Pré-distorsion des amplificateurs RF

Sami Hadiji

Description

®2013 - Sami HADIJI - [e-mail]
- Ingénierie des systèmes électroniques
- Résumé :
- Dans une chaine d’émission radio, l'amplificateur de puissance est un élément
critique et déterminant pour le bilan global de consommation d’énergie ainsi que
pour les distorsions des signaux. Pour optimiser leur rendement énergétique, les
amplificateurs RF sont souvent utilisés aux limites de leurs zones de linéarité.
Ce fonctionnement non-linéaire génère des effets indésirables qui pourraient
dégrader le signal transmis. Afin de corriger les non-linéarités des amplificateurs RF,
il existe plusieurs techniques de linéarisation. Celle qui sera traitée dans ce mémoire
est la linéarisation par pré-distorsion.
- Le premier chapitre rappelle les principales caractéristiques qui spécifient
l'amplificateur de puissance.
- Le deuxième chapitre présente les différents effets de la non-linéarité des
amplificateurs RF ainsi que les paramètres qui permettent de l'évaluer.
- Le troisième chapitre fait un panorama sur les différentes techniques de linéarisation
utilisées et explique le concept de la pré-distorsion.
- Le dernier chapitre présente la mise en oeuvre d'une pré-distorsion numérique
polynomiale en bande de base pour un amplificateur RF CREE CGH40010 (10W). Les
performances de cette pré-distorsion seront illustrées par des résultats
expérimentaux.
- Pour conclure, nous ferons le bilan des performances obtenues par la pré-distorsion
numérique en bande de base.

Informations

• Publié par: sami.hadiji
• Publié le: 26 décembre 2014
• Nombre de lectures: 32
• Langue: Français
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Extrait

Pré-distorsion

des amplificateurs RF

© 2013 - Sami HADIJI

Ingénierie des systèmes électroniques

sami.hadiji.free.fr [e-mail]

Résumé Dans une chaine d’émission radio, l'amplificateur de puissance est un élément critique et déterminant pour le bilan global de consommation d’énergie ainsi que pour les distorsions des signaux. Pour optimiser leur rendement énergétique, les

amplificateurs RF sont souvent utilisés aux limites de leurs zones de linéarité.

Ce fonctionnement non-linéaire génère des effets indésirables qui pourraient dégrader le signal transmis. Afin de corriger les non-linéarités des amplificateurs RF,

il existe plusieurs techniques de linéarisation. Celle qui sera traitée dans ce mémoire

est la linéarisation par pré-distorsion. Le premier chapitre rappelle les principales caractéristiques qui spécifient l'amplificateur de puissance. Le deuxième chapitre présente les différents effets de la non-linéarité des amplificateurs RF ainsi que les paramètres qui permettent de l'évaluer.

Le troisième chapitre fait un panorama sur les différentes techniques de linéarisation utilisées et explique le concept de la pré-distorsion. Le dernier chapitre présente la mise en œuvre d'une pré-distorsion numérique

polynomiale en bande de base pour un amplificateur RFCREE CGH40010(10W). Les performances de cette pré-distorsion seront illustrées par des résultats expérimentaux.

Pour conclure, nous ferons le bilan des performances obtenues par la pré-distorsion numérique en bande de base.

Table des matières IS PECIFICATION D ’ UN AMPLIFICATEUR DE PUISSANCE .......................................................3................................ I.1L E RENDEMENT ........................................................................................................................................................3........ I.2L E GAIN EN PUISSANCE ........4............................................................................................................................................ I.3L A BANDE PASSANTE .......................4................................................................................................................................ I.4L E FACTEUR DE BRUIT ..........................................................................................4........................................................... I.5L A LINEARITE 5................................................................................................................................................................... IIE VALUATION DE LA NON - LINEARITE D ' UN AMPLIFICATEUR RF .......................................................................6 II.1C AS DE MONO - PORTEUSE .....................................................................................6..................................................... II.2C AS DE BI - PORTEUSE .............................................................................................................................................8.... II.3C AS D ' UN SIGNAL MODULE ..................................................................................................................................... 10 IIIT ECHNIQUES DE LINEARISATION DES AMPLIFICATEURS RF .......................................................................... 12 III.1L E FEEDFORWARD .................................................................................................................................................. 12 III.2L E FEED - BACK ......................................................................................................................................................... 12 III.3L A PRE - DISTORSION ............................................................................................................................................... 14 III.3.1L A PRE - DISTORSION ANALOGIQUE ................................................................................................................. 14 III.3.2L A PRE - DISTORSION NUMERIQUE ................................................................................................................... 15 IVP RE - DISTORSION NUMERIQUE EN BANDE DE BASE D ’ UN AMPLIFICATEUR RF.............................................. 16 IV.1C ARACTERISATION DE L ' AMPLIFICATEUR RF A « LINEARISER » ...................................................................... 16 IV.1.1C ARACTERISATION EN MONO - PORTEUSE ...................................................................................................... 17 IV.1.2C ARACTERISATION EN BI - PORTEUSE ............................................................................................................. 18 IV.1.3C ARACTERISATION POUR UN SIGNAL MODULE TYPE 16-QAM ................................................................. 19 IV.2P RE - DISTORSION NUMERIQUE (DPD) ................................................................................................................ 22 IV.2.1P RE - DISTORSION PAR LUT: ........................................................................................................................... 22 IV.2.2P RE - DISTORSION PAR MODELES MATHEMATIQUES :................................................................................... 24 IV.3R ESULTATS ET PERFORMANCES ........................................................................................................................... 27 VC ONCLUSION ET PERSPECTIVES ....................................................................................................................... 29 Bibliographie ............................................................................................................................................ 31 ANNEXES.................................................................................................................................................... 33

Table des figures Figure 1: Bilan énergétique d'un amplificateur de puissance............................................................. 3 Figure 2 : Caractéristique AM-AM .................................................................................................... 6 Figure 3 : Distorsion d'harmonique .................................................................................................... 7 Figure 4 : Produit d'intermodulations d'ordre 3.................................................................................. 8 Figure 5 : Le rapport C/I3 (Produit IM3) ........................................................................................... 8 Figure 6 : Point d'interception d'ordre 3 ............................................................................................. 9 Figure 7 : Effets de non-linéarité sur la constellation (16-QAM) .................................................... 10 Figure 8 :L’EVM (Error Vector Magnitude)................01.................................................................. Figure 9 : Intermodulation - remontées spectrales ........................................................................... 11 Figure 10 : l’ACPR (Adjacent Channel Power Ratio) ..................................................................... 11 Figure 11 : Structure Feedforward ................................................................................................... 12 Figure 12 : Structure enveloppe feedback........................................................................................ 13 Figure 13 : Structure cartesian feedback .......................................................................................... 13 Figure 14 : Principe de la pré-distorsion .......................................................................................... 14 Figure 15 : Structure de pré-distorsion analogique .......................................................................... 14 Figure 16 : Principe de la pré-distorsion numérique en bande de base ............................................ 15 Figure 17 : Démonstrateur amplificateur CREE CGH40010 10W .................................................. 16 Figure 18 : Caractéristiques de rendement et de gain en puissance ................................................. 17 Figure 19 : Caractéristiques AM/AM et AM/PM ............................................................................ 17 Figure 20 : Caractéristiques AM/AM pour∆F=100KHz et∆F=4MHz........................................... 18 Figure 21 : Gain en puissance pour∆F=100KHz et∆F=4MHz ...................................................... 18 Figure 22 : Schéma de principe du banc de mesures ....................................................................... 19 Figure 23 : ACPR pour 100Ksymb/s et 4Msymb/s....................................................................... 20 Figure 24 : EVM(%) pour 100Ksymb/s et 4Msymb/s .................................................................. 20 Figure 25 : Caractéristiques d'enveloppes instantanées ................................................................... 21 Figure 26 : Principe de la pré-distorsion par LUT ........................................................................... 22 Figure 27 : Pré-distorsion avec apprentissage indirect..................................................................... 24 Figure 28 : Extraction du gain linéaire à bas niveau ........................................................................ 25 Figure 29 : Modèle polynomial à mémoire (Memory polynomial) ................................................. 26 Figure 30 : Caractéristiques instantanées avec DPD pour 100Ksymb/s ......................................... 27 Figure 31 : Caractéristiques instantanées avec DPD pour 4Msymb/s............................................. 27 Figure 32 : ACPR et EVM(%) avec DPD pour 100Ksymb/s ......................................................... 28 Figure 33 : ACPR et EVM(%) avec DPD pour 4Msymb/s............................................................. 28 Figure 34 : Principe de la pré-distorsion adaptative......................................................................... 29 Figure 35 : Le PAPR (Peak to Average Power Ratio) ..................................................................... 33 Figure 36 : Caractéristiques AM/AM et AM/PM en fonction de la fréquence d'excitation............. 34 Figure 37 : Caractéristique AM/AM en fonction du rythme de la modulation (16-QAM).............. 34 Figure 38 : Constellation 16-QAM .................................................................................................. 35

ACPR AM BF BW C/I CW DAC DC DPD DSP EVM FPGA GaN HSDPA IM IP LUT OFDM PA PAE PAPR PM QAM QPSK RF RFPA RSB SNR THD CDMA WiFi WiMAX

GLOSSAIRE

Adjacent Channel Power Ratio Amplitude Modulation Basse Fréquence Band Width Carrier to Intermodulation Continuous Wave Digital to Analogic Converter Direct Current Digital Pre-Distortion Digital Signal Processor Error Vector Magnitude Field-Programmable Gate Array Gallium Nitride High Speed Downlink Packet Access InterModulation Interception Point Look-Up Table Orthogonal Frequency Division Multiplexing Power Amplifier Power Added Efficiency Peak to Average Power Ratio Phase Modulation Quadrature Amplitude Modulation Quadrature Phase-Shift Keying Radio Frequency Radio Frequency Power Amplifier Rapport Signal à Bruit Signal to Noise Ratio Total Harmonic Distortion Code Division Multiple Access Wireless Fidelity Worldwide Interoperability for Microwave Access

Introduction générale Avec l’augmentation, d'une part, du nombre d’utilisateurs des systèmes de communication et d'autre part, de la quantité et la qualité de services associés, on utilise actuellement des formats de modulations de signaux (ex : QPSK, QAM, ...) optimisant la gestion des ressources spectrales et des techniques d’accès (ex : CDMA, OFDM, ...) permettant d'obtenir une meilleure robustesse vis à vis des canaux de propagation. Ces formats de modulation génèrent des signaux à enveloppe variable qui peuvent avoir d'importants rapports PAPR (Peak to Average Power Ratio) [A1]. Dans ces conditions, l’amplificateur de puissance de l’émetteur est contraint d'avoir une bonne linéarité. Un fonctionnement avec un recul de puissance le permet mais se traduit aussi par un mauvais rendement énergétique. Dans ce contexte, on peut remarquer une tendance assez générale visant à appliquer

des techniques correctives de linéarisation aux architectures d’amplificateurs à haut rendement. Une technique de linéarisation, largement utilisée, sera traitée dans ce travail : il s'agit de la pré-distorsion.

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