Implémentation de techniques de linéarisation et d'amélioration du rendement pour les amplificateurs de puissance RF
Résumé
The antagonism between information capacity and energetic fficiency in the context of wireless communications, more precisely : the trade-off between transmitter linearity and its efficiency ; is the main driver of this thesis. A FPGA5-based architecture for digital predistortion (DPD) linearizers for RF power amplifiers is proposed in this thesis. By means of separating the adaptation process from the predistortion itself, a convenient, simple hardware building block for the DPD architecture inside the FPGA -the Basic Predistortion Cell (BPC)- has been identified. A BPC-based architecture provides independency from the particular DPD function derivation method, and it is easily scalable and reconfigurable, depending on the operation mode and degree of impairments introduced by the transmitter chain in each particular case. In order to support those claims and provide experimental evidence, two main different prototyping scenarios have been developed. In the first one, a DPD adaptive linearizer based on the passivity theory (hyperstable systems) has been designed and implemented on a low-cost mixed FPGA/DSP6 platform. Besides experimental results, complementary signal proces- sing techniques to DPD are also addressed, thus giving a wide insight on realistic scenarios of DPD systems. In the second scenario, an advanced, adaptive DPD system aimed at compensa- ting not only PA's nonlinear behavior, but also its memory effects, is presented. It is based on a Nonlinear Auto-Regressive Moving Average structure which is mapped into hardware using a BPC grid-structure. Besides the experimental results on PA efficiency and linearity, FPGA implementation issues -such as adaptation and power consumption- are also studied. The manipulation of the PA class of operation to improve its efficiency, provided that DPD may be unavoidable due to the impact of memory effects, is discussed as well. Finally, to further improve efficiency, a DPD linearizer with dynamic supply built-in cap abilities has been proposed and implemented as discussed in the last part of this thesis. There, an efficient, bandwidth limited, switched DC-DC converter is in charge of the PA supply modulation. The thorough design procedure targeting a FPGA implementation shows how the necessary functions for commanding the supply modulator can be seamlessly integrated within the DPD processor. The experimental results highlight how the proposed solution maintains linearity and enhances the PA efficiency when compared to a DPD-only method.
L'antagonisme entre la capacité d'émission d'informations haut débit (linéarité) et le rendement énergétique, dans le contexte des émetteurs radio, est l'axe des travaux de cette thèse. Nous proposons une architecture matérielle basé sur circuits FPGA1 pour l'implémentation de fonctionnalités de prédistorsion numérique (DPD) pour la linéarisation d'amplificateurs RF. Nous articulons nos approches à partir de la séparation entre les processus de prédistorsion et d'adaptation. Ainsi, nous pouvons proposer une structure matérielle -le BPC2 ou Cellule Basique de Predistorsion- bien adaptée pour l'implémentation du module de prédistorsion. Le module de prédistorsion basé sur BPC peut être reconfigurable au besoin, et, en plus, il reste indépendant de la méthodologie particulière de dérivation de la fonction de prédistorsion. Afin d'effectuer des validations, deux prototypes permettant de tester des stratégies de prédistorsion performantes et novatrices ont été mis en oeuvre. Dans un premier temps, nous avons implémenté un système DPD basé sur la théorie des systèmes hyperstables sur une plateforme mixte FPGA/DSP3. En complément des résultats expérimentaux, nous rentrons dans le détail des fonc- tions complémentaires à la prédistorsion et l'adaptation nécessaires pour produire la prédistorsion. Le deuxième prototype adresse la linéarisation et la compensation des e®ets mémoire de l'amplificateur RF. Nous présentons et validons expérimentalement une structure de prédistorsion du type NARMA4, implémentée au moyen d'un réseau de cellules BPC. Au passage, nous étudions la consommation de la prédistorsion et son impact sur le rendement. Si l'utilisation de la prédistorsion s'avére inévitable pour contrer les effets mémoire, nous proposons de dégrader la Classe de l'am- plificateur, dans le but d'obtenir un émetteur aussi linéaire mais plus performant énergétiquement. Finalement, au delà de la prédistorsion seule, nous proposons, analysons et va- lidons expérimentalement un sys tème de prédistorsion + commande dynamique de l'alimentation de l'amplificateur RF. La structure de traitement du signal numérique développée, permet de : 1/prédistordre le signal et 2/commander des modulateurs d'amplitude lents (par rapport à la largeur de bande de l'application cible, mais ayant de forts rendements de conversion). L'inclusion de capacités de pilotage de l'alimentation autour de la prédistorsion s'avère peu coûteuse et permet d'atteindre des rendements améliorés sans perte de linéarité.