EVALUACION COMPLETA DEL DESEQUILIBRIO IQ EN EL RENDIMIENTO DE UN SISTEMA RECEPTOR SIMO-OFDM IEEE 802.11G

Área Técnica: Comunicaciones

José Cruz Núñez Pérez¹, Virgilio Rosendo Pérez Pérez¹, Andrés Calvillo Téllez¹, Jacques Verdier²

¹Centro de Investigación y Desarrollo de Tecnología Digital del Instituto Politécnico Nacional (CITEDI-IPN)

²Institut des Nanotechnologies de Lyon, Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA-Lyon)

¹Av. del Parque No. 1310, Mesa de Otay

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RESUMEN

Este artículo discute los puntos claves para fácilmente desarrollar, simular y validar una plataforma de gran escala y que permitan evaluar diferentes combinaciones posibles de técnicas prometedoras en el campo de los sistemas inalámbricos convergentes. La idea es emplear un máximo grado de libertad para ofrecer un receptor bastante ágil, mediante la adición de principios multi-antena, multi-estándares y multi-canal. Un esquema global de evaluación del rendimiento de sistema para receptores multi-antenas es presentado en este trabajo, contemplando tanto resultados de simulación como de medición.

1. INTRODUCCIÓN

El futuro de las comunicaciones inalámbricas es la tendencia hacia sistemas que permitan una fusión multi-estándares, ofreciendo siempre la más alta calidad. La complejidad creciente de los Sistemas en Chip (SoC) asociada a la de técnicas de transmisión (códigos múltiples: CDMA, Acceso Múltiple por División de Código; portadoras múltiples: OFDM, Multiplexación por División de Frecuencias Ortogonales; antenas múltiples: MIMO, Múltiples Entradas Múltiples Salidas) exigen actualmente nuevas metodologías de diseño globales y flexibles, permitiendo pasar eficazmente de un diseño a nivel "sistema" a un diseño a nivel "dispositivos y circuitos" (y recíprocamente) minimizando los prototipos y realizaciones tecnológicas. En el ámbito del CAD (Diseño Asistido por Computadora) RF de tipo MMIC (Circuitos Integrados de Microonda Monolíticos), un diseño controlado garantiza la reducción del costo y la mejora de resultados del sistema. Lo anterior permitirá a los sistemas emergentes (HSDPA, 802.11n,…) reducir algunas dificultades en los circuitos, como son los osciladores locales, amplificadores de potencia o de bajo ruido, para concentrarse mejor sobre una cuantificación precisa de las especificaciones de radiofrecuencia.

La elección de prueba de este trabajo se basa en el estudio de un receptor WLAN (Wireless Local Area Network) bajo la norma IEEE 802.11g con un enfoque multi-antenas. En efecto, en la actualidad aparece muy necesaria la combinación de técnicas recientes en una misma arquitectura donde varias normas de comunicación deban integrarse. La técnica OFDM, por ejemplo, es un método de modulación multi-portadora que tiene resultados muy interesantes en un medio de propagación severo, es decir, con ecos múltiples. Por otra parte, para mejorar la calidad de las comunicaciones de radio, la utilización de varias antenas sobre un mismo terminal ha demostrado ser una buena solución. Por ello, la integración de dos técnicas en un sistema de transmisión-recepción reconfigurable es un enfoque interesante [1]. Sin embargo, el diseño no es obviamente ordinario, en particular, por lo que se refiere a la parte recepción y las arquitecturas de RF asociadas, cuyo pliego de condiciones no se conoce precisamente. Por lo que, los resultados del sistema dependen de la elección de la arquitectura-circuito [2] y para una arquitectura dada, el impacto de los defectos o limitaciones de los bloques elementales RF puede sensiblemente diferir [3].

Así, de acuerdo con consideraciones conocidas, este trabajo describe el uso y la combinación de algunos conceptos populares en el campo de los sistemas inalámbricos modernos, aplicándose en un receptor, y con el alcance de implementación en una plataforma flexible de pruebas para tales estructuras. Mediante el uso una plataforma radio MIMO 2x2 enlazada con el software Advanced Design System (ADS) de Agilent Technologies [4] se propone una evaluación a nivel sistema. Para verificar su eficacia, el estándar IEEE 802.11g se investiga en un ejemplo particular de un receptor de 4 antenas basado en una topología Cero-FI (utiliza un solo mezclador para convertir la señal a banda base).

2. Desarrollo

La plataforma radio presentada en la figura 1 es una herramienta de análisis que permite probar las técnicas más avanzadas en el diseño, modelado y procesamiento de sistemas de radiocomunicación.

Figura 1. Estructura de la plataforma para una transmisión 1x1 a banda base, FI o RF.

Esta plataforma se compone de equipos de alta tecnología desarrollados por Agilent Technolo-gies: el software ADS y hardware de medición como son dos generadores de ondas arbitrarias (ESG4438C) y un analizador vectorial de señales (VSA89641) con dos entradas RF [4]. La plataforma permite mediciones hasta 6 GHz, con un análisis de ancho de banda de 36 MHz.

3. resultados

Nuestro objetivo es la simulación de un sistema de transmisión cercano a la realidad y así, tener una mejor estimación de la ventaja de utilizar el algoritmo Sample Matrix Inversion (SMI) en antenas inteligentes [5].

Un sistema de transmisión completo 802.11g fue modelado en ADS, en función de distintos tipos de canal (ruido gaussiano blanco promedio AWGN o varios modelos de muti-trayectoria). La figura 2 presenta el TEB (Tasa de Error de Bits) del rendimiento de un receptor SMI de cuatro antenas comparado a un receptor de una sola antena con una tasa de transmisión de 36 Mbps (16QAM). Todos los resultados que son presentados en este trabajo están basados en esta configuración. En la simulación del desvanecimiento en multi-trayectorias se emplearon las características de un ambiente típico de oficina, basados en los modelos del canal de la ETSI (European Telecommunications Standards Institute).

Figura 2. TEB para 1 y 4 antenas vs. Eb/No en un canal de multi-trayectorias.

3.1. Influencia del desequilibrio IQ [6]

El desequilibrio IQ se presenta cuando un componente de la arquitectura no respeta el equilibrio de energía o la ortogonalidad entre las ramas I y Q. Este puede ser caracterizado por dos parámetros, un desequilibrio de amplitud o ganancia y un desequilibrio de fase.

Las técnicas de diversidad espacial son conocidas por ser eficientes combatiendo la interferencia o mejorando los disturbios de SNR y RF, así como el desequilibrio IQ que puede considerarse como una interferencia adicional. Los algoritmos usados en antenas inteligentes, que se aplican en la señal digital de banda base (por ejemplo el SMI) permiten una compensación global de los defectos de canal así como de las no idealidades RF.

La compensación proporcionada por el algoritmo SMI implementado en el receptor de cuatro-antenas fue estudiado en el caso de un ambiente de desvanecimiento multi-trayectoria y también en un canal AWGN. Las figuras 3 y 4 presentan el estudio de canal multi-trayectoria.

La figura 3 muestra las curvas del TEB relativo (con el valor de desequilibrio de ganancia cero tomado como referencia) obtenidas para un desequilibrio de ganancia IQ que varía de 0 a 1 dB. El SNR se mantiene en 10 y 6 dB para los sistemas SISO y SIMO respectivamente, esto a fin de obtener una gama comparable del TEB. Para cada punto en la curva, 1000 tramas OFDM (con 100 bytes por trama) fueron simuladas. De la curva queda claro que el sistema SIMO que emplea el SMI puede tomar en cuenta las altas ganancias de un sistema SISO aún en condiciones de gran dispersión angular, y puede compensar los defectos para un desequilibrio de ganancia incluso superior a 1.2 dB.

Figura 3. TEB Relativo vs. Desequilibrio de ganancia IQ en canal multi-trayectoria.

Similarmente, la figura 4 muestra los resultados obtenidos para un desequilibrio de fase IQ que varía de 0 a 10 grados, con las mismas condiciones al caso anterior de desequilibrio de ganancia. Mientras el TEB se incrementa solamente dos veces de su valor en desequilibrio cero en el caso del sistema SIMO, para el sistema SISO se incrementa rápidamente 18 veces del valor de desequilibrio cero.

Figura 4. TEB Relativo vs. Desequilibrio de fase IQ en canal multi-trayectoria.

Finalmente, las figuras 5 y 6 muestran los resultados de medición para las curvas del TEB relativo (con el valor de desequilibrio de ganancia cero tomado como referencia) obtenidas para un desequilibrio de ganancia IQ que varía de 0 a 1.2 dB y para un desequilibrio de fase IQ que varía de 0 hasta 10 grados.

Figura 5. Medición del TEB Relativo vs. Desequilibrio de ganancia IQ en canal multi-trayectoria.

Figura 6. Medición del TEB Relativo vs. Desequilibrio de fase IQ en canal multi-trayectoria.

El SNR se mantiene en 10 dB y 6 dB para el caso del sistema SISO y SIMO (antenas 1x2) respectivamente, a fin de obtener una gama comparable del TEB. Los resultados de medición mostrados en las figuras 5 y 6 permiten validar los resultados de simulación mostrados en las figuras 3 y 4 y con ello la aproximación de sistema global de este trabajo de investigación.

1. Conclusiones

Es obvio que en un futuro próximo un receptor debe ser totalmente multi-antena, multi-estándares y multi-canal. Por tanto, el diseño de una arquitectura RF y el procesamiento numérico debe ser abordado simultáneamente. La aproximación de sistema global presentada en este trabajo permite fácilmente desarrollar, simular y validar un sistema inalámbrico incluso con una estructura de receptor multi-antena (sistema SIMO OFDM). La eficiencia de una solución completa basada en herramientas de Agilent Technologies, combinando simulaciones y mediciones bajo condiciones de funcionamiento reales (canales correlacionados y antenas acopladas) fue claramente demostrada. En este trabajo se ha presentado la influencia del desequilibrio IQ en un receptor 802.11g de cuatro antenas y la eficacia del algoritmo SMI para la reducción del TEB.

Finalmente, este trabajo demuestra claramente que nuestra plataforma de evaluación de sistemas RF, utilizando modelos de comportamiento para analizar o verificar el funcionamiento de un sistema (y controlar así el diseño RF) es realmente muy bueno. El proceso seguido hace posible la identificación, el diagnostico y la corrección de problemas a nivel sistema mucho más rápidamente que utilizando un proceso de desarrollo tradicional. El beneficio neto es que los problemas se pueden identificar más eficientemente y los defectos a nivel sistema se pueden evaluar más fácilmente aumentando el rendimiento y reduciendo el costo.

1. Bibliografía

[1] P. Rykaczewski, D. Pienkowski, R. Circa. Signal Path Optimisation in Software-Defined Radio Systems. IEEE Trans. On Mic. Th. and Tech., Vol. 53, No. 3, 2005.

[2] M. Brandolini, P. Rossi, D. Manstretta, F. Svelto. Toward Multistandard Mobile Terminals – Fully Integrated Receivers Requirements and Architectures. IEEE Trans. On Mic. Th. and Tech., Vol. 53, No. 3, 2005.

[3] S. Woo et al. Combined Effects of RF Impairments in the Future IEEE 802.11n WLAN Systems. IEEE Vehicular Technology Conference, Spring 2005, Vol. 2, Mayo 2005.

[1] Agilent Technologies. Software: Advanced Design System. Disponible en línea: http://eesof.tm.agilent.com/products/ads_main.html

[2] I. J. Gupta. SMI adaptive antenna arrays for weak interfering signals. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. AP-34, no. 10, pp 1237-1242, Oct. 1986

[3] J. Tubbax et al. Joint Compensation of IQ Imbalance, Frequency Offset and Phase Noise in OFDM Receivers. Eur. Trans. On Telecom, Special Issue on Multi-Carrier Spread-Spectrum, 2004.

Clave de Publicación Comu06 ISSN - 1405 - 2172 ITCHI ELECTRO 09 OCT 07