60 GHz毫米波通信射频影响消除研究

60 GHz millimeter-wave technology has great potential applications, and currently international and domestic standardization groups are developing 60 GHz wireless personal area network / wireless local area network (WPAN/WLAN) standards. One of the major challenges encountered by the 60 GHz millimeter-wave communications is high frequency and large bandwidth, which results in effects of power amplifier (PA) non-linearity, IQ imbalance and phase noise for 60 GHz frequency radio (RF) devices with complementary metal oxide semiconductor (CMOS) technology. The RF effects significantly degrade the bit-error rate (BER) performance of a system. Therefore, the basic approach of communication signal processing is adopted to eliminate the three typical RF effects in this project. In particular, for each of the three RF effects, appropriate mathematical models are established, simple and efficient estimation and prediction algorithms are proposed to obtain relevant parameters, which are used in the compensation and demodulation of the distorted signals. On this basis, considering the combined RF effects of the three, a complete method of RF effect cancellation will be achieved. Afterwards, design of physical-layer frame structure for 60 GHz WPAN will be carried out exploiting the complete method, and the corresponding overall performance evaluation and feasibility validation will be conducted. Finally, the design of physical-layer frame structure will be submitted to the national standard working group to promote the standardization of 60 GHz technology in China.

60 GHz毫米波通信技术具有巨大的潜在应用价值，且目前国际与国内标准组也正在制定60 GHz无线个域网/无线局域网标准。60 GHz毫米波通信面临的重大挑战之一是高频点、大带宽，这导致基于CMOS工艺的射频器件存在功放非线性、IQ失衡以及相位噪声等影响，从而显著降低系统误码性能。为此，本项目拟采用通信信号处理的基本方法，分别针对三种典型的射频影响建立合适的数学模型，提出简单、高效的估计及预测算法来提取有关参数，并利用这些参数对失真信号进行补偿和解调，从而消除这三种典型的射频影响；在此基础上，综合考虑三方面的射频影响，形成完整的射频影响消除方案；并将该方案融入60 GHz WPAN物理层帧结构设计，进行整体系统性能评估与可行性验证。最后，将设计的物理层帧结构提交至国家标准工作组，以推动我国60 GHz技术的标准化。

60GHz毫米波通信具有容量大、可集成度高、抗干扰能力强等优势，近年来得到了业界的广泛关注。然而，由于频点高、带宽大、路径损耗强，同时面临设备小型化和低功耗集成的设计需求，射频影响成为60GHz通信向前发展的重要挑战。本项目对功率放大器非线性、IQ失衡以及相位噪声三种典型射频影响展开补偿技术研究，以期通过基带数字信号处理缓解60GHz射频部分的实现压力，推动我国60GHz技术的标准化。具体研究工作及主要结果如下：..首先，提出畸变星座点估计与解调的方法补偿PA非线性失真。PA非线性使信号星座点出现畸变，根据畸变后的星座点对符号判决解调可以满足最大似然准则，从而使解调性能得到提高。所提方法仅利用数字信号处理补偿PA非线性，不需要引入额外的射频模块，有利于器件小型化及低功耗集成，同时估计畸变星座点不需获得准确的非线性响应函数。相关结果表明，该方法可以有效降低PA非线性所造成的性能损失，并能消除误比特率平台。..第二，提出采用分步解耦处理补偿IQ失衡。IQ失衡与信道多径及载波频偏相互耦合，进行联合补偿具有较大难度。采用分步解耦处理的思想，可以将复杂问题简单化，且易于对每一步展开针对性算法设计，从而保证整体补偿的准确性。具体对三种情况分别进行了研究，包括接收端频域独立IQ失衡、收发端频域独立IQ失衡、以及收发端频域不独立IQ失衡。仿真结果显示，所提方法取得的性能相对于已有算法更加鲁棒。..第三，提出两级反馈迭代结构补偿相位噪声。基于迭代频域均衡方案，在均衡前后分别执行初始相位噪声补偿和残余相位噪声补偿。对于具体算法流程，根据相位噪声在频域上的窄带特性以及时域上的短时平稳性分别展开了研究。结果显示，所提的两级反馈迭代结构的补偿能力优于已有方案，尤其在高阶调制下能取得显著的性能改进。..最后，设计帧结构以及数据接收流程，实现PA非线性、IQ失衡以及相位噪声的综合补偿。该方法在很大程度上避免了三种射频影响的相互制约，从而可以采用对它们独自处理的方法进行综合补偿。相关方法已作为技术提案提交至国家和国际标准组。..此外，在本项目执行期间，毫米波通信波束赋形得到迅速发展。项目组进一步扩展了此课题的研究内容，将波束赋形作为一个新的研究分支，在码本设计、波束训练、序列检测等方面取得丰硕成果，并获得自然科学基金委面上基金项目支持。