Soutenance mémoire
Les systèmes de télécommunications ont connu un essor spectaculaire ces trois dernières décennies, symbolisé par la téléphonie mobile, les réseaux WiFi et la diffusion de données numériques avec les standards DAB-DVB pour la radio et la télévision numériques. Les progrès réalisés dans le domaine des radiocommunications ont abouti à une prolifération de nouveaux services radio. Cette tendance concerne toutes les applications, aussi bien grand-public (téléphonie mobile, GPS, réseaux WLAN, WiMax. . .), que militaires (communications tactiques, navales,…). Pour des raisons évidentes d’économie et de confort, les fabricants sont contraints de développer des solutions de plus en plus intégrées, avec une grande autonomie et permettant d’accéder à plusieurs services à partir d’un même équipement.
L’amplification de puissance du signal radio-fréquence (RF) est une étape incontournable dans le contexte des radiocommunications numériques et est prépondérante dans le bilan énergétique de l’émetteur et la qualité du signal transmis. Le rendement de l’amplificateur détermine celui de l’émetteur et par ailleurs l’amplificateur de puissance peut dégrader l’intégrité du signal du fait des phénomènes de non-linéarités et des effets mémoire. Les formats de modulation présents dans les systèmes de communications modernes (OFDM en particulier) sont très sensibles aux non-linéarités de la chaine analogique et nécessitent de l’amplificateur de puissance un degré de linéarité élevé. La linéarisation d’amplificateurs constitue un axe de recherche majeur et la prédistorsion numérique fait figure de référence parmi les techniques de linéarisation.
Généralités sur les émetteurs de puissance
L’antagonisme entre linéarité et rendement en puissance est connu pour les classes de fonctionnement classiques. Dans les zones de puissance où l’amplificateur est linéaire, le rendement est faible et celui-ci est maximal près de la zone de saturation de l’amplificateur où celui-ci a un comportement non-linéaire. La conception du module d’amplification d’un système de radiocommunication doit réaliser un compromis délicat entre la linéarité et le rendement. L’optimisation du compromis linéarité/rendement est la raison d’être des techniques de linéarisation et des techniques d’amélioration du rendement. Une importante bibliographie est disponible dans la littérature sur ces techniques .
Généralités sur les émetteurs radio-numériques
Système d’émission/réception radio fréquence
Les systèmes de radiocommunication ont des applications très diverses de nos jours. Longtemps réservée à des domaines spécifiques (militaire et spatial), l’utilisation de l’électronique radio fréquence (RF) s’est popularisée en s’ouvrant à des applications grand-publics : téléphonie mobile, réseaux locaux (WLAN, WiMax), diffusion numérique radio/vidéo (DAB & DVB) ou encore les systèmes de navigation (GPS). Ces différentes applications ont en commun l’architecture radio-numérique du système émetteur/récepteur (E/R).
L’architecture des systèmes de communications radio a connu de nombreuses évolutions suivant les applications et la nature de l’information à transmettre. Ainsi, les premiers systèmes d’émission radio étaient sous une forme entièrement analogique, jusqu’à l’avènement des techniques de modulations numériques complexes qui consacrent l’apparition progressive de composants numériques dans les chaines de transmission radio.
En émission, le segment numérique reçoit des données binaires, provenant de signaux numériques (réseaux de données) ou de signaux analogiques (parole, image) convertis sous une forme numérique. Il effectue alors le codage, et les nouvelles données sont fournies à un modulateur numérique qui génère un signal modulé en bande-de-base, selon les techniques de modulation décrites dans la suite. Le signal numérique modulé est alors converti en analogique grâce à un Convertisseur Numérique-Analogique (CNA). En pratique, le segment numérique est composé d’un ou plusieurs circuits numériques programmables de type FPGA (Field Programmable Gate Array) ou d’un processeur de signal numérique DSP (Digital Signal Processing) qui sont optimisés pour effectuer des calculs complexes.
Le segment analogique est dédié à la sélection du canal de transmission avec le choix de la fréquence porteuse et la transposition en haute fréquence du signal. Le signal transposé en fréquence est passé ensuite à travers l’amplificateur de puissance qui a pour rôle d’apporter au signal la puissance nécessaire afin de résister aux atténuations de la propagation. Le signal amplifié est enfin dirigé vers l’antenne pour être émis sous la forme d’une onde électromagnétique. La transposition en fréquence est souvent réalisée à l’aide de circuits analogiques : oscillateur local (OL), mélangeurs et filtres. Selon la technique de transposition, on distingue plusieurs architectures d’émetteurs : conversion directe, low-IF et superhétérodyne. Dans une architecture à conversion directe, le signal bande-de base est transposé directement autour de la fréquence porteuse. A l’inverse, dans les architectures low-IF et superhétérodyne, le signal bande-de-base est d’abord passé à une fréquence intermédiaire IF (Intermediate Frequency), avant d’être transposé à la fréquence porteuse. Une comparaison des propriétés des différentes architectures est proposée dans [1]. Dans une architecture Low-IF, la première transposition autour de la fréquence IF est réalisée dans le domaine numérique.
Les progrès réalisés dans les technologies de traitements numériques du signal et de conversion CNA et CAN, ont ouvert la voie vers des architectures toutnumérique, avec notamment la possibilité de réaliser entièrement la transposition haute-fréquence dans le domaine numérique, on parle de radio numérique qui est un des éléments essentiels de la radio logicielle (RL) ou SDR en anglais pour (Software Defined Radio). L’un des intérêts de l’approche radio numérique est qu’elle permet de préserver le signal des dégradations telles que le déséquilibre IQ, l’offset continu et les distorsions d’intermodulation (IMD), causées par les imperfections des composants analogiques (mélangeurs, OL, etc.). Dans cette thèse, les émetteurs utilisés ont une architecture radio-numérique.
En réception, le système E/R effectue les fonctions inverses à celles de l’émission. Ainsi un amplificateur faible bruit (LNA) est présent, pour amplifier le signal reçu par l’antenne, puis filtré à l’aide d’un filtre passe-bande centré autour de la fréquence porteuse. Il s’ensuit les étapes de transposition basse-fréquence et de conversion analogique-numérique. Le signal numérisé est démodulé puis décodé pour retrouver les données binaires originelles. Les travaux de cette thèse sont centrés sur l’émetteur radio-numérique, plus particulièrement la linéarisation de l’amplificateur de puissance. Une partie de ce travail est également consacrée à la génération de signaux RF multibande que nous appellons multiplex. Ces signaux multiplex sont constitués de plusieurs formes d’onde différentes multiplexées en fréquence et sont basés sur les modulations unibande élémentaires que nous présentons dans le prochain paragraphe.
Techniques de modulation numérique
Dans un système de radiocommunication numérique, le transport de l’information se fait par l’intermédiaire d’une onde électromagnétique, en modulant certains de ses paramètres comme la fréquence, l’amplitude ou la phase. Les variations de ces paramètres sont commandées par les données à transmettre ; ces données pouvant être des bits ou plus généralement des symboles formés de k bits. On parle alors de modulations M-aire où M est le nombre d’états possibles avec :
M = 2k (1.1)
Les symboles issus du codage sont utilisés pour moduler l’onde porteuse au travers de variations discrètes de ses propriétés (fréquence, amplitude, phase). On parle respectivement de modulation par saut de fréquence FSK, d’amplitude ASK, de phase PSK et de modulation QAM pour des sauts d’amplitude et de phase combinés. Une écriture générale des signaux modulés est :
x(t) = A(t) cos(2πfpt + Φ(t)) (1.2)
où fp est la fréquence porteuse du signal, A(t) son amplitude et Φ(t) sa phase. La relation 1.2 peut être réécrite de manière équivalente :
x(t) = I(t) cos(2πfpt) − Q(t) sin(2πfpt) (1.3)
Cette écriture permet d’introduire la notion d’enveloppe complexe z(t), qu’on associe de façon bijective au signal x(t), avec :
z(t) = I(t) + jQ(t) = x(t) + jTH(x(t)) (1.4)
où TH est la transformée de Hilbert du signal x(t). L’enveloppe complexe est un outil essentiel, en communication, pour décrire une opération de modulation. La partie réelle I est appelée composante en phase du signal et la partie imaginaire Q est la composante en quadrature. Le signal RF x(t) est lié à son enveloppe complexe par la relation :
x(t) = ℜ(z(t) exp(j2πfpt)) (1.5)
Dans la suite, nous présenterons la modulation GMSK qui est un cas particulier de modulation FSK, la modulation M-QAM et la modulation multi-porteuse OFDM. Ces trois modulations élémentaires sont utilisées dans la génération des signaux multibande (multiplex) que nous avons pris en compte pour l’application communications tactiques. Un des critères essentiels d’une technique de modulation numérique est l’efficacité spectrale, qui est un outil permettant de quantifier la bonne utilisation du canal. L’efficacité spectrale, exprimée en bits/s/Hz, est le nombre de bits qu’il est possible de transmettre, par seconde et par Hertz avec une certaine qualité de liaison.
OFDM : Orthogonal Frequency Division Multiplex
La modulation OFDM est omniprésente dans les standards actuels de télécommunication ; de la téléphonie mobile (LTE, LTE-Advanced), à la diffusion de données numériques (DVB-T, DAB), en passant par les réseaux locaux sans-fil (WiFi). Elle permet la transmission de signal avec des débits élevés grâce à sa robustesse par rapport aux phénomènes de multi-trajet dans le canal. Le principe de l’OFDM est de transmettre simultanément un groupe de données numériques grâce à un multiplexage en fréquence entre des sous-porteuses. Les premiers travaux sur les modulations multiporteuses remontent aux années 50. Les systèmes multiporteuses sont caractérisés à leur apparition par une complexité importante et une bande-passante large. La condition d’orthogonalité entre sous porteuses mise au point dans les années 60 a permis de réduire de façon conséquente la bande occupée par le signal multiporteuses.
|
Table des matières
Introduction générale
1 Généralités sur les émetteurs de puissance
1.1 Introduction
1.2 Généralités sur les émetteurs radio-numériques
1.2.1 Système d’émission/réception radio fréquence
1.2.2 Techniques de modulation numérique
1.2.3 PAPR : Peak to Average Power Ratio
1.3 Amplificateur de puissance RF
1.3.1 Rendement de puissance
1.3.2 Caractérisation de l’amplificateur de puissance
1.3.3 Effets mémoire de l’amplificateur de puissance
1.4 Techniques de linéarisation et d’amélioration du rendement
1.4.1 Techniques d’amélioration du rendement
1.4.2 Techniques de linéarisation
1.5 Conclusion du Chapitre 1
2 Modélisation comportementale d’amplificateurs de puissance
2.1 Introduction du chapitre 2
2.2 Modélisation comportementale de systèmes non-linéaires
2.2.1 Principe
2.2.2 Modèles sans mémoire et quasi sans mémoire
2.2.3 Modèle avec mémoire
2.2.4 Séries de Volterra et modèles dérivés
2.2.5 Identification des modèles
2.2.6 Comparaison des modèles MP et GMP
2.3 Polynômes à mémoire et problème d’instabilité numérique
2.3.1 Instabilité numérique et conditionnement
2.4 Base orthogonale de polynômes sans mémoire
2.5 Extension de l’orthogonalisation aux polynômes à mémoire
2.5.1 Orthogonalisation proposée
2.6 Synthèse des nouveaux polynômes orthogonaux
2.7 Complexité
2.7.1 Complexité des polynômes Ψ
2.7.2 Complexité additionnelle due à l’orthogonalisation proposée
2.8 Performances de modélisation des polynômes orthogonaux
2.9 Conclusion du Chapitre 2
3 Prédistorsion numérique et linéarisation de signaux multi-bande
3.1 Introduction du chapitre 3
3.2 Prédistorsion numérique
3.2.1 Principe général de la prédistorsion
3.2.2 DPD et modèles comportementaux d’amplificateurs
3.2.3 Prédistorsion numérique adaptative
3.2.4 Simulation de la prédistorsion numérique
3.3 Linéarisation de signaux multibande
3.3.1 Architectures des émetteurs multi-service
3.3.2 Etat de l’art de la linéarisation multibandes
3.3.3 Prédistorsion multibandes
3.3.4 Signaux multibandes pour les communications tactiques
3.3.5 Amplificateur de puissance cible
3.3.6 Résultats expérimentaux de linéarisation multi-bandes
3.4 Conclusion du chapitre 3
4 Utilisation conjointe de la Prédistorsion et de la Réduction de PAPR
4.1 Introduction du chapitre 4
4.2 Crest Factor Reduction CFR
4.2.1 Etat de l’art des techniques de réduction du PAPR
4.2.2 Techniques de Clipping
4.3 Prédistorsion et compression forte de l’AP
4.3.1 Phénomènes d’avalanche de la prédistorsion
4.3.2 Limitation du PAPR en sortie du prédistorteur
4.4 Utilisation conjointe CFR et DPD
4.4.1 CFR et limitation de « l’effet d’avalanche » de la DPD
4.4.2 Cartographie CFR & DPD
4.4.3 Estimation automatique du gain de CFR
4.5 Résultats expérimentaux
4.5.1 Limitation du PAPR en sortie du prédistorteur
4.5.2 Performances de linéarisation
4.6 Conclusion du Chapitre 4
5 Effets des désadaptations d’antenne sur les performances de la prédistorsion
5.1 Introduction du chapitre 5
5.2 Variations d’impédance à l’antenne du fait de l’environnement
5.2.1 Analyse du phénomène
5.2.2 Interprétation électrique
5.2.3 Coefficient de réflexion et rapport d’onde stationnaire
5.3 Préservation des spécifications de l’AP sous condition de ROS
5.3.1 Détecteur de variation d’impédance
5.3.2 Corrections sur le driver et l’amplificateur principal
5.3.3 Réseaux d’adaptations reconfigurables
5.4 Caractérisation de l’AP soumis à des variations d’impédance de sa charge
5.4.1 Analyse load pull
5.4.2 Protocole de la caractérisation sous ROS
5.4.3 Résultats de la caractérisation
5.5 Prédistortion et variations de l’impédance d’antenne
5.5.1 Effets des variations d’impédance sur la linéarité du système
5.5.2 Préservation des performances de linéarité de la prédistorsion
5.5.3 Correction Adaptative de Gain (CAG)
5.5.4 Validation expérimentale
5.6 Conclusion du chapitre 5
Conclusion générale
