Soutenance mémoire
Les effets mémoires d’un amplificateur de puissance
Un amplificateur de puissance possède idéalement un comportement à un instant t qui ne dépend que du signal entrant à cet instant. Ce comportement est classifié de statique ou sans mémoire. Malheureusement en réalité le signal de sortie du PA dépend également de l’amplitude et de la bande passante du signal en entrée, ainsi que de la température ambiante, du comportement des dispositifs actifs environnants, du vieillissement des composants, etc… Les caractéristiques du PA ne sont alors plus fixées mais varient au cours du temps. On appelle ces phénomènes les effets mémoires. Il est possible de distinguer deux types d’effets mémoires : les effets mémoires à court terme, aussi appelés effets mémoires hautes fréquences (HF) et les effets mémoires à long terme, aussi appelés effets mémoires basses fréquence (BF).
– les effets mémoires HF : comme leurs noms l’indiquent, ils sont provoqués par des constantes de temps courtes présentes dans les circuits d’adaptation et les composants actifs. Les constantes de temps sont qualifiées de courtes car elle sont du même ordre de grandeur que la période de la porteuse du signal.
– les effets mémoires BF : les variations lentes des signaux, ie du même ordre de grandeur que l’enveloppe, induisent les effets mémoires BF. Ces effets indésirables sont dus à l’auto-échauffement des composants, aux phénomènes de pièges dus à certaines technologies, à la variation de la polarisation et de la charge, etc…
La modulation OFDM
Historique Le concept d’utiliser une transmission de données parallèle au moyen de multiplexage de division de fréquences n’a été publié qu’à partir de la moitié des années 60. Certaines traces de cette technique étaient déjà présentes dès la fin des années 50 avec notamment la société Collins Radio Co. Kineplex System. En effet aux Etats-Unis dès les années 50, on cherchait un système à modulation multi-porteuses robuste aux multitrajets ; et un premier modem HF utilisant des modulations 2-FSK sur 20 ou 40 voies en parallèle fut proposé en 1957. L’idée était d’utiliser des chaînes de données en parallèle et le multiplexage de divisions de fréquence avec le chevauchement de sous-canaux pour éviter l’utilisation d’égaliseur haut débit et combattre le bruit impulsif et la distorsion due aux multitrajets tout en utilisant toute la largeur de bande disponible. Cette modulation a, peu de temps après, été considérée comme inutilisable par B. Saltzberg pour cause de mauvaises performances et de temps de calcul trop longs. Il fallut attendre 1966 avec la découverte des conditions d’orthogonalités des spectres des sous-porteuses et le dépôt d’un brevet américain pour pouvoir utiliser la modulation OFDM. En effet grâce à S. B. Weinstein et P. M. Ebert qui ont proposé la TFD (Transformée de Fourier Discrète), les temps de calcul ont été nettement réduits. Malheureusement cette découverte ne pouvait se contenir qu’au domaine militaire à cause de la complexité en termes de réalisation et de mise en oeuvre. En 1979, avec l’apparition des « DSP » (Digital Signal Processing), la TFD pouvait être implémentée sur les circuits numériques rendant alors les systèmes OFDM beaucoup plus souples à réaliser et donc accessibles au monde civil. Dans les années 80, l’OFDM a été étudiée pour les modems à haut débit, les communications mobiles numériques, avec notamment en 1985 la radiophonie mobile proposée par L. J. Cimini et en 1987 la diffusion numérique proposée par M. Alard et R. Lassale. Dans les années 90, l’OFDM fut exploitée pour les communications large bande. Les premières applications furent militaires. Le nom d’OFDM n’apparut qu’en 1989. Aujourd’hui la modulation OFDM est très utilisée dans beaucoup de standards de communications comme l’ADSL et le LTE.
Feedback
Pour faire face aux défauts repérés lors de la technique de Feedforward, le Feedback repose sur le principe de contre-réaction, les systèmes bouclés étant reconnus pour réduire la sensibilité de l’amplificateur face aux perturbations et aux non-linéarités. Cette méthode a également été pensée par Black durant les années 30 [Bla34]. Tous les principes issus de la théorie des systèmes bouclés peuvent donc s’appliquer. Ainsi l’augmentation du gain de la contre-réaction permet d’augmenter la linéarité de l’amplificateur au prix d’une perte de gain de l’ensemble, proportionnelle au gain de cette boucle de retour. Pour qu’un tel système soit stable, il est essentiel de respecter la marge de phase en évitant les délais dans la boucle de retour. Malheureusement les hautes fréquences correspondent à de faibles longueurs d’ondes et donc les temps de propagation sont très sensibles. Cette caractéristique des signaux HF limite l’utilisation de cette technique de linéarisation car les signaux à injecter sont restreints à des applications de type bande étroite à basse fréquence.
Robustesse de l’association des méthodes face à différents signaux
L’étude sur l’association de l’ACE et de la prédistorsion optimisée ayant été effectuée sur un signal OFDM 16QAM, nous avons testé en mesure la robustesse de ces techniques pour différents signaux. La comparaison a été faite avec un signal OFDM 64QAM mais également avec un signal monoporteuse 16QAM. Nous avons également testé plusieurs largeurs de bande pour le signal OFDM 16QAM. Tous les résultats de mesures hors bande, dans la bande et en terme de rendement sont en annexe. En effet les conclusions comportementales apportées avec un signal OFDM 64QAM et un signal monoporteuse 16QAM sont semblables à celles émises pour un signal OFDM 16QAM. De plus lorsque nous avons fait varier la bande passante du signal OFDM 16QAM (de 1.25MHz à 5MHz), aucun effet mémoire n’a été constaté pour ce PA. On peut dégager de ces résultats que la prédistorsion numérique optimisée et son association avec l’ACE est robuste au type de signal utilisé.
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Table des matières
Introduction générale
1 Amplification des signaux à enveloppe non constante
1.1 Les imperfections d’un amplificateur de puissance
1.1.1 Les non-linéarités d’un amplificateur de puissance
1.1.2 Les effets mémoires d’un amplificateur de puissance
1.1.3 Effet d’un amplificateur de puissance sur un signal à enveloppe variable
1.1.4 Mesures des distorsions hors bande et dans la bande
1.1.4.1 Mesures des distorsions hors bande
1.1.4.2 Mesures des distorsions dans la bande
1.2 La modulation OFDM
1.2.1 Historique
1.2.2 Principe général
1.2.3 Mise en oeuvre
1.2.4 Avantages et inconvénients
1.3 Evaluation de la dynamique
1.3.1 Peak to Average Power Ratio (PAPR)
1.3.2 Complementary Cumulative Distribution Function (CCDF)
1.4 Réduction de la dynamique
1.4.1 Etat de l’Art
1.4.1.1 Méthodes à compatibilité descendante
1.4.1.2 Méthodes sans compatibilité descendante
1.4.2 Active Constellation Extension (ACE)
1.4.2.1 Description
1.4.2.2 Résultats
1.5 Conclusion du chapitre 1
2 Linéarisation de l’amplificateur de puissance
2.1 Techniques de linéarisation
2.1.1 Feedforward
2.1.2 Feedback
2.1.2.1 Enveloppe Feedback
2.1.2.2 Cartesian Feedback
2.1.3 Prédistorsion
2.1.3.1 Prédistorsion analogique
2.1.3.2 Prédistorsion analogique/numérique
2.1.3.3 Prédistorsion numérique
2.2 Performances de la prédistorsion numérique en bande de base
2.2.1 Performances de l’algorithme basé sur des polynômes prenant en compte les effets mémoire
2.2.1.1 Mise en oeuvre de l’algorithme
2.2.1.2 Performances de l’algorithme
2.2.2 Amélioration des performances de la prédistorsion près de la zone de compression
2.2.2.1 Modification de l’algorithme
2.2.2.2 Robustesse de la prédistorsion optimisée face à Pthreshold
2.2.3 Association de la prédistorsion numérique et de l’ACE
2.2.3.1 Principe d’association des méthodes
2.2.3.2 Performances simulées
2.2.3.3 Validation expérimentale
2.2.3.4 Robustesse de l’association des méthodes face à différents signaux
2.3 Conclusion du chapitre 2
3 Amélioration combinée des performances de linéarisation et rendement
3.1 Méthode d’amélioration du rendement
3.1.1 Techniques d’amélioration du rendement
3.1.1.1 Linear Amplification with Non-linear Components : LINC
3.1.1.2 Doherty
3.1.1.3 Envelope Elimination and Restauration : EER
3.1.1.4 Envelope Tracking : ET
3.1.2 Application de l’Envelope Tracking
3.1.2.1 Description des lois de commande
3.1.2.2 Résultats de l’Envelope Tracking pour différentes lois de commande
3.1.2.3 Impact de l’ACE
3.1.3 Conclusion
3.2 Association de ET + DPD + ACE
3.2.1 Principe d’association DPD + ET et performances
3.2.1.1 Prédistorsion optimisée puis Envelope Tracking
3.2.1.2 Envelope Tracking puis prédistorsion optimisée
3.2.2 Ajout de l’ACE
3.3 Conclusion du chapitre 3
Conclusion générale et Perspectives
Annexes
Publications
Références
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