 소자들과, 디지털 신호처리부(200)에서 주파수옵셋의 추정 및 보상, 채널등화, 및 클럭 동기회로를 포함한 일반적으로 요구되는 기능블럭들은 도면에서 생략하였다. 1 illustrates only the elements essential for describing the present invention. That is, the
곱셈기(110, 120)는 I경로와 Q 경로에 각각 구비되어, 수신된 입력신호를 각각 믹싱하고, 저대역통과필터(130, 140)는 곱셈기(110, 120)를 통해 각각 전송받은 신호를 필터링한다.The
A/D변환기(210, 220)는 저대역통과필터(130, 140)를 통해 각각 수신한 아날로그신호를 디지털신호로 각각 변환하고, 곱셈기(230)는 A/D변환기(220)의 출력신호를 믹싱하며, 가산부(240)는 A/D변환기(210)의 출력신호 및 곱셈기(230)의 출력신호를 가산한다.The A /
DC옵셋 추정부(250)는 가산기(240)로부터 출력된 신호 를 이용하여 DC 옵셋 파라미터 을 추정하고, DC옵셋 보상부(260)는 DC 옵셋추정부(250)로부터 추정된 추정치를 이용하여 가산부(240)의 출력신호의 DC 옵셋을 제거한다. 이때, 도 2에 도시한 바와 같이, DC옵셋 보상부(260)는 가산기(261)를 구비하고, 가산기(261)는 수신신호 로부터 DC옵셋 추정부(250)의 추정치 를 이용하여 DC옵셋을 제거한다. 이때, 대신에 을 사용할 수도 있다. The DC offset
I/Q 부정합 추정부(270)는 DC 옵셋 보상부(260)의 출력신호를 이용하여 I/Q 부정합 파라미터 를 추정하고, I/Q부정합 보상부(280)는 I/Q부정합 추정부(270)에 의해 추정된 I/Q 부정합 파라미터를 이용하여 DC 옵셋 보상부(260)의 출력신호를 보상한다.The I /
이를 위해, I/Q 부정합 보상부(280)는 도 2에 도시된 바와 같이, 복소켤레(complex conjugate) 발생부(281), 곱셈기(282), 및 가산기(283)를 구비한다. 복소켤레 발생부(281)는 DC옵셋 보상부(260)로부터 출력된 DC옵셋이 제거된 수신신호의 복소켤레신호를 발생시킨다. 곱셈기(282)는 복소켤레 발생부(281)의 출력신호에 I/Q 부정합 추정부(270)에서 추정한 I/Q 부정합 파라미터를 곱한다. 가산기(281)는 DC옵셋 보상부(260)의 출력신호로부터 곱셈기(282)의 출력신호를 이용하여 I/Q 부정합을 제거한다. To this end, the I /
상기와 같은 구성을 갖는 zero-IF 수신기는 수신된 입력신호를 I 경로와 Q 경로의 곱셈기(mixer;110, 120)들로 입력하고, 곱셈기(110, 120)들의 출력을 저대 역통과필터(LPF;130, 140)와 A/D변환기(210, 220)를 거쳐 디지털 신호로 변환시킨다. 그 후, 변환된 디지털신호를 이용하여 DC옵셋을 추정하고, 이 추정치를 사용하여 DC옵셋보상부(250)에서 DC옵셋을 제거한다. DC옵셋보상부(250)의 출력신호 즉 DC옵셋이 보상된 신호로부터 I/Q부정합 파라미터를 추정하고, 이 추정치를 사용하여 수신신호에 존재하는 셀프이미지(self-image)신호를 제거하는 I/Q 부정합 보상과정을 거친다.The zero-IF receiver having the configuration described above inputs the received input signal to the
이하, 도 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명의 I/Q부정합 및 DC옵셋의 추정 및 보상방법에 대하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, the method of estimating and compensating I / Q mismatch and DC offset according to the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 and 2.
도 1에서 는 안테나를 통해 수신된 신호가 LNA를 포함한 아날로그 회로를 거쳐 곱셈기(mixer)로 입력되는 신호를 가리킨다. 는 로컬오실레이터 출력신호의 주파수를 나타내며, 과 는 I 경로 상의 소자들의 특성과 Q 경로상의 소자들 사이에 존재하는 크기와 위상의 부정합 값을 나타낸다. In Figure 1 Indicates a signal received through the antenna is input to the mixer through an analog circuit including the LNA. Denotes the frequency of the local oscillator output signal, and Denotes a mismatch between the characteristics of the elements on the I path and the magnitude and phase present between the elements on the Q path.
먼저, 안테나를 통해 수신된 신호 는 아래 수학식 1과 같이 표현할 수 있다.First, the signal received through the antenna Can be expressed as Equation 1 below.
[수학식 1][Equation 1]
여기서 는 연속타임인덱스(continuous time index)이고, 는 수신신호에 대한 기저대역 등가표현식(equivalent expression)이며, 는 수신신호의 캐 리어주파수(carrier frequency), 는 캐리어위상옵셋(carrier phase offset)이고, 는 부가 잡음(additive noise)이다. here Is the continuous time index, Is the baseband equivalent expression for the received signal, Is the carrier frequency of the received signal, Is the carrier phase offset, Is additive noise.
Zero-IF구조에서는 RF신호를 기저대역으로 하향변환(downconversion)하기 위해 직각위상 곱셈기(quadrature mixer;110,120)를 사용하는데, 이 과정에서 I/Q 부정합과 DC옵셋이 발생한다. I/Q부정합이 주파수 비선택적 특성을 가질 경우에 I 경로와 Q 경로의 A/D변환기 입력신호들은 각각 아래 수학식 2 및 3과 같이 표현할 수 있다.In the Zero-IF structure,
[수학식 2][Equation 2]
[수학식 3][Equation 3]
여기서, , 는 캐리어주파수옵셋(carrier frequency offset), 와 는 각각 I 경로와 Q 경로에서 발생한 DC옵셋이며, 는 를 저대역통과필터링(low pass filtering)한 결과이다. I 경로와 Q 경로의 저역통과필터의 출력신호들을 A/D 변환기(210, 220)에서 의 샘플링 속도로 샘플링하여 A/D변환한 후, 가산기(240)를 통해 가산한 디지털신호 는 아래 수학식 4와 같이 표현된다. here, , Is the carrier frequency offset, Wow Are the DC offsets generated in the I and Q paths, respectively. Is Is the result of low pass filtering. The output signals of the low pass filters of the I path and the Q path are transferred from the A /
[수학식 4][Equation 4]
여기서, 아래첨자 은 이산타임인덱스(discrete time index)를 나타내며, , , , , 는 정규화된 주파수옵셋(normalized frequency offset), 과 은 각각 와 를 샘플링한 값이다. 여기서, 은 I/Q 부정합이 존재하지 않는(즉, 일 때) 이상적인 수신기로 하향변환하여 얻을 수 있는 디지털신호를 의미한다.Where subscript Represents a discrete time index, , , , , Is a normalized frequency offset, and Are each Wow Is a sampled value. here, Does not have an I / Q mismatch (i.e. Is a digital signal obtained by downconverting to an ideal receiver.
따라서, 수학식 4로부터 zero-IF 구조의 수신기에서 I/Q 부정합으로 인한 셀프이미지 간섭현상(self-image interference phenomenon)과 신호누출(signal leakage)로 인한 DC옵셋 현상을 알 수 있다.Accordingly, it can be seen from Equation 4 that a self-image interference phenomenon due to I / Q mismatch and a DC offset phenomenon due to signal leakage in a receiver having a zero-IF structure.
상기의 디지털 수신신호 에 대한 표현식으로부터 아래 수학식 5를 얻을 수 있다.The digital received signal Equation 5 can be obtained from the expression for.
[수학식 5][Equation 5]
여기서, 는 I/Q 부정합 파라미터이고, 는 수학식 4에 정의되어 있다. 다만, 수학식 1~수학식 4에 걸쳐 나오는 뿐만 아니라, 와 , , 및 도 모두 I/Q부정합의 정도를 나타내는 파라미터이지만, I/Q부정합을 보상하는 데에는 만으로 충분하므로 다른 파라미터들( 와 , , 및 도)을 굳이 I/Q부정합 파라미터라고 명명하지 않기로 한다. here, Is an I / Q mismatch parameter, Is defined in equation (4). However, the equations 1 to 4 appear through As well as, Wow , , And Although all are parameters representing the degree of I / Q mismatch, it is necessary to compensate for the I / Q mismatch. All you need is other parameters ( Wow , , And Fig. 6) will not be called an I / Q mismatch parameter.
이 식의 오른쪽 항은 원하는 신호인 에 복소수가 곱해진 형태를 가지며 이 전치항 은 채널전달함수에 포함시킬 수 있으므로, 와 의 값을 아는 경우에는 위 식의 왼쪽 항과 같은 방법으로 I/Q부정합과 DC옵셋을 보상할 수 있다. The right term of this equation is the desired signal Has a complex number multiplied by this transpose Can be included in the channel transfer function, Wow If the value of is known, I / Q mismatch and DC offset can be compensated in the same way as the left term of the above equation.
상기한 바와 같이 I/Q 부정합 파라미터 와 DC옵셋 파라미터 의 값을 알 수 있는 경우에는 I/Q부정합과 DC옵셋을 보상할 수 있으므로, I/Q부정합과 DC옵셋 보상의 문제는 이 파라미터들을 추정하는 문제로 귀결된다.I / Q mismatch parameter as described above And DC offset parameters If the value of is known, I / Q mismatch and DC offset can be compensated. Therefore, the problem of I / Q mismatch and DC offset compensation results in estimating these parameters.
이러한 I/Q 부정합 파라미터 와 DC옵셋 파라미터 에 대한 추정방법은 다음과 같은 방법으로 유도된다. 이를 위해서 먼저 원하는 수신신호 가 zero-mean wide-sense stationary(WSS) 프로세스이며, 을 만족하고, ergodic in the wide-sense라고 가정하기로 한다. 참고로, 를 , 또는 로 정의할 때, 의 관계식을 만족시키는 임의의 랜덤 프로세스 는 ergodic in the wide-sense라고 일컫는다.These I / Q mismatch parameters And DC offset parameters The estimation method for is derived by the following method. To do this, first you want to receive the signal Is a zero-mean wide-sense stationary (WSS) process, We will assume that we satisfy, and ergodic in the wide-sense. Note that, To , or When defined as Random process that satisfies the relation of Is called ergodic in the wide-sense.
그러면 상기의 수학식 4 및 5로부터 아래 수학식 6 및 7을 도출할 수 있다. Then, the following Equations 6 and 7 can be derived from the above Equations 4 and 5.
[수학식 6][Equation 6]
[수학식 7] [Equation 7]
그 후, 수학식 7을 에 대하여 풀면 아래 수학식 8과 같이 된다.Then, the equation (7) Solving for Eq. (8).
[수학식 8][Equation 8]
여기서, 이고 로 정의된다. here, ego Is defined as
수학식 8은 수학식 7에 대한 의 솔루션(solution)이 2개가 존재함을 나타내며, 그 중에 실행가능솔루션(feasible solution)을 다음과 같은 관찰을 통해 결정할 수 있다.
첫째 관찰점은 실제 상황에서 나타날 수 있는 위상 부정합 의 값은 90도 미만이라는 점이며, 의 절대값은 와 같이 쓰여지므로, 이로부터 임을 알 수 있다. The first observation point is the phase mismatch that can occur in real situations. Is less than 90 degrees, The absolute value of Is written as It can be seen that.
둘째 관찰점은 수학식 8의 2개의 솔루션(solution)들을 과 와 같이 정의하면, 이 둘은 서로 켤레역수쌍(conjugate reciprocal pair)이고 은 Cauchy-Schwartz inequality를 이용하여 쉽게 증명할 수 있기 때문에 이고 이라는 점이다. The second observation point is the two solutions and If you define this as two conjugate reciprocal pairs Can be easily proved using the Cauchy-Schwartz inequality ego Is that.
이 두 가지 관찰점으로부터 에 대한 실행가능솔루션(feasible solution)은 아래 수학식 9와 같이 정의된다.From these two observations The feasible solution for is defined as in Equation 9 below.
[수학식 9][Equation 9]
그런데, 수학식 6 및 수학식 9를 이용하여 와 를 추정하기 위해서 필요한 앙상블평균값(ensemble average)인 와 값을 산출하는 것은 현실적으로 쉽지 않기 때문에 수신신호의 에르고시티(ergodicity)를 이용하여 N개의 수신신호 샘플로부터 와 를 추정하고자 한다. However, by using Equations 6 and 9 Wow The ensemble average required to estimate Wow Since calculating the value is not practically easy, we can use the ergodicity of the received signal to extract from the N samples of the received signal. Wow We want to estimate.
이 ergodic in the wide-sense인 프로세스라고 가정할 경우, , , 및 도 ergodic in the wide-sense임을 쉽게 증명할 수 있으며, 이것은 N이 무한대로 큰 경우에 그 샘플평균값(sample average)이 앙상블평균값(ensemble average)으로 수렴함을 의미한다. Assuming this is a process that is ergodic in the wide-sense, , , And It can also be easily proved that ergodic in the wide-sense, which means that when N is infinitely large, the sample average converges to an ensemble average.
따라서, 아래 수학식 10과 같이 정의하면 N이 무한대로 증가할 때, , 및 은 각각 , 및 로 수렴함을 알 수 있다.Therefore, when N is defined as in
[수학식 10][Equation 10]
, , , ,
결과적으로, N이 무한으로 증가할 때 로 수렴하는 추정치는 아래 수학식 11과 같다.As a result, when N increases infinitely The convergence estimate is given by Equation 11 below.
[수학식 11][Equation 11]
따라서, 수학식 10 및 수학식 11은 각각 N개의 수신신호 샘플로부터 I/Q부정합과 DC옵셋 파라미터 값을 추정하는 추정기에 대한 표현식이며, 특히, I/Q부정합 추정부(270)의 I/Q 부정합 파라미터 추정방법에 관한 수식을 도식화하여 도 3에 나타내었다. Accordingly,
다만, 도 3에서는 및 를 구할 때 을 곱하는 연산을 생략하고 있으나, 이것은 이렇게 구한 및 를 수학식 11에 적용해도 동일한 결과가 얻어지기 때문이다. 도 3에서 을 구하는 과정은 2N번의 복소수 곱셈연산과 N-1번의 복소수 덧셈연산으로 이루어지며, 을 구하는 과정은 2N번의 복소수 곱셈연산과 N-1번의 실수 덧셈연산으로 이루어진다. 또한, 의 연산 은 덧셈 연산과 스퀘어루트(square-root) 연산 및 나눗셈연산으로 이루어진다.However, in FIG. 3 And When you get Omit the operation to multiply by, but this is And It is because the same result is obtained even if it is applied to (11). In Figure 3 The process of solving consists of 2N complex multiplications and N-1 complex additions, The process to find is composed of 2N complex multiplications and N-1 real additions. Also, The operation of is composed of an addition operation, a square-root operation, and a division operation.
이하, 본 발명의 zero-IF 수신기의 성능을 분석 결과 및 그 시뮬레이션 결과에 대해 설명하기로 한다.Hereinafter, an analysis result and a simulation result of the performance of the zero-IF receiver of the present invention will be described.
먼저, 이 평균이 zero이고 i.i.d(independent identically distributed)인 원형대칭(circular symmetric) 랜덤신호열이라고 가정하고, 추정기의 평균자승오차(mean-squared error;이하, MSE라 칭함)를 계산하면, DC 옵셋 추정부(250)의 MSE는 아래 수학식 12와 같다.first, Assuming that the mean is zero and iid (independent identically distributed) circular symmetric random signal sequence, and calculate the mean-squared error (hereinafter referred to as MSE) of the estimator, the DC offset estimator ( The MSE of 250) is shown in Equation 12 below.
[수학식 12][Equation 12]
여기서, 이다.here, to be.
또한, I/Q부정합 추정부(270)의 MSE는 아래 수학식 13과 같다.In addition, the MSE of the I /
[수학식 13][Equation 13]
여기서, 로서 의 kurtosis이다.here, as Is kurtosis.
한편, 도 4 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 I/Q부정합 추정과 DC옵셋 추정성능을 시뮬레이션한 결과를 도시한다.4 through 7 illustrate simulation results of I / Q mismatch estimation and DC offset estimation performance according to an embodiment of the present invention.
여기서, 시뮬레이션에 사용한 파라미터 값들은 다음과 같다. Here, the parameter values used in the simulation are as follows.
SNR은 20 dB, 주파수 옵셋( )은 0.01, 위상(phase) 옵셋( )은 0도, 고도(amplitude) 부정합( )은 0.1, 위상(phase) 부정합( )은 10도, DC 옵셋은 0.1+j0.1이다. 레일리(Rayleigh) 페이딩 채널에서의 시뮬레이션에는 최대 도플러천이( )가 0.01인 Jakes 모델에 따라 채널 파라미터를 생성하였다. SNR is 20 dB, frequency offset ( ) Is 0.01, the phase offset ( ) Is 0 degrees, and the amplitude mismatch ( ) Is 0.1, phase mismatch ( ) Is 10 degrees and the DC offset is 0.1 + j0.1. Simulation on a Rayleigh fading channel has a maximum Doppler The channel parameters were generated according to the Jakes model with.
또한, OFDM 신호로는 부채널개수가 64이고, 싸이클릭 프리픽스(cyclic prefix) 길이가 12인 신호를 사용하였다. 편의상 OFDM신호의 모든 부채널들은 직교위상편이변조(quadrature phase shift keying; QPSK)로 엔코딩(encoding) 하였다. 또한, 파라미터 추정 MSE를 100번씩의 시뮬레이션함으로써 계산한 것이다.As the OFDM signal, a signal having a number of subchannels of 64 and a cyclic prefix length of 12 was used. For convenience, all subchannels of the OFDM signal are encoded by quadrature phase shift keying (QPSK). It is also calculated by simulating the
도 4와 도 5는 AWGN(Additive White Gaussian Noise, 부가적인 백색 가우시안 잡음) 채널환경에서 랜덤 복소 가우시안 신호를 사용하여 시뮬레이션한 결과로서, 시뮬레이션 결과와 수학적 분석결과인 MSE 표현식이 N>20인 경우에 매우 잘 일치하는 것을 볼 수 있다. MSE 표현식으로부터 예상되는 바와 같이 시뮬레이션 결과 MSE는 N이 증가함에 따라 단조적으로 감소한다. 특히, 추정치들의 MSE는 CRLB와도 일치함을 볼 수 있다.4 and 5 are simulation results using a random complex Gaussian signal in an AWGN (Additive White Gaussian Noise) channel environment, when the MSE expression of the simulation result and the mathematical analysis result is N> 20. You can see a very good match. As expected from the MSE expression, the simulation results show that MSE decreases monotonically as N increases. In particular, it can be seen that the MSE of the estimates is also consistent with the CRLB.
한편, 도 6 및 도 7은 송신신호 로서 OFDM 신호를 사용한 경우의 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면으로서, 페이딩 채널에서 추정 MSE에 약간의 변동(fluctuation)을 볼 수 있으나 그 경향은 N에 따라서 MSE가 단조적으로 감소함을 볼 수 있다.6 and 7 show transmission signals. As a diagram illustrating a simulation result when the OFDM signal is used, a slight fluctuation can be seen in the estimated MSE in the fading channel, but the trend shows that the MSE decreases monotonically with N.
이와 같이, 본 발명은 zero-IF구조의 수신기에서 실시간으로 수신된 임의의 신호로부터 직접 I/Q부정합과 DC옵셋 파라미터들을 추정하여 이 결함들에 의해 발생한 신호왜곡을 보상하는 기능을 제공한다. As such, the present invention provides a function of estimating I / Q mismatch and DC offset parameters directly from any signal received in real time at a receiver having a zero-IF structure to compensate for signal distortion caused by these defects.
이를 위해, 본 발명에서는 특정 기간 동안 수신된 신호와 노이즈(Noise)의 합의 I 성분과 Q 성분의 변동값(variance)들이 서로 같고 ergodic in the wide-sense인 프로세스(process)라는 것을 가정하고, 이 경우 수신된 기저대역 샘플들의 제곱의 시간평균값이 영(zero)이 된다는 점을 이용하였다. 위의 가정은 수신신호의 I 성분 변화값(variance)와 Q 성분의 변화값(variance)이 동일한 랜덤 데이터가 송신되거나 또는 송신신호가 랜덤복소가우시안 채널을 통해 수신되는 일반적인 무선통신시스템에서 정당성이 입증된다. To this end, the present invention assumes that the variances of the I and Q components of the sum of the received signal and the noise during a certain period are the same and ergodic in the wide-sense process. In this case, the time-averaged value of the squares of the received baseband samples is zero. The above assumptions are justified in a typical wireless communication system in which random data with the same I component and Q component variance are transmitted or a transmitted signal is received through a random complex Gaussian channel. do.
상술한 바와 같이, 본 발명은 송신기에서 별도의 미리 약속된 훈련신호를 보내줄 필요가 없이 임의의 신호를 연속적으로 수신하여 사용하며, 프레임동기, 주파수동기, 및 채널추정 작업이전에 수신신호로부터 I/Q부정합을 추정할 수 있는 효과가 있다.As described above, the present invention continuously receives and uses an arbitrary signal without the need to send a separate predetermined training signal from the transmitter, and from the received signal before the frame synchronization, frequency synchronization, and channel estimation operation. It has the effect of estimating / Q mismatch.
또한, 본 발명은 송신기의 변조회로 및 채널에 의하여 신호가 왜곡되는 경우에도 수신기 I/Q부정합 추정/보상 성능에는 아무런 영향을 주지 않는 효과가 있다.In addition, the present invention has no effect on the receiver I / Q mismatch estimation / compensation performance even when the signal is distorted by the modulation circuit and channel of the transmitter.
또한, 본 발명은 DA방식의 I/Q부정합 추정기에 비하여 복잡도가 최소화된 효과가 있다. In addition, the present invention has the effect of minimizing complexity compared to the DA type I / Q mismatch estimator.
또한, 본 발명은 NDA방식으로 I/Q부정합을 추정/보상한 다음 그 출력신호를 이용하여 주파수옵셋과 채널을 추정/보상할 경우 기존의 주파수옵셋 추정/보상기 및 채널 추정/등화기들을 수정없이 사용할 수 있어 I/Q부정합으로 인한 수신기 설계 변경과 복잡도 증가를 최소화할 수 있는 효과가 있다.In addition, the present invention estimates / compensates I / Q mismatch using NDA and then estimates / compensates frequency offset and channel using the output signal without modifying existing frequency offset estimator / compensator and channel estimator / equalizers. It can be used to minimize receiver design changes and increased complexity due to I / Q mismatch.
아울러 본 발명 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위한 것으로, 당업자라면 첨부된 특허 청구범위의 기술적 사상과 범위를 통해 다양한 수정, 변경, 대체 및 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정 변경 등은 이하의 특허 청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.In addition, the preferred embodiment of the present invention for the purpose of illustration, those skilled in the art will be able to various modifications, changes, replacements and additions through the spirit and scope of the appended claims, such modifications and changes are the following claims Should be seen as belonging to.
Claims (16)
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