Orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) has been widely recommended to the most promising baseband modulation and multiplexing technology for 3G and 4G communication systems because of its spectral efficiency and robustness against frequency selective fading channel. Furthermore, direct conversion based RF transceiver has had more advantages in aspects of power consumption, area and complexity than conventional heterodyne transceiver. In order to maintain all merits in both direct conversion structure and OFDM, many algorithms have been studied to compensate inevitable RF impairments such as I/Q imbalance and carrier frequency offset (CFO) in digital domain.
In this respect, we firstly deal with a new baseband signal processing technique to compensate I/Q imbalance for OFDM system by jointly developing preamble and preprocessor. Based on weighted average concept, the main function of preprocessor is to separate desired signal and interference signal from received preamble even though all subcarriers carry non-zero values. Using the separated signals, we can efficiently estimate channel and imbalance parameter under least square (LS) criterion. Numerical comparisons show the superiority of proposed scheme compared with previous method.
Secondly, the synchronization is also the main problem before de-modulating the received signal. Especially, CFO brings severe interferences from the other subcarriers in OFDM signal. On that account, we address a joint estimation method for CFO and I/Q imbalance using constrained preambles. Because existing methods can not guarantee correct solutions within all range of CFO, we derive two constraints about phase rotations which should be differently adjusted to each repeated pattern. Using these constraints, proposed estimators can find the optimal estimate of CFO and low complexity I/Q imbalance estimation are also possible in all range of CFO with no exceptions. Numerical results show the importance of these constraints for joint estimation, and proposed scheme can achieve almost same bit error rate performance with perfect estimation scheme.
직교주파수다중분할(Orthogonal Frequency Division Multiplexing:OFDM) 기술은 주파수 선택적인 페이팅 환경에 강하고, 보호구간을 이용한 인접신호간섭(intersymbol insterference: ISI) 제거가 용이하기 때문에 3G와 4G 통신시스템 표준에 채택되어 널리 사용되고 있다. Super heterodyne 수신기는 현재까지 가장 널리 사용되고 있는 RF수신기 구조로, 중간 주파수단에서의 채널 선택능력이 뛰어난 강점을 지닌다. 하지만 이 구조는 최근 요구되는 저비용 및 저전력 및 소형의 송수신기 구현에 한계를 갖고 있다. 대신에 직접변환 수신기는 표면 탄성파 필터와 같이 넓은 공간을 요하는 부가 회로가 필요 없고, 상대적으로 저전력 구현이 가능하기 때문에 최근 많은 연구가 진행되고 있다. 하지만, 실제 구현에 있어서 직접변환 수신기는 주파수 오프셋 (carrier frequency offset: CFO)에 의한 OFDM 부반송파간 간섭(Inter Carrier Interference: ICI)과 I/Q 불균형에 의한 거울반송파간섭(mirror subcarrier interference: MSI) 의해 신호 격자에 왜곡으로 성능 열화가 발생하며 높은 레벨의 modulation을 사용할 수록 성능 열화는 더욱 심각해 진다.
이에 본 논문은 다음의 두가지 상황에 대한 impairment 보정 기술을 제안하였다. 먼저 I/Q불균형이 존재하는 수신기를 위한 채널 및 I/Q불균형을 추정 위하여 새로운 프리앰블 구조를 제안한고 그에 상응하는 전처리기 기반의 수신단 추정기법을 제안한다. [14]에서 제안한 프리앰블은 그 중 반쪽이 영인 구조로 추정이 간단한 장점을 갖지만 주파수 효율이 낮고 신뢰있는 추정 성능을 위해 2개 이상의 OFDM프리앰블을 필요로 한다. 제안 기법은 기존 기법과 비교해 필요한 preamble수의 절반으로 더욱 높은 채널 및 불균형 추정 성능을 얻을 수 있다.
두번째로, I/Q 불균형은 OFDM 신호의 복호 전에 수행되는 동기화과정 (synchronization)의 성능열화를 초래한다. 특히, 기존에 널리 쓰이는 상관기 기반의 주파수 오프셋 추정기는 I/Q불균형이 존재하는 상황에서 최적의 성능을 얻을 수 없게 된다. 이를 극복하기 위해 비선형 최소 자승법(Nonlinear Least Square:NLS)을 이용하여 I/Q불균형에 독립적인 주파수 오프셋 추정기법이 Xing에 의해 제안되었다[21]. 앞서 제안된 기법에서 이용한 프리앰블은 짝수번째 반복패턴의 위상을 $\pi/4$만큼 회전시킨 형태이며 다중 경로 채널에 강인하기 위해 각 패턴간에 보호구간(Guard Interval:GI)를 삽입한 구조로 이를 이용하면 I/Q불균형이 존재하는 상황에서도 최적의 주파수 오프셋 추정 성능을 얻을 수 있다. 이러한 위상 회전은 주파수 오프셋이 존재하지 않은 상황에서 발생할 수 있는 rank deficient 문제를 해결하기 위한 대안으로 소개되는데, 일반적인 상황에 적용하기 위해서는 이러한 위상회전의 일반화가 요구된다. 더불어, 함께 제안된 I/Q불균형 추정 기법은 최적화(optimization) 기반으로 높은 복잡도를 요구한다. 또다른 기존 기술인,[20]에서 제안한 I/Q 불균형 추정 기법중 시간 영역 방법(Time domain approach)은 [9]와[12]과 동일한 프리앰블을 이용하여 저 복잡도로 구현이 가능한 장점을 갖는 반면, 주파수 오프셋이 작을 때 추정식의 분모가 무한대로 발산하여 추정값을 얻을 수 없는 단점을 가지고 잇다. 따라서 이 같은 문제점들을 복합적으로 보완 할 수 있는 새로운 프리앰블 설계방안이 요구되어 왔다. 본 논문에서 제안한 두번째 기술은 I/Q 불균형과 반송파 주파수 오프셋이 동시에 존재하는 상황에서 I/Q불균형에 독립적인 주파수 옵셋 추정 기법의 일반적인 적용과 저복잡도I/Q 불균형 추정을 위한 프리앰블 설계조건을 제시하며, 이들을 이용한 최적의 수신단 보정 기술을 제안한다.
