Метод оценки и компенсации фазового дисбаланса квадратурных составляющих сигнала

A Yu Belousov; V V Khvorenkov

doi:10.22213/2413-1172-2022-2-51-63

Authors

A. Y. Belousov Kalashnikov ISTU; Sarapul radio-plant
V. V. Khvorenkov Kalashnikov ISTU

DOI:

https://doi.org/10.22213/2413-1172-2022-2-51-63

Keywords:

quadrature error, modulation constellation, PSK, phase imbalance, noise immunity

Abstract

Currently, methods of direct modulation using complex signals are widely used. A complex signal consists of in-phase I (In-phase) and quadrature Q (Quadrature) components. When a signal passes through a communication channel and a receiving path, mismatches of the signal components occur as a result of interference. The mismatch, in turn, leads to increase in bit error rate (BER) during signal demodulation. The quality of the received signal is expressed in terms of bit error rate. The article considers phase imbalance of the quadrature components of a complex signal. Phase imbalance occurs in the receive path and depends on the quality of the receiver's local oscillators, on the operating temperature and the difference in propagation time of the I and Q components. The article shows an algorithm for estimating the phase imbalance of the quadrature signal components for digital modulation methods. Examples of signal constellation distortions in case of phase imbalance of quadrature signal components are considered. The phase imbalance estimation is based on the modulation constellation method for measuring signal parameters. Formulas for calculating the angle of phase error and the magnitude of quadrature error are given. Formulas for compensating the phase imbalance are also given, taking into account the calculated quadrature error. A mathematical model of the transmitter, communication channel and receiver has been developed to study the method for estimating and compensating for phase imbalance. The mathematical model is built in the Matlab software environment and is an m-script software model. With the help of the mathematical model, method for estimating and compensating for phase imbalance has been studied. In the course of the study, relationships of error probability due to the mismatch of the quadrature components of the signal were obtained. The noise immunity of the receiver paths with and without compensation for the phase mismatch of the quadrature signal components is compared. Based on the results of the study, diagrams of the error probability and the phase mismatch of the receiver's local oscillators were obtained. The study shows that phase mismatch of the receiver local oscillators at a fixed signal-to-noise ratio leads to an increase in the probability of received bit errors. But when applying the phase imbalance compensation method, the error probability remains fixed as the phase mismatch of receiver local oscillators increases at a fixed signal-to-noise ratio.

Author Biographies

A. Y. Belousov, Kalashnikov ISTU; Sarapul radio-plant

Post-graduate

V. V. Khvorenkov, Kalashnikov ISTU

DSc in Engineering, Professor

References

Поборчая Н. Е. Комбинирование линейных и нелинейных алгоритмов оценивания искажений сигнала OFDM в тракте приемника прямого преобразования // Электросвязь. 2020. № 6. С. 28-33. DOI: 10.34832/ELSV.2020.7.6.005.

Глазков Р. В. Применение перспективных методов модуляции в современных системах мобильной связи // Актуальные проблемы инфотелекоммуникаций в науке и образовании : V Международная научно-техническая и научно-методическая конференция (Санкт-Петербург, 10-11 марта 2016 г.). С. 135-140. ISBN: 978-5-89160-143-7.

Li Yupeng. Investigation of CO-OFDM-6PolSK-QPSK Modulation.Communication, signal processing and systems, 2020, vol. 463, pp. 1490-1494. DOI: 10.1007/978-981-10-6571-2_180.

Гришин И. В., Калинкина А. А. Обзор методов многочастотной модуляции сигналов в современных сетях беспроводной связи // Информационные технологии и телекоммуникации. 2020. Т. 8, № 2. С. 55-66. DOI: 10.31854/2307-1303-2020-8-2-55-66.

Баранина В. Е., Кологривов В. А. Воздействие квадратурного дисбаланса на помехоустойчивость модема связи // Наука. Технологии. Инновации : Всероссийская научная конференция молодых ученых (Новосибирск, 2-6 декабря 2019 г.). С. 60-63. ISBN: 978-5-7782-4012-4.

Михайлов А., Шестакова Т., Сорокин Г. Анализ помехоустойчивости методов модуляции в цифровых системах передачи данных // Современные технологии в науке и образовании : II Международный научно-технический форум (Рязань, 15 февраля 2019). С. 13-21. ISBN: 978-5-6043122-6-1.

Белоусов А. Ю., Хворенков В. В. Исследование влияния рассогласования квадратурных составляющих на помехоустойчивость сигналов OFDM и UFMC // Вестник ИжГТУ имени М. Т. Калашникова. 2021. Т. 24, № 1. С. 71-77. DOI: 10.22213/2413-1172-2021-1-71-77.

Овсянникова А. С., Завьялов С. В., Макаров С. Б. Повышение помехоустойчивости приема оптимальных сигналов при квадратурной модуляции с увеличенным размером сигнального созвездия // 75-я научно-техническая конференция Санкт-Петербургского НТО РЭС им. А. С. Попова, посвященная Дню радио (Санкт-Петербург, 20-24 апреля 2020 г.). 2020. № 1. С. 133-136.

Довбня В. Г., Коптев Д. С. Влияние качества функционирования гетеродинов на помехоустойчивость приема сигналов с квадратурной амплитудной модуляцией // Радиотехника. 2020. Т. 84, № 9. С. 40-48.

Звонарев В. В., Пименов В. Ф., Попов А. С. Методика расчета помехоустойчивости приема сигнала с четырехпозиционной квадратурной фазовой манипуляцией при воздействии гармонической когерентной помехи // Труды военно-космической академии им. А. Ф. Можайского. 2020. № 673. С. 79-89.

Куликов Г. В., Лелюх А. А. Влияние амплитудного и фазового разбаланса квадратур на помехоустойчивость когерентного приема сигналов с квадратурной амплитудной модуляцией // Российский технологический журнал. 2021. Т. 9, № 1. С. 29-37. DOI: 10.32362/2500-316X-2021-9-1-29-37.

Сенченко А. Р., Серов А. Н. Применение квадратурной демодуляции для измерения параметров сигнала // Южно-Сибирский научный вестник. 2019. № 3. С. 73-78. DOI: 10.25699/SSSB.2019.27.37222.

Дубов В. А., Приоров А. Л. Методика неэталонной оценки отношения сигнал/шум и вероятности битовой ошибки для сигналов с квадратурной модуляцией // Цифровая обработка сигналов. 2012. № 4. С. 37-43.

Герасименко Е. С., Сошнева Д. А., Волкова С. Н., Бабкин С. А. Исследование характеристик цифрового алгоритма когерентной демодуляции сигнала с квадратурной амплитудной манипуляцией // Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов. 2018. Том 9. № 2. С. 44-40.

Звонарев В. В., Пименов В. Ф., Попов А. С. Методика расчета помехоустойчивости приема сигнала с четырехпозиционной квадратурной фазовой манипуляцией при воздействии гармонической когерентной помехи // Труды военно-космической академии им. А. Ф. Можайского. 2020. № 673. С. 79-89.

Бахтиярова Е. А. Оценка отношения сигнал/шум дискретизации и восстановления речи // Актуальные научные исследования в современном мире. 2020. № 11-1 (67). С. 83-87.

Zain-Aalabdain Al.N. Rationing the main parameters of the quality of network service. T-Comm, 2020, vol. 14, no. 11, pp. 72-76. DOI: 10.36724/2072-8735-2020-14-11-72-76.

Kim J., Jo Hs, Kim S. A low-complexity I/Q imbalance calibration method for quadrature modulator. IEEE transactions on very large scale integration (VLSI) systems, 2019, vol. 24, no. 4, pp. 974-977. DOI: 10.1109/TVLSI.2018.2883758.

Волчков В. П., Уваров С. С. Аппроксимация узкополосных случайных процессов с помощью комплексных рекуррентной М-модели скользящего окна второго порядка // T-COMM: телекоммуникация и транспорт. 2015. Т. 9, № 3. С 54-61.

Прокис Джон. Цифровая связь : пер. с англ. / под ред. Д. Д. Кловского. М. : Радио и связь, 2000. 800 с. ISBN 5-256-01434-X.