RF Imperfections in High-rate Wireless Systems: Impact and Digital Compensation

RF  Imperfections  in  High-rate  Wireless  Systems:  Impact  and  Digital  Compensation

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RF  Imperfections  in  High-rate  Wireless  Systems

Foreword  xi

Preface  xiii

1.  INTRODUCTION  1

1.1  Wireless  communications  1

1.2  OFDM  3

1.3  MIMO  4

1.4  RF  transceiver  impairments  6

1.5  Outline  of  the  book  9

2.  MULTIPLE-ANTENNA  OFDM  SYSTEMS  11

2.1  Introduction  11

2.2  Channel  modelling  11

2.2.1  Multipath  propagation  12

2.2.2  Stochastic  channel  model  16

2.3  System  modelling  18

2.3.1  MIMO  19

2.3.2  OFDM  22

2.3.3  MIMO  OFDM  26

2.4  Conclusions  29

3.  DESIGN  AND  IMPLEMENTATION  OF  A  MIMO  OFDM

SYSTEM  31

3.1  Introduction  31

3.2  Transmission  format  and  preamble  design  32

3.2.1  IEEE  802.11a  32

3.2.2  MIMO  OFDM  34

3.3  Frequency  synchronisation  39

3.3.1  Influence  of  CFO  40

3.3.2  Algorithm  description  42

3.3.3  Performance  analysis  44

3.3.4  Numerical  results  47

3.3.5  Summary  51

3.4  Channel  estimation  52

3.4.1  Algorithm  and  performance  analysis  52

3.4.2  Numerical  results  58

3.4.3  Summary  62

3.5  Timing  synchronisation  62

3.5.1  System  description  63

3.5.2  Algorithm  description  66

3.5.3  Numerical  results  68

3.5.4  Summary  and  discussion  72

3.6  Multiple-antenna  OFDM  system  implementation  73

3.6.1  Test  system  description  73

3.6.2  Baseband  design  74

3.6.3  Measurement  results  76

3.6.4  Comparison  with  simulation  results  79

3.7  Conclusions  81

4.  PHASE  NOISE  83

4.1  Introduction  83

4.2  System  and  phase  noise  modelling  84

4.2.1  Oscillator  modelling  85

4.2.2  Influence  on  signal  model  88

4.3  Impact  and  distribution  of  the  ICI  term  91

4.3.1  System  model  91

4.3.2  Bit-error  probabilities  94

4.3.3  Properties  of  the  ICI  term  95

4.3.4  Simulation  results  104

4.3.5  Summary  107

4.4  ICI-caused  error  term  in  MIMO  OFDM  108

4.4.1  Transmitter  phase  noise  109

4.4.2  Receiver  phase  noise  110

4.4.3  Phase  noise  process  112

4.4.4  Numerical  results  113

4.4.5  Summary  and  discussion  116

4.5  Compensation  of  the  CPE  117

4.5.1  Maximum-likelihood  estimator  117

4.5.2  MLE  optimisation  algorithm  119

4.5.3  Sub-optimal  estimator  121

4.5.4  Cram´er-Rao  lower  bound  122

4.5.5  Numerical  results  124

4.5.6  Summary  130

4.6  Compensation  of  the  ICI  130

4.6.1  Suppression  algorithm  131

4.6.2  Numerical  results  134

4.6.3  Summary  136

4.7  Conclusions  137

5.  IQ  IMBALANCE  139

5.1  Introduction  139

5.2  System  and  IQ  imbalance  modelling  140

5.2.1  TX/RX  front-end  architecture  141

5.2.2  IQ  mismatch  143

5.2.3  Influence  on  MIMO  signal  model  145

5.2.4  RX  filter  imbalance  148

5.3  Impact  of  IQ  imbalance  on  system  performance  150

5.3.1  Error  in  symbol  detection  150

5.3.2  Probability  of  erroneous  detection

for  M-QAM  152

5.3.3  Numerical  results  159

5.3.4  Summary  and  discussion  163

5.4  Preamble  based  estimation  and  mitigation  163

5.4.1  Preamble  design  164

5.4.2  TX  IQ  imbalance  estimation  166

5.4.3  RX  IQ  imbalance  estimation  167

5.4.4  TX  and  RX  IQ  imbalance  estimation  168

5.4.5  Iterative  TX  and  RX  IQ  imbalance  estimation  170

5.4.6  Numerical  results  172

5.4.7  Summary  177

5.5  Decision-directed  mitigation  178

5.5.1  Adaptive  filter  based  algorithm  178

5.5.2  Numerical  results  180

5.6  Conclusions  182

6.  NONLINEARITIES  185

6.1  Introduction  185

6.2  System  and  nonlinearities  modelling  187

6.2.1  Nonlinearity  modelling  187

6.2.2  Influence  on  signal  model  192

6.3  Impact  of  nonlinearities  on  system  performance  195

6.3.1  TX  nonlinearities  196

6.3.2  RX  nonlinearities  201

6.3.3  Numerical  results  203

6.3.4  Summary  and  discussion  207

6.4  PAPR  reduction  by  spatial  shifting  208

6.4.1  Signal  modelling  209

6.4.2  Spatial  shifting  210

6.4.3  Combining  SS  and  PS  211

6.4.4  Subcarrier  grouping  schemes  213

6.4.5  Side  information/Transparency  213

6.4.6  Numerical  results  215

6.4.7  Summary  and  discussion  217

6.5  RX-based  correction  of  nonlinearities  219

6.5.1  Baseband  amplitude  clipping  220

6.5.2  Estimation  of  linear  and  nonlinear  channel  221

6.5.3  Postdistortion  230

6.5.4  Iterative  distortion  removal  231

6.5.5  Simulation  results  233

6.5.6  Summary  242

6.6  Conclusions  242

7.  A  GENERALISED  ERROR  MODEL  245

7.1  Introduction  245

7.2  Error  model  246

7.2.1  TX  and  RX  impairment  model  247

7.2.2  Mapping  of  RF  impairments  248

7.2.3  Nonstationarity  of  the  impairments  250

7.2.4  Transmission  structure  252

7.3  Performance  evaluation  252

7.3.1  Preamble  phase  253

7.3.2  Data  phase  253

7.3.3  Probability  of  error  254

7.4  Numerical  results  257

7.5  Conclusions  261

8.  DISCUSSION  AND  CONCLUSIONS  263

8.1  Summary  and  conclusions  263

8.1.1  Synchronisation  for  MIMO  OFDM  systems  264

8.1.2  Multiple-antenna  OFDM  proof  of  concept  265

8.1.3  Behavioural  RF  impairment  modelling  265

8.1.4  Performance  impact  of  front-end  imperfections  266

8.1.5  Mitigation  approaches  for  RF  impairments  267

8.1.6  A  generalised  error  model  269

8.2  Scope  of  future  research  270

8.2.1  Influence  of  RF  impairments  270

8.2.2  Mitigation  approaches  271

8.2.3  Towards  mm-wave  systems  272

Glossary  275

Appendices  281

A  MSE  in  CFO  estimation  281

B  MSE  in  channel  estimation  283

B.1  MSE  in  linear  channel  interpolation  283

B.2  MSE  in  linear  channel  extrapolation  284

C  Measurement  setup  287

C.1  Baseband  287

C.2  IF  stages  289

C.3  Antennas  290

D  Proof  of  Theorem  4.1  291

E  Orthonormal  polynomial  basis  299

References  301

Index  315