Combinação entre pré-distorção digital e redução de fator de crista para a linearização de amplificadores de potência para sistemas de telecomunicações móveis

Abstract

Resumo: O uso de aparelhos de comunicações móveis, como telefones celulares e smartphones, cresce em popularidade, fazendo parte da rotina das pessoas que os usam para trocar informações e dados através da conexão à internet 3G. Porém, a largura de banda reservada para esses sistemas é limitada. Para isso, se faz necessário uma modulação eficiente do sinal, tanto em amplitude quanto em fase e, em se tratando da tecnologia 3G, um dos esquemas mais usados de modulação é o WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access). Este sinal apresenta um grande valor de PAPR (Peak-to-Average Power Ratio) o que é indesejado e, para reduzir o PAPR do sinal, há um interesse crescente da comunidade de pesquisadores de micro-ondas nas técnicas de CFR (Crest Factor Reduction). Embora o uso da pré-distorção digital (DPD) esteja consagrado na literatura, estão sendo elaborados muitos estudos em que é feito o uso combinado entre as técnicas de CFR e DPD para a linearização de amplificadores de potência (PAs). O desenvolvimento teórico apresentado nesse trabalho visa estudar benefícios da combinação entre os linearizadores DPD e CFR, bem como propor um esquema de linearização, combinando o uso de um CFR do tipo hard clipping com filtro e um DPD ideal para linearizar um PA modelado através de uma cascata Wiener. A elaboração deste desenvolvimento teórico é motivada pelo fato de que a maior parte dos pesquisadores desta área não tomam cuidados para respeitar ou recomendar critérios de projeto, ou realizam simulações sem uma previsão teórica a ser atingida. Limitações dessa pesquisa incluem o estudo de apenas este tipo de CFR (hard clipping com filtro) e a utilização de um PA em que se conheça a tensão de saturação e a inversa exata para assumir a existência do DPD ideal para esse PA. Por fim, foram realizadas simulações computacionais em ambiente MATLAB para demonstrar a metodologia estabelecida. Como resultado, observa-se a necessidade de alguns cuidados nos projetos que envolvem a combinação entre esses dois linearizadores, bem como a validação de um procedimento que sempre será vantajoso, para o caso específico estudado.

Abstract: The use of mobile communication devices, such as cell phones or smartphones, grows in popularity, being a greater part of people's routines, and also the habit of using these devices to trade information and data wirelessly. The bandwidth reserved for such devices is limited. As such, an efficient modulation of the digital signal in amplitude and phase is needed, and one of the most used modulation schemes with the 3G technology is the WCDMA modulation. This multicarrier signal has a high Peak-to-Average Power Ratio (PAPR), which is undesired, and for PAPR reduction, there is a growing interest among the microwave researchers for Crest Factor Reduction (CFR) techniques. Although the use of Digital Pre-Distortion (DPD) is considered an essential linearization technique for Power Amplifiers (PA), there is a lot of research for the combined use between CFR and DPD in PA linearization. The theoretical development presented in this work aims to study benefits of the combination between the linearizers CFR and DPD, as well as to propose a linearization scheme that includes a CFR composed of hard clipping and filtering, and an ideal DPD, to linearize a PA modelled by a Wiener cascade. The motivation behind this theoretical development is that most researchers that combined DPD and CFR have not used or recommended design criteria for these situations. Moreover, the simulations done to validate their methods usually does not have a theorectical prediction to confront the results. The limitations of this research were that only one CFR technique was studied, as well as the use of a PA model in which an exact inverse is already known, which is essential to assume the existence of an exact DPD for this PA model. Finally, computational simulations in MATLAB software were run, in order to demonstrate the methodology developed during this research. As a result, it is noted that it is necessary to take some precautions when combining DPD and CFR, and it is established a design procedure that will always bring advantages to the specific case studied, if followed.