Linéarisation des émetteurs par prédistorsion numérique - 4 JUIN 2015 THALES COMMUNICATIONS & SECURITY GENNEVILLIERS Sylvain TRAVERSO ...
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Linéarisation des émetteurs par prédistorsion numérique 4 JUIN 2015 Sylvain TRAVERSO sylvain.traverso@thalesgroup.com THALES COMMUNICATIONS & SECURITY GENNEVILLIERS www.thalesgroup.com OPEN
Définition du problème
▌ Contexte
Amplification de modulations à enveloppe non constante (Monoporteuses
filtrées, Multi-porteuses, …)
Optimisation de la puissance consommée (fort rendement souhaité)
Ce document ne peut être reproduit, modifié, adapté, publié, traduit, d'une quelconque façon, en tout ou partie,
Forte linéarité exigée (cohabitation, densifier le réseau,…)
ni divulgué à un tiers sans l'accord préalable et écrit de Thales - ©Thales 2015 Tous Droits réservés.
▌ Constatations sur le PA
Plus gros consommateur de puissance d’un émetteur
Elément le plus non-linéaire d’un émetteur
Linéarité et rendement sont antinomiques
Linéarisation permet à la fois d’optimiser :
• Le rendement du PA
• La linéarité de l’émetteur
2 TRN : xxxx-xxxxxxxxxx rev xxx - date OPEN
Thales Communications & Security / Modèle : 87204467-DOC-GRP-FR-002
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3
TRN : xxxx-xxxxxxxxxx rev xxx - date
Thales Communications & Security / Modèle : 87204467-DOC-GRP-FR-002
OPEN
Le compromis Linéarité Rendement
Augmenter la linéarité + Augmenter le rendementObjectifs de la prédistorsion numérique
▌ Améliorer la Linéarité
Hors-bande (ACPRs):
- Densifier le réseau
- Peu de canaux disponibles
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- Peu de marge industrielle
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Dans la bande (EVM):
- Sensibilité des modulations à haute efficacité spectrale
- Peu de marge industrielle
Linéarité dans la bande Linéarité hors-bande
EVM: Error Vector Magnitude ACPR: Adjacent Channel Power Ratio
▌ Augmenter le rendement
Utiliser des amplificateurs de puissance moins linéaires
4 TRN : xxxx-xxxxxxxxxx rev xxx - date OPEN
Thales Communications & Security / Modèle : 87204467-DOC-GRP-FR-002Quel type de linéarisation ?
▌ Feedback
Système à contre réaction
▌ Feedforward
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Compensation des distorsions du PA à sa sortie
▌ EER
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Envelope Elimination and Restoration
▌ LINC
Linear amplification with non linear components
▌ Prédistorsion
Appliquer en amont une non linéarité inverse au PA
RF
Numérique Performant, Large Bande, Adaptatif, Stable, Mature
5 TRN : xxxx-xxxxxxxxxx rev xxx - date OPEN
Thales Communications & Security / Modèle : 87204467-DOC-GRP-FR-002Contraintes « Civil » vs Contraintes « Defense »
▌ Solutions proposées dans le civil
Pour stations de base pas de mobilité
A fréquence fixe apprentissage lent
Moyenne gamme de fréquence/température adaptation/reconfigurabilité
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moyenne
Pas (peu) de brouillage
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Très fort débit
▌ Contraintes du « Tactique » ?
Réseau sans infrastructure résistance à la mobilité
Saut de fréquence rapidité d’apprentissage et d’exécution
Large gamme de fréquence/température, … très adaptatif, reconfigurable
Brouillage très résistant
Débits < 5 Mbps largeur de bande instantanée moyenne (5MHz max)
Mono-canalisation (pour le moment)
Solutions civiles non applicables
6 TRN : xxxx-xxxxxxxxxx rev xxx - date OPEN
Thales Communications & Security / Modèle : 87204467-DOC-GRP-FR-002Généralités sur la prédistorsion numérique
▌ Principe de la prédistorsion numérique (DPD: Digital PreDistortion)
Non-linéarité numérique + Non-linéarité analogique = système linéaire
Digital Power
PreDistorsion Amplifier
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f f f
7 TRN : xxxx-xxxxxxxxxx rev xxx - date OPEN
Thales Communications & Security / Modèle : 87204467-DOC-GRP-FR-002Généralités sur la prédistorsion numérique
▌ Place de la DPD dans une chaîne de transmission
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f f f
Transposition
Application de de fréquence + f
Modem-PHY Surech1 ↑
la DPD
Surech2 ↑ CNA
filtrage + pré-
PA
amplification
Transposition
Calcul de la de fréquence +
Sous-ech2 ↓ CAN
DPD filtrage +
amplification
Boucle de retour
8 TRN : xxxx-xxxxxxxxxx rev xxx - date OPEN
Thales Communications & Security / Modèle : 87204467-DOC-GRP-FR-0022 approches possibles
▌ Apprentissage direct
Etape 1 : Calcul du modèle du PA
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Etape 2 : Calcul de l’inverse du modèle PA
Etape 3 : Application de l’inverse du PA
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▌ Apprentissage indirect (solution retenue)
Etape 1 : Calcul de la post-distorsion
Etape 2 : Application de la pre-distorsion (=post-distorsion)
9 TRN : xxxx-xxxxxxxxxx rev xxx - date OPEN
Thales Communications & Security / Modèle : 87204467-DOC-GRP-FR-002Quel type de prédistorsion utiliser ?
▌ 3 questions à se poser
Quelles performances de linéarité à tenir ?
Quel est le comportement de l’ampli à linéariser ?
Quelle est la puissance de calcul dont je dispose ?
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Simplicité des calculs
Dynamic Wiener
Séries de Deviation Wiener
Volterra Polynômes
Reduction Parallèle Polynômes Polynômes Hammerstein (orthogonaux)
à mémoire (orthogonaux)
généralisée à mémoire
Effets mémoire Sans
effets mémoire
Performance de la prédistorsion numérique
10 TRN : xxxx-xxxxxxxxxx rev xxx - date OPEN
Thales Communications & Security / Modèle : 87204467-DOC-GRP-FR-002Comment calculer les coefficients de prédistorsion ?
▌ Exemple des polynômes d’ordre impairs à mémoires
Fonction de prédistorsion
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Prédistorsion parfaite si y = x
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Réécriture sous forme matricielle
Résolution au sens des moindres carrés
Résolution “simple” si sous forme linéaire
11 TRN : xxxx-xxxxxxxxxx rev xxx - date OPEN
Thales Communications & Security / Modèle : 87204467-DOC-GRP-FR-002Complexité & instabilité numérique
▌ Solution au sens des moindres carrés
Inversion de matrice de taille K(Q+1) x K(Q+1)
K=4 / Q=0 (pas d’effet mémoire) Matrice 4 x 4
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K=9 / Q=3 Matrice 36 x 36 !!!
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Surdimmensionner le besoin/spécification coute très cher !
▌ Très mauvais conditionnement de la matrice
Les colonnes sont très corrélées
Utilisation de bases plus adaptées aux calculs
Polynôme orthogonaux
12 TRN : xxxx-xxxxxxxxxx rev xxx - date OPEN
Thales Communications & Security / Modèle : 87204467-DOC-GRP-FR-002Compléments d’algo à la prédistorsion numérique
▌ Quelques problèmes à appréhender
1. Synchronisation temporelle
2. Facteur crête / PAPR
3. Variation du comportement du PA (t°, freq, TOS)
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4. Imperfection Radio (IQ imbalance, DC-Offset, voie de retour)
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5. Contrôle du niveau de puissance à l’entrée du PA
6. Brouillage
Des solutions existent, il faut juste les prévoir !
13 TRN : xxxx-xxxxxxxxxx rev xxx - date OPEN
Thales Communications & Security / Modèle : 87204467-DOC-GRP-FR-002Facteur crête / PAPR –> Solution par DPD optimisée (1/2)
▌ Modification de l’algorithme
Idée: Eviter les pics non réalistes générés par la DPD proche saturation
Traiter de façon différente les échantillons en fonction de leur puissance
instantannée
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DPD classique DPD optimisée
14 TRN : xxxx-xxxxxxxxxx rev xxx - date OPEN
Thales Communications & Security / Modèle : 87204467-DOC-GRP-FR-002Facteur crête / PAPR –> Solution par DPD optimisée (2/2)
▌ Mesures PA UHF + OFDM 1.25MHz + DPD
ACPR
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Sans DPD Avec DPD Avec DPD opt
ACPR pour Pout=42 dBm 32 dBcFacteur crête / PAPR –> Solution par Réduction du PAPR (1/2)
▌ Réduction du facteur crête par le modem
Pour OFDM : Active Constellation Extension pour OFDM
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OFDM 16QAM +ACE
0
CCDF function
10
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no ACE
-1 ACE, iteration = 1
10
ACE, iteration = 2
ACE, iteration = 3
-2
10 ACE, iteration = 4
Prob(Pinstantaneous > P0)
ACE, iteration = 5
-3
ACE, iteration = 6
10
-4
10
-5
10
-6
10
-7
10
4 5 6 7 8 9 10 11 12
P0 in dB
16 TRN : xxxx-xxxxxxxxxx rev xxx - date OPEN
Thales Communications & Security / Modèle : 87204467-DOC-GRP-FR-002Facteur crête / PAPR –> Solution par Réduction du PAPR (2/2)
▌ Mesures PA UHF + OFDM 1.25MHz + DPD + réduction PAPR
ACPR
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Sans DPD Sans DPD Avec DPD Avec DPD
Sans ACE Avec ACE Sans ACE Avec ACE
ACPR pour Pout=42 dBm 32 dBc 36 dBc < 20 dBc 56 dBc
Pout pour ACPR = 40 dBc 33.5 dBm 36 dBm 40.6 dBm 43.7 dBm
17 TRN : xxxx-xxxxxxxxxx rev xxx - date OPEN
Thales Communications & Security / Modèle : 87204467-DOC-GRP-FR-002Cas d’usage Multi-Monoporteuses
▌ Modulation « Multi-Monoporteuses » pour HF
▌ Amplificateur de puissance très non linéaire
Simplicité des calculs
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Wiener
Dynamic
Séries de Deviation Wiener
Volterra Polynômes
Reduction Parallèle
Polynômes Polynômes Hammerstein (orthogonaux)
à mémoire (orthogonaux)
généralisée à mémoire
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Effets mémoire Sans
effets mémoire
Performance de la prédistorsion numérique
18 TRN : xxxx-xxxxxxxxxx rev xxx - date OPEN
Thales Communications & Security / Modèle : 87204467-DOC-GRP-FR-002Conclusions & Perspectives
▌ Au choix
Améliorer le rendement à linéarité constante
Améliorer la linéarité à rendement constant
Améliorer un peu le rendement et un peu la linéarité
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▌ Choix du type de DPD dépend du PA et de la linéarité à tenir
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▌ Utilisation de DPD implique certaines contraintes à appréhender
Hardware supplémentaire (coupleur, boucle de retour, …)
Sensibilité de la DPD à d’autres imperfections
▌ Thématiques de recherche actives
DPD pour terminaux mobile
DPD pour agrégation de spectre
19 TRN : xxxx-xxxxxxxxxx rev xxx - date OPEN
Thales Communications & Security / Modèle : 87204467-DOC-GRP-FR-002Vous pouvez aussi lire
