Точная компенсация нежелательных DC смещений в приемнике прямого преобразования

korhal
Сообщения: 5
Зарегистрирован: 21 ноя 2020, 16:24

Точная компенсация нежелательных DC смещений в приемнике прямого преобразования

Сообщение korhal »

Всем привет!

Есть квадратурный RF приемник прямого преобразования (Zero-IF), I и Q выходы которого оцифровываются и принимаются в процессоре. Приемник должен принимать узкополосные FM сигналы (аналог и цифра). Квадратуры I и Q имеют нежелательные DC смещения, которые надо точно компенсировать (70-80 dB ниже полной шкалы АЦП). Причины нежелательных DC смещений: конечная изоляция между входами смесителя RF и LO (self mixing), продукты интермодуляции второго порядка, температурный дрейф, фликер шум.

FM сигналы имеют собственную ненулевую DC компоненту, которая после переноса спектра в 0 смешивается с нежелательной DC приемника. Нельзя просто применить DC blocker фильтр, так как он удаляет не только нежелательное DC смещение, но и низкочастотную составляющую полезного сигнала.

В сети нашел такое: "Когда присутствует полезный сигнал, необходимо управлять алгоритмом DC, чтобы предотвратить отслеживание DC, вызванное несбалансированной модуляцией - одно решение состоит в том, чтобы иметь несколько постоянных времени, таких как «быстрое отслеживание», «медленное отслеживание» и «удержание»."

Как работает такое решение ? Какие еще могут быть решения ?

Какие есть способы измерения DC смещения ? Знаю только способ усреднения сэмплов на интервале времени. На шуме работает хорошо, но на низкочастотных сигналах дает большую ошибку, нужно сильно увеличивать интервал усреднения. В FM передаче есть низкочастотные сигналы, например несущая (без модуляции), частота которой близка к центральной частоте приемника.

Аватара пользователя
Бахурин Сергей
Администратор
Сообщения: 1004
Зарегистрирован: 05 окт 2010, 19:55
Контактная информация:

Re: Точная компенсация нежелательных DC смещений в приемнике прямого преобразования

Сообщение Бахурин Сергей »

1) Если вы наблюдаете сумму DC RF LO и некого полезного сигнала, то разделить их не представляется возможным. Так или иначе придется исключать сигнал из суммы.
2) Если у вас FM сигнал, то вы можете давить эту смесь длительным усреднением. DC в огибающей FM сигнала информации не несет. Также вы можете не давить эту смесь вовсе, и она автоматом удалится дифференцированием в FM демодуляторе.

korhal
Сообщения: 5
Зарегистрирован: 21 ноя 2020, 16:24

Re: Точная компенсация нежелательных DC смещений в приемнике прямого преобразования

Сообщение korhal »

Бахурин Сергей писал(а):
01 дек 2020, 21:55
1) Если вы наблюдаете сумму DC RF LO и некого полезного сигнала, то разделить их не представляется возможным. Так или иначе придется исключать сигнал из суммы.
Это статическое DC, которое зависит от уровня и частоты LO сигнала, от особенностей конкретного чипа приемника и от некоторых других характеристик. Статическое DC убирается путем калибровки с выключенным МШУ (грубая компенсация). Трудность представляет именно динамическое DC. Динамическое DC может медленно дрейфовать от изменения температуры чипа приемника, а также может резко менятся от воздействия мощной внеполосной помехи.
Бахурин Сергей писал(а):
01 дек 2020, 21:55
DC в огибающей FM сигнала информации не несет.
DC в огибающей FM сигнала может составлять значительную часть спектра. Удаление или искажение DC спектра огибающей ведет к искажениям сигнала после FM демодуляции. Пример на картинках ниже.
Бахурин Сергей писал(а):
01 дек 2020, 21:55
Также вы можете не давить эту смесь вовсе, и она автоматом удалится дифференцированием в FM демодуляторе.
В FM демодуляторе сначала вычисляется фазовая огибающая как арктангенс величины Q[n]/I[n], затем фазовая огибающая дифференцируется. То есть соотношение Q[n]/I[n] должно быть очень точным. Нежелательное DC в I и/или Q канале приводит к разрушению соотношения Q[n]/I[n], поскольку Q[n]/I[n] ~= (Q[n] + A)/(I[n] + B). Дифференцирование никак не помогает удалить нежелательное DC из квадратур.

Изображение

Аватара пользователя
Бахурин Сергей
Администратор
Сообщения: 1004
Зарегистрирован: 05 окт 2010, 19:55
Контактная информация:

Re: Точная компенсация нежелательных DC смещений в приемнике прямого преобразования

Сообщение Бахурин Сергей »

да действительно убрать DC смещение просто так нельзя появляются паразитные искажения на выходе. Тогда надо калибровать в процессе работы. Если есть при передаче какие-то известные "пилоты", то зная их уровень спектра на нулевой частоте можно пытаться рассчитывать вредную DC по известным пилотам и вычитать ее в процессе работы демодулятора. Так или иначе придется разделять сумму полезного сигнала и вредной DC на нулевой частоте.

korhal
Сообщения: 5
Зарегистрирован: 21 ноя 2020, 16:24

Re: Точная компенсация нежелательных DC смещений в приемнике прямого преобразования

Сообщение korhal »

Известные "пилоты" встречаются в цифровых видах FM, например преамбула или кадровая синхропоследовательность (Frame Sync). В аналоговой FM ничего подобного нет. Остается только постоянное усреднение. Пусть есть DC, которое равно сумме полезного и вредного DC. Чтобы выделить одну из составляющих методом усреднения, вторая составляющая должна быть случайной величиной с нулевым мат. ожиданием.

Можно ли считать DC FM сигнала на временном интервале случайной величиной с нулевым мат. ожиданием ?

Как выбрать временной интервал для усреднения ?

Аватара пользователя
Бахурин Сергей
Администратор
Сообщения: 1004
Зарегистрирован: 05 окт 2010, 19:55
Контактная информация:

Re: Точная компенсация нежелательных DC смещений в приемнике прямого преобразования

Сообщение Бахурин Сергей »

Пусть есть DC, которое равно сумме полезного и вредного DC. Чтобы выделить одну из составляющих методом усреднения, вторая составляющая должна быть случайной величиной с нулевым мат. ожиданием.
DC по сути и есть мат ожидание. Нулевое мат ожидание означает нулевое DC. В этом и фишка, что вы не можете сказать что есть сигнал, а что есть LO DC. Длительное усреднение будет давать вам все время эту сумму и никак не поможет вам разделить LO DC и полезнeю DC.
Можно ли считать DC FM сигнала на временном интервале случайной величиной с нулевым мат. ожиданием ?
Вы же сами показали, что убрав DC из спектра FM получается искаженный демодулированный сигнал, поэтому исключив постоянную составляющую из спектра комплексной огибающей нельзя. FM сигнал на радиочастоте конечно имеет нулевое матожидание из-за частотного заполнения, но после переноса на нулевую промежуточную частоту мат ожидание комплексной огибающей становится ненулевым (а равным сумма полезной DC и паразитной LO DC).

По сути ZIF технология имеет одно достоинство: дешево стоит. Остальное сплошные недостатки по сравнению с супергетеродинными приёмом на промежуточной частоте.

Самое простое решение - отказаться от переноса на нулевую частоту. Тогда вы сможете разделить LO DC и полезный сигнал по частоте. При этом разнос по частоте надо делать больше полосы спектра сигнала, чтобы LO DC не смешивалась с сигналом вообще. Это приведет к увеличению частоты дискретизации АЦП, потому что надо оцифровать полосу сигнала + разнос по частоте (по сути это и есть супергетеродинный приемник).

korhal
Сообщения: 5
Зарегистрирован: 21 ноя 2020, 16:24

Re: Точная компенсация нежелательных DC смещений в приемнике прямого преобразования

Сообщение korhal »

Бахурин Сергей писал(а):
03 дек 2020, 18:16
Вы же сами показали, что убрав DC из спектра FM получается искаженный демодулированный сигнал, поэтому исключив постоянную составляющую из спектра комплексной огибающей нельзя.
Да, полностью удалять DC нельзя. Но отделить вредное DC от полезного можно, если вредное DC постоянно на небольшом временном отрезке, а полезное DC есть случайная величина с нулевым матожиданием. Например можно разделить сигнал на кадры, затем вычислить DC в каждом кадре. Полезное DC в каждом отдельном кадре может быть не 0. Но если усреднить DC для множества последовательных кадров, то полезное DC будет 0, и останется вредное DC в чистом виде. По крайней мере я так понял этот патент, но там речь идет о GSM (GMSK модуляция).

"As previously noted, the natural DC offset refers to the inherent, non-zero, DC value of the burst or timeslot. The GSM system, as a GMSK based system, has these characteristics. It has been found that with random modulation, there is greater than 40% probability that the natural DC offset (of I or Q) will exceed 1.5% of full scale. To remove the natural offset would have the same degradation affects as adding an erroneous offset of equal amplitude. Therefore, a viable DC offset solution should have the ability to distinguish between the natural DC offsets, and the undesired DC offsets, and remove only the undesired term."

"It has been determined that offsets in I and Q channels are independent. Offsets in consecutive TDMA frames (for a given timeslot) are not independent; this results from the significant deterministic content of the GSM burst (midamble, tail bits, etc.). The magnitude of the DC offsets follow a Gaussian distribution, and are essentially bounded by +12% of full scale. Where corrected baseband I and Q channel digitized signal 58 and 60 are independently averaged over eight consecutive bursts, there is 90% confidence that the average value of I+Q is less than 1.5% of full scale. This figure is generally considered acceptably close to zero. Therefore, averaging over 8-10 TDMA frames is recommended. This will permit convergence in 8 TDMA frames (one speech frame) and will help insure (with 90% confidence) less than 1.5% residual DC offset."
Бахурин Сергей писал(а):
03 дек 2020, 18:16
Самое простое решение - отказаться от переноса на нулевую частоту.
Я не ищу легких путей :lol: К тому же я точно знаю, что решение есть, но производитель чипа приемника не раскрывает детали реализации IQ обработки, которую применяет в своем baseband процессоре.

Аватара пользователя
Бахурин Сергей
Администратор
Сообщения: 1004
Зарегистрирован: 05 окт 2010, 19:55
Контактная информация:

Re: Точная компенсация нежелательных DC смещений в приемнике прямого преобразования

Сообщение Бахурин Сергей »

korhal писал(а):
04 дек 2020, 16:59
Да, полностью удалять DC нельзя. Но отделить вредное DC от полезного можно, если вредное DC постоянно на небольшом временном отрезке, а полезное DC есть случайная величина с нулевым матожиданием. Например можно разделить сигнал на кадры, затем вычислить DC в каждом кадре.
Давайте для начала поймем разницу между DC полезным, вредным, и мат ожиданием. По мне так DC это direct current, то что мы называем постоянный ток. DC может быть с нулевым матожидание только если DC = 0. Если вы под DC подразумеваете некий медленный процесс с нулевым матожиданием, тогда да вы легко разделите их.

В общем случае разделить полезный спектр на нулевой частоте и постоянное напряжение на выходе ZIF демодулятора нельзя, если вы не применяете специальных техник с пилот сигналами или каких-то иных решений (которые так или иначе требуют некого знания сигнала при приеме).

Приведенный патент имеет несколько ключевых моментов:
1) в TDMA системе уровень таймслотов меняется, поэтому по сути это не совсем DC, а все-таки медленно меняющаяся DC
2) However, by keeping the high pass corner frequency below about 40 Hz, BER degradation can be kept below an acceptable level. Т.е. убрать в сигнале полосу в 40 Гц не приведет к ухудшению качества связи.
Это частное решение, в общем случае все не так.

korhal
Сообщения: 5
Зарегистрирован: 21 ноя 2020, 16:24

Re: Точная компенсация нежелательных DC смещений в приемнике прямого преобразования

Сообщение korhal »

DC вредное/нежелательное - постоянное напряжение на выходе ZIF демодулятора
DC полезное/естественное - среднее значение I или Q компоненты огибающей сигнала на временном отрезке
DC композитное - сумма вредного и полезного DC

Тогда для цифровых стандартов FSK можно попробовать усреднять композитную DC на множестве последовательных временных слотов

"The closed loop DC offset correction stage 20 utilizes GSM type formats where a natural DC offset of a same timeslot over a range of frames is Zero even though the natural offset for one timeslot may be non-zero."
"Timeslot may have a non-zero DC offset but the long term average of consecutive bursts is Zero."

В аналоговой FM есть сигналы, имеющие периодичную огибающую (например модуляция тоном). Можно ли использовать периодичность для удаления вредного DC из таких сигналов ?

Аватара пользователя
Бахурин Сергей
Администратор
Сообщения: 1004
Зарегистрирован: 05 окт 2010, 19:55
Контактная информация:

Re: Точная компенсация нежелательных DC смещений в приемнике прямого преобразования

Сообщение Бахурин Сергей »

любой известный сигнал можно считать пилот сигналом и по нему калибровать искажения, в частности DC. Так что если у вас есть возможность сделать однотональную модуляцию и принять сигнал, то зная уровень DC данной модуляции вы сможете выделить добавку с LO и вычесть ее.

Ответить