Optimization of Cartesian Feedback Loops for Wideband SDR Transmitters in 5G Mobile Networks
Вантажиться...
Дата
2025-06-30
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського"
Анотація
The article investigates the application of the Cartesian Feedback (CF) loop for distortion compensation in wideband Software-defined radio (SDR) systems, specifically in the context of 5G mobile networks, which incorporate technologies such as Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM) and support applications like the Internet of Things (IoT). The purpose of the research is to minimize nonlinear distortions, such as I/Q-imbalance and phase noise, through a combined analog-digital compensation approach that includes Digital Predistortion (DPD) and the use of a CF loop. In addition, the research aims to investigate how these distortions affect the error resilience of 5G systems, particularly in terms of Error Vector Magnitude (EVM) instability, using Signal-Code Constructions (SCC) based on Quasi-Cyclic Low-Density Parity-Check Code (QC-LDPC) and Polar Codes (P-C) with 256-Quadrature Amplitude Modulation (256-QAM). This dual focus enables a comprehensive analysis of both signal correction mechanisms and their impact on communication reliability. This allows for a significant reduction in computational costs and delays, which is crucial for practical applications in 5G and IoT systems. The object of the study is the effectiveness of the CF loop combined with DPD, analyzed through Simulink Matlab, with an evaluation of its impact on the EVM, Modulation Error Ratio (MER), and Bit Error Ratio (BER). As a result of the research, it is shown that the CF loop enhanced with DPD significantly improves signal quality by reducing EVM and enhancing spectral purity compared to traditional compensation methods such as digital equalization and predistortion.The subject of the research is the optimization of the CF loop for wideband SDR transmitters in 5G mobile networks, aiming to enhance efficiency, reduce latency, and ensure high-quality signal transmission in systems that employ technologies such as OFDM and support IoT applications. The proposed approach enhances the reliability and stability of data transmission in modern wireless networks, which is particularly relevant given the increasing demands for speed and quality of service. The results of this study may be beneficial for telecommunications equipment developers and engineers involved in implementing advanced technologies in the field of wireless communication.
Опис
У статті досліджується застосування картезіанської петлі зворотного зв'язку (Cartesian Feedback, CF) для компенсації спотворень у широкосмугових системах радіозв’язку з програмно-конфігурованою архітектурою (Software-defined radio, SDR), зокрема в контексті мобільних мереж п’ятого покоління (5G), які включають технології ортогонального частотного мультиплексування (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing, OFDM) та підтримують застосування Інтернету речей (Internet of Things, IoT). Метою дослідження є мінімізація нелінійних спотворень, таких як дисбаланс I/Q-складових і фазовий шум, за допомогою комбінованого аналого-цифрового підходу до компенсації, який передбачає використання цифрового передспотворення (Digital Predistortion, DPD) у поєднанні з петлею CF. Крім того, у межах дослідження проаналізовано вплив цих спотворень на завадостійкість систем 5G, зокрема на нестабільність величини вектора помилки (Error Vector Magnitude, EVM), із застосуванням сигнально-кодових конструкцій (Signal-Code Constructions, SCC), побудованих на основі квазіциклічних кодів з низькою щільністю перевірок парності (Quasi-Cyclic Low-Density Parity-Check Code, QC-LDPC) та полярних кодів при застосуванні модуляції 256-QAM (Quadrature Amplitude Modulation). Такий подвійний акцент дає змогу всебічно оцінити як механізми корекції сигналу, так і їхній вплив на надійність передавання інформації. Запропонований підхід дозволяє суттєво зменшити обчислювальні витрати та затримки, що є критично важливим для практичного використання у системах 5G та додатках IoT. Об’єктом дослідження є ефективність петлі CF у поєднанні з DPD, проаналізована в середовищі Simulink Matlab із врахуванням впливу на величину вектора помилки (EVM), коефіцієнт похибки модуляції (Modulation Error Ratio, MER) та ймовірність бітової помилки (Bit Error Ratio, BER). У результаті дослідження показано, що петля CF у комбінації з DPD суттєво покращує якість сигналу, зменшуючи EVM та підвищуючи спектральну чистоту порівняно з традиційними методами компенсації, такими як цифрова еквалізація та передспотворення. Предметом дослідження є оптимізація петлі картезіанської петлі зворотного зв'язку для широкосмугових SDR-передавачів у мобільних мережах 5G з метою підвищення ефективності, зменшення затримок та забезпечення високої якості передавання сигналу в системах, що використовують технології OFDM і підтримують IoT-додатки. Запропонований підхід підвищує надійність і стабільність передавання даних у сучасних бездротових мережах, що особливо актуально з огляду на зростаючі вимоги до швидкості та якості обслуговування. Результати дослідження можуть бути корисними для розробників телекомунікаційного обладнання та інженерів, які займаються впровадженням передових технологій у сфері бездротового зв’язку.
Ключові слова
5G, software-defined radio, error vector magnitude, Cartesian feedback, digital predistortion, quasi-cyclic LDPC, modulation error ratio, orthogonal frequency-division multiplexing, internet of things, програмно-конфiгуроване радiо (SDR), величина вектору помилки (EVM), картезiанський зворотний зв’язок (CF), цифрова передкорекцiя (DPD), квазiциклiчнi коди низької щiльностi перевiрок на парнiсть (QC-LDPC), коефiцiєнт помилки модуляцiї (MER), ортогональне частотне мультиплексування (OFDM), iнтернет речей (IoT)
Бібліографічний опис
Boiko J. M. Optimization of Cartesian Feedback Loops for Wideband SDR Transmitters in 5G Mobile Networks / J. M. Boiko, I. S. Pyatin, O. I. Eromenko, L. V. Karpova // Visnyk NTUU KPI Seriia - Radiotekhnika Radioaparatobuduvannia. – 2025. - №100. – P. 27–42.