Pré-distorção digital de amplificadores de potência de bandas múltiplas concorrentes para aplicações em telefonia móvel

Abstract

Resumo: Os avanços sobre a telefonia 4G rumo a 5G e alem vem impondo desafios para a comunicacao sem fio em relaçao a linearidade e a eficiencia causados principalmente pela comunicacao concorrente e de banda larga. Nestes cenarios, o amplificador de potencia (PA) e o componente crítico do transmissor devido as características de linearidade, eficiencia e do nível de potencia. Consequentemente, a inclusão de um pré-distorcedor digital (DPD), componente que implementa um modelo capaz de compensar os efeitos de distorçcãao, íe fundamental para garantir o desempenho do sistema. O DPD íe um componente interessante por ser adaptável e efetivo, entretanto, o uso de modelos complexos, a frequencia de amostragem e o consumo de potencia inadequados podem torní-lo inviavel, principalmente em cenarios de transmissão de bandas multiplas. Se por um lado, existem modelos para bandas multiplas de alta acuracia, sendo uma solucao bem desenvolvida, por outro lado, garantir acuracia elevada com poucos parâmetros ainda e desafiador. Dessa forma, o objetivo central desse trabalho e modelar e linearizar um PA com comunicacao em bandas multiplas concorrentes buscando melhorar os metodos de extraçao de parâmetros, modelos com poucos parâametros e obter a maíxima potâencia do PA cumprindo os requisitos de espalhamento no espectro de frequencia e de magnitude do vetor de erro (EVM) das normas regulamentadoras. Em específico, essa tese apresenta: a comparacao entre abordagens de extraçcãao de parâametros direta, indireta e indireta modificada em banda dupla, modelos com vaírios fatores de truncamento para bandas dupla e tripla concorrentes alinhados a um novo algoritmo de escolha dos fatores de truncamento, e a saturaçcãao do DPD para bandas muíltiplas. Resultados obtidos da modelagem e linearizaçcãao de um PA CMOS classe AB de banda larga simulado nos softwares Matlab e Cadence Virtuoso apontam ganhos de ate 5 dB no erro quadratico medio normalizado (NMSE) e reducao maxima de 1,76% para 1,13% em EVM com a aprendizagem indireta modificada; os modelos propostos alinhados ao algoritmo de busca para os fatores de truncamento atingiram ganhos de ate 3,76 dB, 8,3 dB e 16,6 dB em NMSE para banda dupla, tripla e tripla com portadoras multiplas em relação ao estado da arte, respectivamente; e a saturacao para banda dupla permitiu elevar o rendimento do PA de 14,7% a 17,3% com degradaçao abaixo de 1 p.p. no EVM.

Abstract: The advances of the 4G mobile telecommunication to 5G and beyond impose challenges in linearity and efficiency of the wireless communication major by the multiband and broadband communication. In these scenarios, the power amplifier (PA) is the critical component in the transmission system due to the linearity and efficiency characteristics, and the high power level. Consequently, the inclusion of a digital pre-distorter (DPD), a device that implements a behavioral model able to compensate for the PA distortions, is fundamental to guarantee the system performance. The DPD is interesting for being adaptable and effective; however, the use of complex models, the high sampling frequency and the power consumption can make unfeasible its use, mainly for multi-band transmission. If on the one hand, there are multi-band models with high accuracy, being a well developed solution, on the other hand, the high accurate models with few parameters are still a challenge. In this way, the main objective of this work is to model and to linearize a PA in concurrent multi-band improving the extraction of parameters approach, models with few parameters and the maximum output power respecting the requirements of spectral regrowth and of the error vector magnitude (EVM) of the regulatory standards. Specifically, this thesis does: a comparison among the direct, indirect and modified indirect learning approaches for parameters extraction in dual-band, introduces models with various truncation factors for concurrent dual-band and concurrent tri-band aligned with a new algorithm for factors selection, and the DPD saturation for multi-band. Results of modeling and linearization of a broadband PA CMOS class AB simulated in the Matlab and Cadence Virtuoso software reported gain up to 5 dB in the normalized mean square error (NMSE) and maximum reduction from 1.76% to 1.13% in EVM with the proposed modified indirect learning; the introduced models aligned with the algorithm for search of best truncation factors achieve gains up to 3.76 dB, 8.3 dB and 16.6 dB in the NMSE metric for dual-band, tri-band and harmonically tri-band compared with state-of-art, respectively; and the saturation of the dual-band allowed increase the PA efficiency from 14.7% to 17.3% with degradation below 1 p.p. in the EVM.