Modeling and Digital Mitigation of Transmitter Imperfections in Radio Communication Systems

To satisfy the continuously growing demands for higher data rates, modern radio communication systems employ larger bandwidths and more complex waveforms. Furthermore, radio devices are expected to support a rich mixture of standards such as cellular networks, wireless local-area networks, wireless personal area networks, positioning and navigation systems, etc. In general, a "smart'' device should be flexible to support all these requirements while being portable, cheap, and energy efficient. These seemingly conflicting expectations impose stringent radio frequency (RF) design challenges which, in turn, call for their proper understanding as well as developing cost-effective solutions to address them. The direct-conversion transceiver architecture is an appealing analog front-end for flexible and multi-standard radio systems. However, it is sensitive to various circuit impairments, and modern communication systems based on multi-carrier waveforms such as Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) and Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA) are particularly vulnerable to RF front-end non-idealities.This thesis addresses the modeling and digital mitigation of selected transmitter (TX) RF impairments in radio communication devices. The contributions can be divided into two areas. First, new modeling and digital mitigation techniques are proposed for two essential front-end impairments in direct-conversion architecture-based OFDM and OFDMA systems, namely inphase and quadrature phase (I/Q) imbalance and carrier frequency offset (CFO). Both joint and de-coupled estimation and compensation schemes for frequency-selective TX I/Q imbalance and channel distortions are proposed for OFDM systems, to be adopted on the receiver side. Then, in the context of uplink OFDMA and Single Carrier FDMA (SC-FDMA), which are the air interface technologies of the 3rd Generation Partnership Project (3GPP) Long Term Evolution (LTE) and LTE-Advanced systems, joint estimation and equalization techniques of RF impairments and channel distortions are proposed. Here, the challenging multi-user uplink scenario with unequal received power levels is investigated where I/Q imbalance causes inter-user interference. A joint mirror subcarrier processing-based minimum mean-square error (MMSE) equalizer with an arbitrary number of receiver antennas is formulated to effectively handle the mirror sub-band users of different power levels. Furthermore, the joint channel and impairments filter responses are efficiently approximated with polynomial-based basis function models, and the parameters of basis functions are estimated with the reference signals conforming to the LTE uplink sub-frame structure. The resulting receiver concept adopting the proposed techniques enables improved link performance without modifying the design of RF transceivers.Second, digital baseband mitigation solutions are developed for the TX leakage signal-induced self-interference in frequency division duplex (FDD) transceivers. In FDD transceivers, a duplexer is used to connect the TX and receiver (RX) chains to a common antenna while also providing isolation to the receiver chain against the powerful transmit signal. In general, the continuous miniaturization of hardware and adoption of larger bandwidths through carrier aggregation type noncontiguous allocations complicates achieving sufficient TX-RX isolation. Here, two different effects of the transmitter leakage signal are investigated. The first is TX out-of-band (OOB) emissions and TX spurious emissions at own receiver band, due to the transmitter nonlinearity, and the second is nonlinearity of down-converter in the RX that generates second-order intermodulation distortion (IMD2) due to the TX in-band leakage signal. This work shows that the transmitter leakage signal-induced interference depends on an equivalent leakage channel that models the TX path non-idealities, duplexer filter responses, and the RX path non-idealities. The work proposes algorithms that operate in the digital baseband of the transceiver to estimate the TX-RX non-idealities and the duplexer filter responses, and subsequently regenerating and canceling the self-interference, thereby potentially relaxing the TX-RX isolation requirements as well as increasing the transceiver flexibility.Overall, this thesis provides useful signal models to understand the implications of different RF non-idealities and proposes compensation solutions to cope with certain RF impairments. This is complemented with extensive computer simulations and practical RF measurements to validate their application in real-world radio transceivers

Traitement du signal pour les communications numériques au travers de canaux radio-mobiles

This manuscript of ''Habilitation à diriger les Recherches'' (Habilitation to conduct researches) gives me the opportunity to take stock of the last 14 years on my associate professor activities and on my research works in the field of signal processing for digital communications, particularly for radio-mobile communications. The purpose of this signal processing is generally to obtain a robust transmission, despite the passage of digital information through a communication channel disrupted by the mobility between the transmitter and the receiver (Doppler effect), the phenomenon of echoes (multi-path propagation), the addition of noise or interference, or by limitations in bandwidth, in transmitted power or in signal-to-noise ratio. In order to recover properly the digital information, the receiver needs in general to have an accurate knowledge of the channel state. Much of my work has focused on receiver synchronization or more generally on the dynamic estimation of the channel parameters (delays, phases, amplitudes, Doppler shifts, ...). We have developed estimators and studied their performance in asymptotic variance, and have compared them to minimum lower bound (Cramer-rao or Bayesian Cramer Rao bounds). Some other studies have focused only on the recovering of information (''detection'' or ''equalization'' task) by the receiver after channel estimation, or proposed and analyzed emission / reception schemes, reliable for certain scenarios (transmit diversity scheme for flat fading channel, scheme with high energy efficiency, ...).Ce mémoire de HDR est l'occasion de dresser un bilan des 14 dernières années concernant mes activités d'enseignant-chercheur et mes travaux de recherche dans le domaine du traitement du signal pour les communications numériques, et plus particulièrement les communications radio-mobiles. L'objet de ce traitement du signal est globalement l'obtention d'une transmission robuste, malgré le passage de l'information numérique au travers d'un canal de communication perturbé par la mobilité entre l'émetteur et le récepteur (effet Doppler), le phénomène d'échos, l'addition de bruit ou d'interférence, ou encore par des limitations en bande-passante, en puissance transmise ou en rapport-signal à bruit. Afin de restituer au mieux l'information numérique, le récepteur a en général besoin de disposer d'une connaissance précise du canal. Une grande partie de mes travaux s'est intéressé à l'estimation dynamique des paramètres de ce canal (retards, phases, amplitudes, décalages Doppler, ...), et en particulier à la synchronisation du récepteur. Quelques autres travaux se sont intéressés seulement à la restitution de l'information (tâches de ''détection'' ou d' ''égalisation'') par le récepteur une fois le canal estimé, ou à des schémas d'émission / réception spécifiques. La synthèse des travaux commence par une introduction générale décrivant les ''canaux de communications'' et leurs problèmes potentiels, et positionne chacun de mes travaux en ces termes. Une première partie s'intéresse aux techniques de réception pour les signaux à spectre étalé des systèmes d'accès multiple à répartition par codes (CDMA). Ces systèmes large-bande offrent un fort pouvoir de résolution temporelle et des degrés de liberté, que nous avons exploités pour étudier l'égalisation et la synchronisation (de retard et de phase) en présence de trajets multiples et d'utilisateurs multiples. La première partie regroupe aussi d'autres schémas d'émission/réception, proposés pour leur robustesse dans différents scénarios (schéma à diversité pour canaux à évanouissement plats, schéma à forte efficacité énergétique, ...). La seconde partie est consacrée à l'estimation dynamique Bayésienne des paramètres du canal. On suppose ici qu'une partie des paramètres à estimer exhibe des variations temporelles aléatoires selon une certaine loi à priori. Nous proposons d'abord des estimateurs et des bornes minimales d'estimation pour des modèles de transmission relativement complexes, en raison de la distorsion temporelle due à la forte mobilité en modulation multi-porteuse (OFDM), ou de la présence de plusieurs paramètres à estimer conjointement, ou encore de non linéarités dans les modèles. Nous nous focalisons ensuite sur le problème d'estimation des amplitudes complexes des trajets d'un canal à évolution lente (à 1 ou plusieurs bonds). Nous proposons des estimateurs récursifs (dénommés CATL, pour ''Complex Amplitude Tracking Loop'') à structure imposée inspirée par les boucles à verrouillage de phase numériques, de performance asymptotiques proches des bornes minimales. Les formules analytiques approchées de performances asymptotiques et de réglages de ces estimateurs sont établies sous forme de simples fonctions des paramètres physiques (spectre Doppler, retards, niveau de bruit). Puis étant donné les liens établis entre ces estimateurs CATL et certains filtres de Kalman (construits pour des modèles d'état de type marche aléatoire intégrée), les formules approchées de performances asymptotiques et de réglage de ces filtres de Kalman sont aussi dérivées