Schätzung und Kompensation des Senderübersprechens in Frequenzduplex-Sendeempfängern

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.