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Écrêtage Inversible pour l’Amplification Non-Linéaire des Signaux OFDM dans les Terminaux Mobiles

Écrêtage Inversible pour l’Amplification Non-Linéaire des Signaux OFDM dans les Terminaux Mobiles. Salvatore RAGUSA. Plan. Contexte et Problématique L’OFDM Principe, avantages et inconvénients Les Fluctuations d’Enveloppe et le PAPR Les Non-Linéarités L’ACPR et le N_ACPR

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Écrêtage Inversible pour l’Amplification Non-Linéaire des Signaux OFDM dans les Terminaux Mobiles

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  1. Écrêtage Inversible pour l’Amplification Non-Linéaire des Signaux OFDM dans les Terminaux Mobiles Salvatore RAGUSA

  2. Plan • Contexte et Problématique • L’OFDM • Principe, avantages et inconvénients • Les Fluctuations d’Enveloppe et le PAPR • Les Non-Linéarités • L’ACPR et le N_ACPR • Rappels sur les Méthodes de Réduction du PAPR • L’Écrêtage Classique plus Filtrage • L’Écrêtage Inversible • Performances de la Chaîne de Transmission • Comparaison Écrêtage Classique et Inversible • Résultats Finaux • Conclusions et Perspectives

  3. Plan • Contexte et Problématique • L’OFDM • Principe, avantages et inconvénients • Les Fluctuations d’Enveloppe et le PAPR • Les Non-Linéarités • L’ACPR et le N_ACPR • Rappels sur les Méthodes de Réduction du PAPR • L’Écrêtage Classique plus Filtrage • L’Écrêtage Inversible • Performances de la Chaîne de Transmission • Comparaison Écrêtage Classique et Inversible • Résultats Finaux • Conclusions et Perspectives

  4. B3G Débit Th. + Wi-Fi, Wi-Max # qq Mbps Voix + Données + Vidéo + Internet UMTS, HSDPA # 100 Kbps Voix + Données GSM, GPRS, EDGE qq Kbps Voix 1G 2G 3G Contexte et Problématique • Évolution des Réseaux de Télécommunication • Augmentation du débit de transfert pour un système universel intégrant les différents standards existants

  5. Contexte et Problématique • Applications Haut-Débits Multimédia  Large Bande  Modulation à Efficacité Spectrale Élevée et Robuste aux Canaux Multitrajet • Utilisation du Procédé de Modulation dit OFDM • Modulation à Enveloppe non-constante avec Fortes Fluctuations en Amplitude • Dynamique du PA en Émission Élevée  Éloignement de sa Zone de Saturation  Rendement Médiocre • Augmentation de la Consommation  Incompatibilité avec les Terminaux Mobiles  Recherche de Rendement Optimal

  6. Contexte et Problématique • Applications Haut-Débits Multimédia Large Bande  Modulation à Efficacité Spectrale Élevée et Robuste aux Canaux Multitrajet • Utilisation du Procédé de Modulation dit OFDM • Modulation à Enveloppe non-constante avec Fortes Fluctuations en Amplitude • Dynamique du PA en Émission Élevée  Éloignement de sa Zone de Saturation  Rendement Médiocre • Augmentation de la Consommation  Incompatibilité avec les Terminaux Mobiles  Recherche de Rendement Optimal

  7. Contexte et Problématique • Applications Haut-Débits Multimédia  Large Bande  Modulation à Efficacité Spectrale Élevée et Robuste aux Canaux Multitrajet • Utilisation du Procédé de Modulation dit OFDM • Modulation à Enveloppe non-constante avec Fortes Fluctuations en Amplitude • Dynamique du PA en Émission Élevée  Éloignement de sa Zone de Saturation  Rendement Médiocre • Augmentation de la Consommation  Incompatibilité avec les Terminaux Mobiles  Recherche de Rendement Optimal

  8. Contexte et Problématique • Applications Haut-Débits Multimédia  Large Bande  Modulation à Efficacité Spectrale Élevée et Robuste aux Canaux Multitrajet • Utilisation du Procédé de Modulation dit OFDM • Modulation à Enveloppe non-constante avec FortesFluctuations en Amplitude • Dynamique du PA en Émission Élevée  Éloignement de sa Zone de Saturation  Rendement Médiocre • Augmentation de la Consommation  Incompatibilité avec les Terminaux Mobiles  Recherche de Rendement Optimal

  9. Contexte et Problématique • Applications Haut-Débits Multimédia  Large Bande  Modulation à Efficacité Spectrale Élevée et Robuste aux Canaux Multitrajet • Utilisation du Procédé de Modulation dit OFDM • Modulation à Enveloppe non-constante avec FortesFluctuations en Amplitude • Dynamique du PA en Émission Élevée  Éloignement de sa Zone de Saturation  Rendement Médiocre • Augmentation de la Consommation  Incompatibilité avec les Terminaux Mobiles  Recherche de Rendement Optimal

  10. Contexte et Problématique • Applications Haut-Débits Multimédia  Large Bande  Modulation à Efficacité Spectrale Élevée et Robuste aux Canaux Multitrajet • Utilisation du Procédé de Modulation dit OFDM • Modulation à Enveloppe non-constante avec FortesFluctuations en Amplitude • Dynamique du PA en Émission Élevée  Éloignement de sa Zone de Saturation  Rendement Médiocre • Augmentation de la Consommation  Incompatibilité avec les Terminaux Mobiles  Recherche de Rendement Optimal

  11. Contexte et Problématique • Applications Haut-Débits Multimédia  Large Bande  Modulation à Efficacité Spectrale Élevée et Robuste aux Canaux Multitrajet • Utilisation du Procédé de Modulation dit OFDM • Modulation à Enveloppe non-constante avec FortesFluctuations en Amplitude • Dynamique du PA en Émission Élevée  Éloignement de sa Zone de Saturation  Rendement Médiocre • Augmentation de la Consommation  Incompatibilité avec les Terminaux Mobiles  Recherche de Rendement Optimal

  12. Contexte et Problématique • Techniques Basées sur l’Électronique (PA) ou sur le Traitement du Signal • Techniques Appliquées sur le Signal d’Entrée • Objectif : Réduction des Fluctuations d’Enveloppe • Saturation du Signal d’Entrée  Choix de la Méthode d’Écrêtage plus Filtrage

  13. Contexte et Problématique • Techniques Basées sur l’Électronique (PA) ou sur le Traitement du Signal • Techniques Appliquées sur le Signal d’Entrée • Objectif : Réduction des Fluctuations d’Enveloppe • Saturation du Signal d’Entrée  Choix de la Méthode d’Écrêtage plus Filtrage

  14. Contexte et Problématique • Techniques Basées sur l’Électronique (PA) ou sur le Traitement du Signal • Techniques Appliquées sur le Signal d’Entrée • Objectif : Réduction des Fluctuations d’Enveloppe • Saturation du Signal d’Entrée  Choix de la Méthode d’Écrêtage plus Filtrage

  15. Contexte et Problématique • Techniques Basées sur l’Électronique (PA) ou sur le Traitement du Signal • Techniques Appliquées sur le Signal d’Entrée • Objectif : Réduction des Fluctuations d’Enveloppe • Saturation du Signal d’Entrée  Choix de la Méthode d’Écrêtage plus Filtrage

  16. Contexte et Problématique • Techniques Basées sur l’Électronique (PA) ou sur le Traitement du Signal • Techniques Appliquées sur le Signal d’Entrée • Objectif : Réduction des Fluctuations d’Enveloppe • Saturation du Signal d’Entrée  Choix de la Méthode d’Écrêtage plus Filtrage(Point de Départ)

  17. Plan • Contexte et Problématique • L’OFDM • Principe, avantages et inconvénients • Les Fluctuations d’Enveloppe et le PAPR • Les Non-Linéarités • L’ACPR et le N_ACPR • Rappels sur les Méthodes de Réduction du PAPR • L’Écrêtage Classique plus Filtrage • L’Écrêtage Inversible • Performances de la Chaîne de Transmission • Comparaison Écrêtage Classique et Inversible • Résultats Finaux • Conclusions et Perspectives

  18. L’OFDM • Né dans les années 50-60, seulement dans les années 80 on prend conscience de son intérêt • Évolution des technologies existantes : numérique, FFT, … • Applications : DAB, DVB, HyperLAN II, 802.11a/g/n, Wi-Max, Wi-Media • Un flux de données bas débit est parallélisé sur N sous-porteuses orthogonales entre elles

  19. L’OFDM • Équation du Signal OFDM émis : • Base Orthogonale en Fréquence :

  20. IFFT Tampon Table corresp. Banc de N sous porteuses c1 c1 c0 ck-1 c1 e2 j f0t ck-1 ………………….. ………………….. b0 ,b1 , … c0 ,c1 , …, ck-1 B/Q-PSK M-QAM …………………. e2 j( f0+ 1/ TU )t Éléments binaires TB Symboles numériques TC Symbole OFDM TU c0 ck-1 c0 e2 j( f0+ 1/ TU [N-1])t L’OFDM • Le Principe :

  21. L’OFDM • Avantages • Interférence Entre Symboles (IES) Faible • Encombrement Spectral Optimal • Canal Invariant Localement • Codage

  22. TU  TU  t Tsi - 1 Tsi L’OFDM • Avantages • Interférence Entre Symboles (IES) Faible : Ajout d'un intervalle de garde Delta  Robustesse du signal OFDM aux trajets multiples  En réception IES acceptable [Ziemer-1997]

  23. N sous-porteuses B2 L’OFDM • Avantages • Encombrement Spectral Optimal : Orthogonalité entre les sous-porteuses  Chevauchement des spectres  Optimisation de l'occupation spectrale [Chang-1966] N sous-porteuses B1

  24. N sous-porteuses Réponse du Canal Bande passante OFDM L’OFDM • Avantages • Canal Invariant Localement : Bande passante de chaque sous-porteuses petite devant la totalité de la bande passante du signal OFDM  Réponse fréquentielle du canal plate au niveau de chaque sous-porteuses : évanouissement lent

  25. L’OFDM • Avantages • Codage : Codage convolutif des bits transmis, Entrelacement temporel, Entrelacement fréquentiel  OFDM Codé (COFDM)  Indépendance du canal, Meilleure résistance au bruit

  26. L’OFDM • Inconvénients • Sensibilité à la Désynchronisation Émetteur / Récepteur • Fluctuations d’Enveloppe Importantes

  27. L’OFDM • Inconvénients • Sensibilité à la Désynchronisation Émetteur / Récepteur : Offsets en fréquence entre les Oscillateurs Locaux RF  Translation fréquentielle perturbant l'orthogonalité des N sous-porteuses [Keller-2001]

  28. L’OFDM • Inconvénients • Fluctuations d’Enveloppe Importantes : Fortes fluctuations d'enveloppe [Dinur-2001]  Grande linéarité du PA  Rendement médiocre (linéarité et rendement divergent)  Consommation  Incompatibilité avec une application mobile

  29. Plan • Contexte et Problématique • L’OFDM • Principe, avantages et inconvénients • Les Fluctuations d’Enveloppe et le PAPR • Les Non-Linéarités • L’ACPR et le N_ACPR • Rappels sur les Méthodes de Réduction du PAPR • L’Écrêtage Classique plus Filtrage • L’Écrêtage Inversible • Performances de la Chaîne de Transmission • Comparaison Écrêtage Classique et Inversible • Résultats Finaux • Conclusions et Perspectives

  30. Les Fluctuations d’Enveloppe et le PAPR • Les excursions en amplitude et donc en puissance, sont caractérisées par la métrique dite Peak-to-Average Power Ratio (PAPR) • Le PAPR peut être défini en Bande de Base (BdB) ou en RadioFréquences (RF) • De façon générale, le PAPR est défini comme le rapport entre la puissance maximale et la puissance moyenne du signal sur un intervalle de temps T

  31. Les Fluctuations d’Enveloppe et le PAPR • Définition du PAPR en RF : avec

  32. Les Fluctuations d’Enveloppe et le PAPR • Définition du PAPR en BdB (cas OFDM) • Supposons que T = NSYM x TS où NSYM et TS représentent le nombre de symboles OFDM et leur durée respectivement avec • Dépendance du PAPR de NSYM :

  33. Les Fluctuations d’Enveloppe et le PAPR • Relation entre le PAPR en RF et le PAPR en BdB : • L’identité est atteinte lorsque les puissances instantanées RF et BdB ont le même MAX au même instant t. Dans les télécommunications c’est souvent le cas car fc >> 1/TS

  34. Plan • Contexte et Problématique • L’OFDM • Principe, avantages et inconvénients • Les Fluctuations d’Enveloppe et le PAPR • Les Non-Linéarités • L’ACPR et le N_ACPR • Rappels sur les Méthodes de Réduction du PAPR • L’Écrêtage Classique plus Filtrage • L’Écrêtage Inversible • Performances de la Chaîne de Transmission • Comparaison Écrêtage Classique et Inversible • Résultats Finaux • Conclusions et Perspectives

  35. Produits d’Intermodulation (IMn) Les Non-Linéarités, l’ACPR et le N_ACPR • Effets des Non-Linéarités sur le Signal de Sortie et Solutions • Caractéristique non-linéaire polynomiale de transfert (Écrêtage, PA, …) :

  36. Les Non-Linéarités, l’ACPR et le N_ACPR • Adjacent Channel Power Ratio (ACPR) : Définition • Rapport entre la puissance du canal adjacent PBA (lower ou upper) et la puissance du canal principal PBU • Remontée spectrale due au IMn

  37. Les Non-Linéarités, l’ACPR et le N_ACPR • Adjacent Channel Power Ratio (ACPR) : N = 2 • Supposons que ve(t) soit un signal à 2 tons. L’amplitude réelle A est normalisée  PBU = C, IMn  f(N, A) IMn = f(N) • Caractéristique non-linéaire polynomiale (sans mémoire) de 3ème ordre impair : n pairs loin de la bande utile et n > 3 négligeables • L’expression de l’ACPR = f(a1, a3, A) est la suivante :

  38. Les Non-Linéarités, l’ACPR et le N_ACPR • Adjacent Channel Power Ratio (ACPR) : N quelconque • Signal multiporteuse générique • Caractéristique non-linéaire polynomiale (sans mémoire) de 3ème ordre impair : n pairs loin de la bande utile et n > 3 négligeables • L’expression du signal de sortie est alors la suivante :

  39. Les Non-Linéarités, l’ACPR et le N_ACPR • Adjacent Channel Power Ratio (ACPR) : N quelconque • Puissance du canal principal • Puissance du canal adjacent • Calcul de l’ACPR = f(a1, a3, A, N)

  40. Les Non-Linéarités, l’ACPR et le N_ACPR • Adjacent Channel Power Ratio (ACPR) : N quelconque • Validation par simulation du modèle théorique : les deux résultats sont identiques

  41. Les Non-Linéarités, l’ACPR et le N_ACPR • Adjacent Channel Power Ratio (ACPR) : N quelconque • Formule d’inversion pour un ACPR donné  Déduction du rapport |a1/a3|  Possibilité de limiter le choix parmi différents dispositifs (par ex. amplificateurs de puissance)

  42. Les Non-Linéarités, l’ACPR et le N_ACPR • Le Nouveau Adjacent Channel Power Ratio (N_ACPR) • La puissance du canal principal ne tient pas en compte les IMn qui peuvent devenir prépondérants sur le signal utile  Le N_ACPR caractérise la remontée spectrale réelle

  43. Les Non-Linéarités, l’ACPR et le N_ACPR • Le Nouveau Adjacent Channel Power Ratio (N_ACPR) • Calcul du N_ACPR = f(a1, a3, A, N) N = 2N quelconque • Validation par simulation du modèle théorique : les deux résultats sont identiques • Formule d’inversion

  44. =0dB N=256 =1dB N=512 =3dB N=1000 Les Non-Linéarités, l’ACPR et le N_ACPR • Comparaison entre ACPR et N_ACPR • Pour N  256  ACPR = N_ACPR • N_ACPR > ACPR pour N qui croit  Il prend mieux en compte la remontée spectrale due aux IMn =N_ACPR-ACPR

  45. Plan • Contexte et Problématique • L’OFDM • Principe, avantages et inconvénients • Les Fluctuations d’Enveloppe et le PAPR • Les Non-Linéarités • L’ACPR et le N_ACPR • Rappels sur les Méthodes de Réduction du PAPR • L’Écrêtage Classique plus Filtrage • L’Écrêtage Inversible • Performances de la Chaîne de Transmission • Comparaison Écrêtage Classique et Inversible • Résultats Finaux • Conclusions et Perspectives

  46. Rappels sur les Méthodes de Réduction du PAPR • Il existe différentes techniques : • Selective Mapping • Codage Reed-Muller • Tone Reservation • Écrêtage (Classique) plus Filtrage

  47. Rappels sur les Méthodes de Réduction du PAPR • Il existe différentes techniques : • Selective Mapping : • Codage Reed-Muller • Tone Reservation • Écrêtage (Classique) plus Filtrage Choix du mapping à PAPR plus faible

  48. Rappels sur les Méthodes de Réduction du PAPR • Il existe différentes techniques : • Selective Mapping : • Codage Reed-Muller : • Tone Reservation • Écrêtage (Classique) plus Filtrage Choix du mapping à PAPR plus faible Utilisation du codage pour fixer le PAPR à 3 dB

  49. Rappels sur les Méthodes de Réduction du PAPR • Il existe différentes techniques : • Selective Mapping : • Codage Reed-Muller : • Tone Reservation : • Écrêtage (Classique) plus Filtrage Choix du mapping à PAPR plus faible Utilisation du codage pour fixer le PAPR à 3 dB Ajout de signal afin de diminuer son PAPR

  50. Rappels sur les Méthodes de Réduction du PAPR • Il existe différentes techniques : • Selective Mapping : • Codage Reed-Muller : • Tone Reservation : • Écrêtage (Classique) plus Filtrage : Choix du mapping à PAPR plus faible Utilisation du codage pour fixer le PAPR à 3 dB Ajout de signal afin de diminuer son PAPR Saturation du signal

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