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Étude et développement d'architectures d'amplification à deux branches pour les systèmes de communication sans fil

Hamdane, Walid (2010). Étude et développement d'architectures d'amplification à deux branches pour les systèmes de communication sans fil. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

La tendance pour les nouveaux standards téléphoniques est de maximiser le débit de transmission en utilisant des modulations dont les enveloppes ne sont pas constantes. La conception des amplificateurs de puissance RF fait par conséquent face à de nouveaux défis pour atteindre de meilleurs compromis entre linéarité et efficacité énergétique. Le travail de cette thèse porte sur l’étude des systèmes d’amplification à deux branches, particulièrement la technique symétrique LINC ainsi que une seconde technique à branches asymétriques. La technique LINC consiste à convertir un signal avec une enveloppe variable en deux signaux à enveloppe constante et phases opposées pouvant être amplifié par deux amplificateurs identiques. Nous avons investigué les performances et le comportement du système LINC en présence de combineur adapté ou de type Chireix en se basant sur des modèles existants dans la littérature. Une étude des performances de cette technique en présence de signaux modulés a été effectuée. Nous avons par la suite présenté une nouvelle technique de génération de combineur Chireix en présence de sources idéales utilisant une simple prédistorsion numérique. Une formulation mathématique de cette technique a été développée démontrant l’équivalence entre les deux implémentations du combineur Chireix et une validation par une série de simulations et de mesures expérimentales a été effectuée par la suite. Par après, une étude basée sur des simulations et des mesures expérimentales du système LINC en présence d’amplificateurs réels a été mené dans le but de décrire le comportement du système et la conception d’un amplificateur efficace et linéaire. Les résultats de simulation ont démontré que la prédistorsion des signaux d’entrée de l’amplificateur LINC avec un combineur Chireix avec stubs permettait de garder un excellent niveau de linéarité avec une bonne efficacité.

Les résultats de mesure ont confirmé partiellement ces résultats à cause d’un grand débalancement entre les deux branches du banc de test. Dans un second volet, et toujours avec la technique LINC, nous avons étudié une nouvelle méthode dérivée de la technique LINC connue sous le nom MILC. Nous avons présenté cette méthode et étudié ses performances dans un contexte de modulations adaptatives MQAM. Nous avons démontré que cette technique présente de meilleurs compromis linéarité et efficacité énergétique que la technique LINC classique.

Dans la deuxième partie de cette thèse, nous avons investigué les performances d’une nouvelle technique d’amplification à deux branches asymétriques. Le principe de cette technique est de décomposer le signal d’entrée en deux signaux. Un premier signal à enveloppe constante ou à dynamique réduite contenant l’essentiel de la puissance du signal qui peut être efficacement amplifié sans trop de non-linéarité. Le deuxième est un signal résiduel ayant une puissance largement inférieur au signal principal et qui est amplifié par un amplificateur secondaire. L’idée est que l’efficacité du système soit dominée par l’efficacité de l’amplificateur de la première branche. Nous avons développé un modèle analytique de l’architecture afin d’en déduire une expression exacte de l’efficacité énergétique en fonction des paramètres du système. Les performances en efficacité obtenues avec les signaux de type MQAM ont été très limités. Cependant, avec les signaux de type CPM, particulièrement le signal MSK, nous avons obtenu des niveaux d’efficacité très élevés pour une excellente linéarité exprimé en termes de BER et de ACPR. Une comparaison avec une architecture à une seule branche utilisant un amplificateur en classe B a été faite et a démontré que l’architecture proposée offrait des performances système meilleures.

Résumé traduit

The design of RF power amplifier is becoming a crucial task in order to meet higher tradeoffs between linearity and power efficiency. New spectral efficient modulations with high envelop dynamic lead in to poor performances when conventional single branch amplifiers are used. This work concerns the study of two branches amplification systems, particularly the symmetrical LINC technique and a second one with asymmetrical branches. The LINC method consists on converting variable envelop signals in two constant envelop components, having opposite phase, and which can be efficiently amplified by two identical amplifiers. Based on recent literature, we first investigated the performances and the behavior of the LINC system when both adapted and Chireix combiner are used. A study of this technique with modulated signals has been done. Then, we have presented a new technique to synthesize the Chireix combiner using digital predistorsion when excited with ideal sources.

A mathematical formulation of this method has been developed to demonstrate the equivalence between physical and digital implementations of the Chireix combiner. Validations through simulations and experimental measurements of this new concept have been done. Next, a study of the LINC system with real amplifiers through realistic simulations and experimental measurements was done to describe its behavior and to build an efficient and linear LINC amplifier. Simulations have shown that phase predistorsion of the LINC system with Chireix combiner offers good linearity with a power efficiency outperforming the LINC system with stubless combiner. Experimental measurements partially confirmed the results obtained in the simulations because of the lack of imbalance of the implemented set-up. Besides, we have studied a new LINC based technique, called MILC method. We have presented the principles of this technique and studied its performances in the adaptive modulation context. Simulations and experimental results have shown that this technique offer better linearity vs. efficiency trade-off compared to conventional LINC technique.

In the second part of this thesis, we have investigated the performances of a novel amplification technique using two asymmetrical branches. The principle of this method is to split the input signal in two components. The first one has a constant envelop, or a reduced dynamic, containing most of the information and can be efficiently amplified with low distortion. The second component is the residual signal having an average power much below the main component and is amplified by a linear amplifier. The idea with such decomposition is to force the overall efficiency to be dominated by the main branch one. We have developed an analytical expression of the power efficiency of this system. Poor performances have been obtained when used the system is excited with MQAM signals. However, when CPM signals were considered, particularly MSK signal, we have obtained excellent power efficiency level with very good linearity expressed in terms of BER and/or ACPR. A comparison with singleended class B amplifier shows that the proposed architecture offers better performances.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thèse présentée à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention du doctorat en génie". Bibliogr. : f. [197]-202.
Mots-clés libres: Amplificateurs de puissance. Amplificateurs haute fréquence. Transmission sans fil. efficacité, énergétique, LINC, linéarité
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Kouki, Ammar B.
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
Gagnon, François
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 24 août 2010 15:04
Dernière modification: 20 janv. 2017 22:21
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/268

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