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Abstrakt in Englisch

In complex wireless communication networks, e.g. cellular networks, the terminals are linked to the base stations preferentially using the frequency division duplex (FDD) scheme, i.e. the uplink and downlink use different carrier frequencies. The continuously growing demand for higher data rates requires that the FDD transceivers transmit and receive simultaneously. In a mobile terminal a duplexer is used to connect on the one hand side the transmitter (Tx) and receiver (Rx) chain with a common antenna and on the other hand side to isolate the Rx chain from the powerful Tx signal. The continuing miniaturization of the handset hardware complicates achieving a sufficient Tx-Rx isolation. This problem gets even worst by the demand, to support several wireless communication standards with different carrier frequencies and bandwidths with the same handset. Keeping the complexity of the hardware as low as possible motivates the development of a reconfigurable frontend, which is tunable to different carrier frequencies and bandwidths. The demanded high data rates set challenging requirements on the hardware. However, the design of a frequency agile analog frontend complicates the fulfillment of these requirements. As one of the consequences the Tx-Rx isolation is insufficient. Thus, a significant part of the transmit signal leaks into the Rx chain and can severely deteriorate the demodulation of the received signal in direct conversion receivers and low-IF receivers. This work focuses on the transmitter leakage (Tx Leakage, TxL) in direct conversion receivers, since this receiver architecture overs various advantages for the design of a frequency agile frontend.

In direct conversion receivers, the nonlinearity of the down converter generates a second order intermodulation product of the leaking transmit signal. This intermodulation product interferes the down converted received signal and represents the dominating TxL interference. This work investigates algorithms for the compensation of the TxL interference in the digital baseband. This allows to relax the requirements on the Tx-Rx isolation of the duplexer and on the analog receiver frontend and thus, facilitates the design of a frequency agile multi-band frontend. The leaking transmit signal undergoes several amplifications and filtering between the digital-to-analog converter in the Tx chain and the down converter in the Rx chain, which can jointly be considered as a Tx Leakage channel. This work demonstrates the time variance of the TxL channel due to objects in the antenna near field, if no adaptive antenna matching network is used. Under this assumption a worst case estimate of the Tx Leakage channel coherence time of 1:9 milliseconds is derived. Besides deteriorating the demodulation process, the TxL interference reduces the effective quantization resolution of the analog-to-digital converter, available for the received signal. This causes an additional and irreversible SNR loss, which limits the applicability of a digital TxL compensation.

The major challenge of the digital TxL compensation can be traced back to the estimation of the TxL channel. The first, very simple estimation approach is based on a frequency at approximation of the TxL channel and uses an adaptive Least Mean Square (LMS) estimation algorithm. In case of weak frequency selective TxL channels this approach achieves precise estimation results. However, with increasing frequency selectivity of the channel the approximation errors degrade severely the estimation performance. The second estimation approach introduces specific preambles in the transmit signal and estimates the TxL channel by observing the TxL interference of these preambles. This algorithm outperforms the LMS based one, if a certain minimum observation length of the received signal can be used. However, its performance suffers from an error propagation in the estimation algorithm, especially in case of frequency selective TxL channels. Furthermore, introducing preambles reduces the data rate of the transmit signal and requires their specification in the supported communication standards. By avoiding the error propagation problem the performance of this algorithms can be improved significantly, balancing out the discussed disadvantages. The third estimation approach considers a factorization of the TxL interference and uses a Least Squares (LS) estimation algorithm. Although it shows the highest computational complexity of the three presented estimation approaches, it achieves a very precise estimation of the TxL interference and depends only negligibly on the frequency selectivity of the TxL channel.

Abstrakt in Deutsch

In komplexen Funknetzwerken, wie z.B. zellularen Mobilfunknetzen, erfolgt die bidirektionale Funkanbindung der Endgeräte bevorzugt nach dem Frequency Division Duplex (FDD) Prinzip, d.h. die Aufwärtsstrecke (Uplink) und die Abwärtsstrecke (Downlink) nutzen unterschiedliche Trägerfrequenzen. Der kontinuierlich steigende Bedarf nach höheren Übertragungsraten erfordern von den FDD Funkgeräten einen simultanen Sende- und Empfangsbetrieb. In einem mobilen Endgerät bindet ein Duplexer den Sendezweig (engl.: Transmitter, Tx) und den Empfangszweig (engl.: Receiver, Rx) an eine gemeinsame Antenne an und muss gleichzeitig den Empfangszweig von dem leistungsstarken Sendesignal isolieren. Die voranschreitende Miniaturisierung der Hardware der mobilen Endgeräte erschwert jedoch die Bereitstellung einer ausreichenden Tx-Rx Isolation des Duplexers. Diese Problematik wird durch die Anforderung weiter verschärft, mit einem Endgerät mehrere Funkstandards mit unterschiedlichen Trägerfrequenzen und Bandbreiten zu unterstützen. Der Wunsch, die Komplexität der Hardware dennoch gering zu halten, motiviert die Entwicklung einer rekonfigurierbaren, frequenzagilen Hardware, die flexibel auf unterschiedliche Trägerfrequenzen und Bandbreiten abgestimmt werden kann. Die geforderten, hohen Datenraten setzen sehr hohe Anforderungen an die zugrunde liegende Hardware. Ihre Erfüllung wird jedoch durch die angestrebte Frequenzagilität der analogen Baugruppen erschwert. Deshalb kann eine ausreichende Tx-Rx Isolation nicht gewährleistet werden. Das Sendesignal spricht in den Empfangszweig über und kann in Direktmischempfängern und low-IF Empfängern die Demodulation des empfangenen Nutzsignals empfindlich stören. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf das Senderübersprechen (engl.: Tx Leakage, TxL) in Direktmischempfängern, da diese Empfängerarchitektur vielfältige Vorteile für frequenzagile Multiband-Sendeempfänger aufweist.

In Direktmischempfängern erzeugt die Nichtlinearität des Abwärtsmischers ein Intermodulationsprodukt zweiter Ordnung des übersprechenden Sendesignals. Dieses Intermodulationsprodukt überlagert das heruntergemischte, empfangene Nutzsignal und stellt die dominierende TxL Interferenz dar. Die vorliegende Arbeit untersucht Verfahren, welche auf die Kompensation der TxL Interferenz im digitalen Basisband abzielen. Sie ermöglichen eine Senkung der Anforderungen an die Tx-Rx Isolation des Duplexers und an die analogen Baugruppen des Empfängers, dem analogen Empfänger-Frontend. Somit kann der Entwurf eines frequenzagilen Multiband-Frontends erheblich erleichtert werden. Das übersprechende Sendesignal erfährt zwischen dem Digital-Analog-Wandler im Sendezweig und dem Abwärtsmischer im Empfangszweig verschiedene Verstärkungen und Filterungen, die sich zu einem Tx Leakage Kanal zusammenfassen lassen. Es wird gezeigt, dass der TxL Kanal infolge von veränderlichen Objekten im Antennennahfeld zeitvariant ist, sofern kein adaptives Antennen-Anpassnetzwerk eingesetzt wird. Unter dieser Annahme lässt sich die Kohärenzzeit des Tx Leakage Kanals in einer unteren Abschätzung mit 1.9 Millisekunden angeben. Zusätzlich zu der Störung des Demodulationsprozesses reduziert die TxL Interferenz die, dem Nutzsignal effektiv zur Verfügung stehende Quantisierungsauflösung des Analog-Digital-Wandlers. Somit verursacht die TxL Interferenz einen irreversiblen SNR Verlust bezüglich des Empfangssignals, der die Einsetzbarkeit einer digitalen TxL Kompensation beschränkt.

Die größte Herausforderung der digitalen Kompensation der TxL Interferenz stellt die Schätzung des TxL Kanals dar. Ein sehr einfaches Schätzverfahren basiert auf der frequenzflachen Approximation des TxL Kanals und nutzt den adaptiven Least Mean Square (LMS) Schätzalgorithmus. Während im Fall eines schwach frequenzselektiven TxL Kanals eine hohe Schätzgenauigkeit erzielt wird, degradieren die Approximationsfehler mit zunehmender Frequenzselektivität des Kanals deutlich die Leistungsfähigkeit des Algorithmus. Das zweite Schätzverfahren fügt dem Sendesignal spezielle Referenzsequenzen (sog. Präambeln) hinzu und schätzt den TxL Kanal basierend auf der beobachteten TxL Interferenz der Präambeln. Dieser Ansatz erzielt präzisere Schätzergebnisse als der LMS Schätzer, solange eine bestimmte Mindest-Schätzblockgröße genutzt werden kann. Jedoch enthält der Schätzalgorithmus eine Fehlerfortpflanzung, die mit zunehmender Frequenzselektivität des TxL Kanals die Leistungsfähigkeit des Algorithmus verschlechtert. Des Weiteren reduzieren die Präambeln die Übertragungsrate des Sendesignals und erfordern zudem ihre Spezifizierung in den, von dem mobilen Endgerät unterstützten Funkstandards. Das dritte Schätzverfahren nutzt eine Faktorisierung der TxL Interferenz und setzt einen Least Squares Schätzalgorithmus ein. Es besitzt zwar die höchste, rechentechnische Komplexität der drei vorgestellten TxL Schätzverfahren, jedoch erzielt es eine sehr präzise Schätzung des TxL Kanals und wird nur marginal von der Frequenzselektivität des TxL Kanals beeinflusst.