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Investigation of hybrid digital/analog pre-distortion of GaN power amplifier

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Mgadmi, Marwa (2021). Investigation of hybrid digital/analog pre-distortion of GaN power amplifier. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

People all over the world are increasingly enjoying the benefits of the rapid development of wireless communication. However, the rising number of these applications is leading to an increase in demand for spectrum services that compete with narrow band resources. One solution is to increase the availability band resources, but better use of the current bandwidth would be more efficient. The orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) technique is used in fourth generation (4G) wireless networking and standard Wi-Fi. In an OFDM signal, the envelope signal is non-constant and it typically has a rise peak-to-average power ratio (PAPR), making it highly susceptible to distortion induced by nonlinear inline component response in transmission systems.

Power is a concern in wireless applications where power amplifiers (PAs) are a primary contributor to power consumption at the transmission stage; PAs are also a significant factor in signal distortion. Modern wireless systems generally require a wide-band signal and a faster data rate, making them a significant issue for increased power consumption. These requirements also lead to the need for higher precision analog-to-digital converters (ADCs) and digital-to-analog converters (DACs). As a result, the system’s complexity increases due to increases in the hardware requirements.

Pre-distortion linearization techniques are not only the most efficient but also the most promising of wireless communication technologies. However, both analog pre distortion (APD) and digital pre-distortion (DPD), when working alone, have complementary advantages and disadvantages, whereas when theywork together, they complement each other. Specifically, analog pre distortion can be very wide-band but limited in performance, while digital pre-distortion can provide excellent performance but cannot handle very wide-band signals.

To overcome these problems, the hybrid pre-distortion approach is a well-known solution, but only a few studies in the literature have shown the technique’s performance. Of these few studies, none have examined the hardware requirements for ADC and DAC. In this context, a combined linearization method is proposed in this thesis. The method is called a hybrid digital/analog pre-distortion of the selected GaN PA based on conventional analog pre distortion and memory polynomial digitalpre-distortion (DPD) for a wide-band signal. The main aims of this approach are to achieve better linearization performance and to reduce the hardware requirements by using low-precision ADCs and DACs. This method enables shorter word-lengths to be used in the digital pre-distortion algorithm, saving both power and area when the technique is implemented. It also gives a higher sample rate for the entire digital pre-distortion algorithm (DPD). Advanced design system (ADS) and Simulink/MATLAB are used to perform this work. The results obtained show excellent agreement with the proposed wide-band signals hybrid approach, achieving the strongest third order intermodulation products (IMD3) and adjusted channel power ratio (ACPR) enhancement where they are suppressed. Additionally, the bit resolution of the target ADC in the proposed model is reduced to 8 bit.

Titre traduit

Enquête sur la pré-distorsion hybride numérique/analogique de l’amplificateur de puissance GaN

Résumé traduit

De nos jours, les gens profitent de plus en plus des avantages du développement rapide des communications sans fil. Cependant, le nombre croissant de ces applications conduit à une augmentation de la demande de services de spectre qui font concurrence aux ressources à bande étroite. Une solution est d’augmenter les ressources de bande de disponibilité, mais une meilleure utilisation de la bande passante serait plus efficace. La technique de multiplexage par répartition orthogonale de la fréquence (OFDM) est utilisée dans les réseaux sans fil de quatrième génération (4G) et leWi-Fi standard. Dans un signal OFDM, le signal d’enveloppe est non constant et il a généralement un rapport de puissance crête et puissance moyenne (PAPR) en hausse le rendant très sensible à la distorsion induite par la réponse non linéaire des composants des systèmes de transmission.

La puissance est un problème dans les applications sans fil où les amplificateurs de puissance (APs) sont un contributeur à la consommation électrique au stade de la transmission; les APs sont également un facteur important de la distorsion du signal. Les systèmes sans fil modernes nécessitent généralement un signal à large bande passante et un débit de données rapide, ce qui en contribue à une consommation accrue d’énergie. Ces exigences conduisent également à la nécessité de convertisseurs analogique-numérique (CAN) de plus haute précision et convertisseurs numérique-analogique (CNA). En conséquence, la complexité du système augmente en raison de l’augmentation des exigences matérielles.

Les techniques de linéarisation pré-distorsion sont non seulement les plus efficaces mais aussi les plus prometteuses des technologies de communication sans fil. Cependant, la pré-distorsion analogique et la pré-distorsion numérique, lorsqu’elles fonctionnent seules, présentent des avantages et des inconvénients complémentaires, alors que lorsqu’elles fonctionnent ensemble, elles se complètent. Plus précisément, la pré-distorsion analogique peut être très large bande mais ses performances limitées, tandis que la pré-distorsion numérique peut fournir d’excellentes performances mais ne peut pas gérer des signaux très large bande.

Pour surmonter ces problèmes, l’approche hybride de pré-distorsion est une solution bien connue, mais seules quelques études dans la littérature ont montré les performances de cette technique. De ces quelques études, aucune n’a examiné les exigences matérielles pour CAN et CNA. Dans ce contexte, la méthode de linéarisation combinée est proposée dans cette thèse. La méthode s’appelle un hybride de pré-distorsion numérique / analogique du GaN PA sélectionné basé sur une pré-distorsion analogique classique et une pré-distorsion numérique polynomiale à mémoire pour un signal à large bande.

Les principaux objectifs de cette approche sont d’obtenir des performances de linéarisation optimales et réduire les exigences matérielles en utilisant CAN et CNA à basse précision. Cette méthode permet d’utiliser des longueurs de mot plus courtes dans l’algorithme de pré-distorsion numérique, économisant à la fois de la puissance et de la surface. Cela donne également une charge de fréquence d’échantillonnage plus élevée pour tout l’algorithme de pré-distorsion numérique. Dans le travail proposé, un système de conception avancé (ADS) et un modèle Simulink / MATLAB sont utilisés. Les résultats obtenus montrent un excellent accord avec l’approche hybride proposée pour les signaux à large bande, et une meilleure amélioration rapport de puissance de canal ajusté et troisième produit d’intermodulation là où elles sont supprimées. De plus, la résolution de l’CAN dans le modèle proposé est réduite à 8 bits.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of a master’s degree with thesis in electrical engineering". Comprend des références bibliographiques (pages 99-102).
Mots-clés libres: hybride, APD, DPD, linéarité, exigences matérielles, GaN PA
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Kouki, Ammar B.
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie électrique
Date de dépôt: 25 oct. 2021 18:45
Dernière modification: 25 oct. 2021 18:45
URI: https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2750

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