Linearização de amplificadores de potência com controle de ganho discreto

Abstract

Resumo: Nos sistemas atuais de comunicação sem fio, linearidade e eficiência são fundamentais para cumprir com as restrições das agências regulamentadoras do espectro e reduzir o consumo de potência. O uso de um pré-distorcedor digital (DPD), conectado em cascata com o amplificador de potência (PA), é uma solução eficiente e de baixo custo que permite obter linearidade e eficiência simultaneamente. Em PAs reconfiguráveis, projetados para selecionar o menor consumo de potência da fonte contínua satisfazendo a demanda de potência, a eficiência pode ser expandida comutando, em tempo real, o modo de ganho de acordo com a amplitude da envoltória do sinal de entrada. Contudo, descontinuidades que ocorrem entre as mudanças de modo comprometem criticamente a capacidade de linearização de DPDs tradicionais, baseados em polinômios de memória contínuos. Para contornar o problema, esse trabalho propõe um modelo polinomial de regiões limitadas por amplitudes de entrada inferior e superior. Com o aumento dos fatores de truncamento de memória e não linearidade dos modelos, o crescimento de coeficientes passa a ser significativo. Abordagens de otimização que não modificam a base do modelo são ideais para garantir desempenho do DPD. Neste trabalho, quatro abordagens para redução do número de coeficientes sem a mudança de base são propostas: ascendente, descendente, incrementador e decrementador. A linearização de PAs, em geral, produz resultados melhores do que os exigidos pelas normas, permitindo uma certa margem de distorção. Comprometendo levemente a linearidade, aumentando a potência média de saída, a eficiência do PA aumenta. Este trabalho descreve e implementa um caso da saturação do DPD. As propostas são validadas simulando a linearização de um PA CMOS 130 nm, classe AB de seis modos de ganho em configurações distintas, por meio dos softwares Matlab e Cadence Virtuoso. Resultados apontam que o modelo proposto para o PA comutando em tempo real é capaz de realizar a linearização com acurácia. Na redução do número de coeficientes dos modelos polinomiais, a abordagem ascendente atinge resultados quase ótimos e a abordagem decrementador exige a menor quantidade de testes, com resultados superiores às abordagens prévias apresentadas na literatura. Aplicando abordagem ascendente na linearização do PA multi-modo, reduzindo de 36 para 10 coeficientes, a razão de potência de canal adjacente (ACPR) reduziu em aproximadamente 25,4 dB, piorando em aproximadamente 1,2 dB quando aplicado o modelo completo. A abordagem decrementador, aplicada na linearização do PA em um modo de ganho, reduziu de 243 para 25 coeficientes, atingindo redução de ACPR em aproximadamente 15,7 dB - valor aproximadamente igual ao aplicar-se o modelo completo. Finalmente, a saturação do DPD permitiu ampliar em 1,4 dB a potência média de saída em relação ao DPD tradicional até atingir mesma distorção do PA sem DPD. Palavras-chave: Eficiência do amplificador de potência. Linearidade. Modelagem. PA multi-modo. Pré-distorção digital. Rádio frequência. Transmissor sem fio.

Abstract: In current radio communication systems, linearity and efficiency are essentials to comply with the regulatory agencies standards and reduce the power consumption. The digital pre-distorter (DPD) cascaded with the power amplifier (PA) is an available and low-cost solution to maintain linearity and efficiency simultaneously. In reconfigurable PAs, the efficiency can be increased commuting, in real-time, the gain mode as a function of the input envelope amplitude. Hence, discontinuities that occur between gain mode changes critically compromise the linearization capability of traditional DPDs based on continuous polynomials with memory. To circumvent such drawback, this work proposes a model based on polynomials bounded at both sides as input amplitude function. With memory and non-linearity model truncation factors increasing, the amount of coefficients becomes significant. Approaches of optimization that do not modify the model basis are ideal to guarantee the digital pre-distorter performance. In this work, four approaches to coefficient amount reduction without basis change are proposed: ascendant, descendant, incremental and decremental. PA linearization, in general, produces better results than required by regulatory standards, maintaining a distortion margin. Slightly compromising the linearity, increasing the output mean power, the PA efficiency rises. This work describes and implements the DPD saturation. The proposed solutions are validated by simulation with a PA CMOS 130 nm, class AB of six gain mode in distinct configurations, using Matlab and Cadence Virtuoso software. Results show that the proposed model is able to accurately linearize the multimode PA. For coefficient reduction, the ascendant approach reaches almost optimal results to amount of coefficients reduction and the decremental approach demands the lowest amount of realizations, with better results than previous approaches contained in literature. Applying ascendant approach to multimode PA linearization, selecting 10 from 30 coefficients, the ACPR was reduced around 25.4 dB, about 1.2 dB worse than with complete model. Decremental approach, applied to PA linearization in only one gain mode, reduced from 243 to 25 coefficients, reaching ACPR reduction about 15.7 dB - practically the same value when full model is applied for linearization. Finally, the DPD saturation allowed to extend in 1.4 dB the output mean power comparing with traditional DPD until reaches same distortion caused by PA without DPD. Key words: Digital pre-distortion. Linearity. Modeling. Multimode PA. Power amplifier efficiency. Radio frequency. Wireless transmitter.