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Caractérisation et linéarisation d’amplificateur de puissance RF par prédistors

Caractérisation et linéarisation d’amplificateur de puissance RF par prédistorsion numérique dans un contexte d’appareils mobiles PAR Gabriel NOBERT MÉMOIRE PRÉSENTÉ À L’ÉCOLE DE TECHNOLOGIE SUPÉRIEURE COMME EXIGENCE PARTIELLE À L’OBTENTION DE LA MAÎTRISE AVEC MÉMOIRE EN GÉNIE ÉLECTRIQUE M. Sc. A. MONTRÉAL, LE 12 AVRIL 2017 ÉCOLE DE TECHNOLOGIE SUPÉRIEURE UNIVERSITÉ DU QUÉBEC Gabriel Nobert, 2017 Cette licence Creative Commons signifie qu’il est permis de diffuser, d’imprimer ou de sauvegarder sur un autre support une partie ou la totalité de cette œuvre à condition de mentionner l’auteur, que ces utilisations soient faites à des fins non commerciales et que le contenu de l’œuvre n’ait pas été modifié. PRÉSENTATION DU JURY CE MÉMOIRE A ÉTÉ ÉVALUÉ PAR UN JURY COMPOSÉ DE : M. Nicolas Constantin, directeur de mémoire Département de génie électrique à l’École de technologie supérieure M. Marcel Gabrea, président du jury Département de génie électrique à l’École de technologie supérieure M. Christian Gargour, membre du jury Département de génie électrique à l’École de technologie supérieure IL A FAIT L’OBJET D’UNE SOUTENANCE DEVANT JURY ET PUBLIC LE 5 AVRIL 2017 À L’ÉCOLE DE TECHNOLOGIE SUPÉRIEURE REMERCIEMENTS J’aimerais adresser des remerciements aux différentes personnes qui ont rendu ma recherche possible et qui ont contribuées à sa réalisation. En premier lieu, merci au laboratoire LACIME et à son personnel qui m’ont permis de profiter des ressources matérielles disponibles et qui étaient essentielles à la réalisation de ma recherche. Je remercie spécialement Monsieur Normand Gravel de m’avoir apporté de l’aide dans l’apprentissage des différents outils disponibles au laboratoire. Je tiens également à remercier certains collègues du LACIME avec qui j’ai pu échanger de nombreuses idées et qui m’ont apporté des conseils techniques lorsque nécessaire. Je remercie particulièrement messieurs David Berthiaume et Smarjeet Sharma. Je remercie également le laboratoire LASSENA de m’avoir confié du matériel essentiel à ma recherche. De plus, je remercie spécialement messieurs Éric Zhang ainsi qu’Abdessamad Amrhar pour leurs précieux conseils techniques. J’aimerais remercier les techniciens du département de génie électrique messieurs André Zalzal, Rigoberto Avelar et Jorge Rojas Abad pour leur support lors de la conception du PCB que j’ai dû concevoir dans le cadre de mon projet. J’aimerais apporter mes remerciements à mon directeur de recherche, le professeur Nicolas Constantin qui a su m’apporter de précieux conseils lors de ma recherche ainsi que me faire profiter de ses connaissances dans le domaine de la microélectronique et du traitement de signal. Finalement, je remercie ma conjointe Noémie pour le soutien moral dont elle m’a fait part tout au long de mon cheminement. CARACTÉRISATION ET LINÉARISATION D’AMPLIFICATEUR DE PUISSANCE RF PAR PRÉDISTORSION NUMÉRIQUE DANS UN CONTEXTE D’APPAREILS MOBILES Gabriel NOBERT RÉSUMÉ La linéarisation des amplificateurs de puissance RF a été étudiée extensivement dans le domaine des amplificateurs à haute puissance destinés à des stations de base. Cependant, dans le cadre d’amplificateurs destinés à des appareils mobiles à faible consommation, peu d’études existent. Une méthode de prédistorsion a été développée afin de faire la conception d’un banc de prédistorsion assez flexible pour des travaux d'expérimentation sur les amplificateurs intégrés sur puces de semiconducteur, pour le laboratoire LACIME à l’ÉTS. Un modèle NARMA polynomial a été utilisé et ses performances ont été comparées à un modèle polynomial de type NMA et statique. L’algorithme LMS a été utilisé afin de faire l’identification du système. L’implémentation complète du générateur de signal avant et après s’est faite sur un Software- Defined Radio (SDR) qui fonctionne en parallèle avec un PC se chargeant de faire le traitement des données de la séquence d’entrainement à l’aide du logiciel MATLAB. Un amplificateur de puissance à faible consommation est polarisé en classe A, puis en classe AB. Ce dernier est utilisé afin de faire la validation de l’algorithme de prédistorsion. Par la suite, la validation des modèles NMA et NARMA a été faite avec l’aide de l’amplificateur polarisé en classe AB auquel une large inductance d’isolation RF a été ajoutée au collecteur afin d’augmenter l’importance des effets de mémoire dans l’amplificateur. Les résultats démontrent un fonctionnement de l’algorithme de prédistorsion lorsqu’un modèle de type NMA, NARMA ou bien statique est utilisé. Une amélioration de près de 9dB d’ACPR est observée lorsqu’une prédistorsion statique est utilisée en classe AB à puissance maximale. Il a également été démontré qu’une amélioration de l’efficacité énergétique à travers la polarisation de l’amplificateur (en polarisant de la classe A vers AB) peut être réalisée. Puis, l’amplificateur peut être linéarisé de façon convenable, améliorant ainsi les performances globales de ce dernier. À une puissance de sortie légèrement supérieure pour l’amplificateur en classe AB (0.8dB), une diminution de 145mW de la puissance consommée a été observée avec une diminution du niveau d’ACPR dans le canal adjacent de 3.7dB. Une augmentation du niveau d’ACPR dans le canal alterne a cependant été observée en passant à 6.1dB plus haut. On peut finalement conclure que les techniques de prédistorsion dans le contexte d’amplificateurs destinés à des appareils mobiles démontrent vraisemblablement un potentiel d’amélioration des performances globales dans un système de télécommunications, particulièrement en ce qui concerne le compromis entre l’efficacité énergétique et la linéarité. Mots-clés : Linéarisation, amplificateur RF, prédistorsion, NARMA, appareil mobile CARACTERIZATION AND LINEARIZATION OF RF POWER AMPLIFIERS USING DIGITAL PREDISTORSION IN A MOBILE DEVICE CONTEXT Gabriel NOBERT ABSTRACT The linearization of power amplifier has long been a topic of study. Most studies are centered on its use for base station power amplifiers. However, there is a lack of literature regarding its use in the context of power amplifiers with lower consumption, especially in the context of mobile devices such as cell phones and tablets. A method for the generation of a predistorsion filter is developed and used in the design of a predistorsion bench for experimentation on RFIC PAs in the LACIME research lab. A polynomial NARMA model is used and its performances are compared to a first-order NMA model and a static model. The system is identified using the LMS algorithm and the full implementation of the predistorted signal generator is done using a software-defined radio (SDR). A PC is used in order to generate the baseband signal to transmit and also to generate the predistorsion filter with MATLAB. A power amplifier with low-power consumption is first biased in class A, then switched to class AB. This amplifier is then used to test the predistorsion algorithm. Finally, memory effects are added to the amplifier by putting a large choke inductor at the collector of the amplifier. These biasing conditions serve in the validation of the NARMA and NMA models. Results show an improvement in the linearity performance with every model used. A 9dB ACPR improvement is measured when a static polynomial predistorsion is used with maximum output power in class AB. Results also show that when efficiency is improved at the cost of linearity by changing the conduction angle in the power amplifier, linearity performances can then be improved with the predistorsion algorithm. The power and linearity performances of an amplifier are measured in predistorsionless class A and predistorted class AB. With 0.8dB more power at the output of the amplifier with class AB biasing, the power consumption, without accounting for the predistorsion circuit, is 145mW lower compared to predistorsionless class A and the ACPR (adjacent channel) levels are 3.7dB lower. A degradation of the performances in the alternate channel are however observed. The ACPR level in the alternate channel is 6.1dB higher in class AB than it was in predistorsionless class A. It can be concluded that there is a potential for predistorsion in the context of the linearization of power amplifiers meant for mobile devices such as cell phones and tablets. The techniques shown here can help to improve the overall quality of the communication systems in terms of power and efficiency-linearity trade-off. Keywords : Linearization, RF power amplifier, predistorsion, NARMA, mobile device TABLE DES MATIÈRES Page INTRODUCTION .....................................................................................................................1 CHAPITRE 1 PRÉSENTATION DES CONCEPTS THÉORIQUES ET ÉTAT DE L’ART ..........................................................................................................5 1.1 Introduction ....................................................................................................................5 1.2 Les amplificateurs de puissance RF ...............................................................................5 1.2.1 Compression du gain................................................................................... 6 1.2.2 Effets AM-PM ............................................................................................ 7 1.2.3 Effets de mémoire ....................................................................................... 7 1.2.4 Mesures de performance ............................................................................. 9 1.3 Techniques de linéarisation par prédistorsion ..............................................................13 1.3.1 Modèle NARMA ...................................................................................... 13 1.4 Techniques de filtrage adaptatif ...................................................................................19 1.4.1 Algorithme LMS pour un système linéaire ............................................... 19 1.4.2 Choix du coefficient d’apprentissage µ .................................................... 21 1.4.3 Variante permettant d’identifier les fonctions de gain variable ࡲ࢏ et ࡳ࢏ .. 22 1.5 Énoncé de la problématique .........................................................................................24 1.5.1 Rappel ....................................................................................................... 24 1.5.2 Historique des travaux .............................................................................. 24 1.5.3 Portée et objectifs de la recherche ............................................................ 27 1.5.4 Hypothèses de recherche ........................................................................... 28 CHAPITRE 2 CONCEPTION D’UN BANC DE PRÉDISTORSION .............................31 2.1 Introduction ..................................................................................................................31 2.2 Présentation du ZeptoSDR ...........................................................................................31 2.3 Description du banc de caractérisation ........................................................................34 2.4 Appareils utilisés ..........................................................................................................35 2.4.1 Synchronisation des horloges ................................................................... 36 2.4.2 Choix de la fréquence porteuse ................................................................. 37 2.4.3 Choix du type de modulation .................................................................... 38 2.5 Prise de mesures et séquence d’entrainement ..............................................................39 2.6 Implémentation du système dans un SDR ...................................................................41 2.6.1 Processeur Cortex-A9 ............................................................................... 42 2.6.2 Choix de uploads/Geographie/ linearisation-d-x27-amplificateur-de-puissance.pdf