Evaluation analytique des distorsions in-band et out-of-band de signaux à porteuses multiples en présence d'amplification non-linéaire et en prenant en compte différentes techniques de réduction de la dynamique des signaux

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Evaluation analytique des distorsions in-band et out-of-band de signaux à porteuses multiples en présence d'amplification non-linéaire et en prenant en compte différentes techniques de réduction de la dynamique des signaux

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ABSTRACT

Multicarrier modulations, widely deployed in most wireless communication systems, are characterized by a very high dynamic range of the transmitted signal, measured by the Peak to Average Power Ratio (PAPR). PAPR reduction techniques can be implemented in order to reduce this dynamic range and thus be able to use the non-linear amplifier at an operating point leading to better energy efficiency. However, non-linear amplification results in in-band distortions measured by the Error Vector Magnitude (EVM) and out-of-band distortions measured by Adjacent Channel Power Ratio (ACPR). The main objective of this thesis will be to analytically evaluate these in-band and out-of-band distortions of multicarrier signals by taking into account different PAPR reduction techniques. A previous work has already been carried out by our research team but with only simple clipping reduction PAPR techniques. Within this thesis, the novelty will be to generalize this approach by first analyzing the statistics of the signals after the implementation of more advanced PAPR reduction techniques taking into account pre-distortion techniques. Then in-band and out-of-band distortions will be analytically evaluated according to the characteristics of the power amplifier with or without memory effect and compared to simulation results. Besides, particular attention will be paid to the link and relative evolution of in-band and out-of-band distortions. Finally, the study will be extended to the candidate filtered multicarrier waveforms for the 5^th generation of cellular networks. It is worthwhile to note that these proposed theoretical analyses will be very useful for optimizing future transmitter efficiency and linearity of the power amplifier in the field of broadcasting applications for the deployment of DVB-T2 and ATSC3.0 transmitters as well as for LTE and future cellular networks.

DESCRIPTION DETAILLEE

Contexte

Les techniques multiporteuses de type OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex) sont aujourd’hui largement déployées dans tous les systèmes de communication sans fils notamment dans les réseaux cellulaires de 4^ème génération (LTE et LTE Advanced), les réseaux de diffusion de la télévision numérique (DVB-T, DVB-T2, ATSC3.0…) ou encore les réseaux WiFi. Cependant, un inconvénient des modulations multiporteuses est qu’elles se caractérisent par une très grande dynamique du signal transmis qui est mesurée par le rapport de la puissance crête sur la puissance moyenne ou Peak to Average Power Ratio (PAPR). Lors de l’amplification de puissance de ces signaux par des amplificateurs qui sont par essence non linéaires, cette grande dynamique du signal nécessite d’utiliser un certain recul ou Input Back-Off (IBO) par rapport au niveau de saturation de l’amplificateur afin de limiter les distorsions générées dans la bande (in-band distortions) et en dehors de la bande (out-of-band distortions). Ceci a alors pour conséquence que le point de fonctionnement utilisé conduit à une efficacité énergétique représentée par le rapport entre la puissance du signal généré et la puissance consommée qui est d’autant plus faible que le recul est élevé. Des techniques de pré-distorsion peuvent alors être mises en œuvre pour chercher à compenser les non-linéarités de l’amplificateur de puissance et ainsi arriver à obtenir un meilleur compromis entre l’efficacité énergétique et les distorsions du signal amplifié. De même, des techniques de réduction du PAPR du signal à porteuses multiples, telles que les solutions du type Tone Reservation, peuvent être appliquées au signal avant amplification afin de réduire sa dynamique et pouvoir utiliser un recul plus faible.

Cette problématique de l’optimisation de l’efficacité énergétique des amplificateurs de puissance est aujourd’hui d’une grande actualité. En effet, l’amplificateur de puissance joue un rôle clé dans l’efficacité énergétique de l’ensemble de la chaîne de transmission. A titre d’exemple, l’amplificateur de puissance représente à pleine charge 55 à 60 % de la consommation d’énergie d’une station de base LTE pour des macrocellules.
Description

L’approche développée durant cette thèse a pour objectif d’étudier une solution intelligente pour les implémentations futures des chaînes d’émission pour contrôler la réduction du PAPR du signal à porteuses multiples et les étapes de linéarisation de manière flexible en fonction de certains paramètres prédéfinis afin qu'ils deviennent adaptatifs et auto-configurables. Plus précisément, le travail mené devra principalement porter sur l’analyse des différentes distorsions d’un signal à porteuses multiples de type OFDM dans un premier temps dans la bande (in-band distortions) mesurées par l’EVM ou Error Vector Magnitude et en dehors de la bande de transmission (out-of-band distortions) mesurées par l’ACPR ou Adjacent Channel Power Ratio.

L’objectif sera d’évaluer analytiquement l’EVM en fonction des caractéristiques de l’amplification non-linéaire, modélisée par un modèle de Rapp ou un modèle polynomial. De même, des techniques de pré-distorsion et des techniques de réduction du PAPR seront mises en œuvre et prises en compte dans cette évaluation analytique. Un premier travail a déjà été réalisé au sein du laboratoire qui a permis d’établir des expressions analytiques de l’EVM en prenant en compte uniquement des techniques de clipping pour réduire la dynamique du signal. Cette approche devra être généralisée à tout type de techniques de réduction du PAPR, en particulier prendre en compte les techniques les plus efficaces comme les solutions de type Tone Reservation, qui sont aujourd’hui retenues dans le cadre d’un certain nombre de standards de diffusion comme DVB-T2 ou l’ATSC3.0. En outre, les effets mémoires de l’amplificateur ainsi que les techniques de pré-distorsion seront également intégrées dans cette analyse.

Plus précisément, l’approche proposée reposera donc sur une analyse préalable de la statistique du signal à porteuses multiples obtenue avec et sans mise en œuvre de la technique de réduction du PAPR, avec ou sans pré-distorsion, afin d’être capable dans un second temps de la modéliser dans les calculs analytiques. Les différents résultats théoriques obtenus seront ensuite confrontés aux résultats de simulation dans les différentes configurations.

De même, une étude des distorsions en dehors de la bande (out-of-band distortions) mesurées par l’ACPR sera menée. L’objectif sera ici de déterminer des expressions analytiques de l’ACPR dans le cas de signaux de type OFDM dans les différentes configurations, notamment en prenant en compte les effets mémoires de l’amplificateur, les techniques de réduction du PAPR ainsi que les techniques de pré-distorsion.

Un accent tout particulier sera porté sur l’analyse du lien et de l’évolution relative des distorsions dans la bande mesurées par l’EVM et en dehors de la bande mesurées par l’ACPR. Dans les différentes configurations, l’objectif est de mieux comprendre comment ces distorsions évoluent, où se situent les contraintes les plus fortes afin de proposer les meilleures solutions pour optimiser de façon flexible l’ensemble de la chaîne de transmission.

Enfin, cette étude de l’évaluation analytique des distorsions in-band et out-of-band sera étendue dans un second temps aux principales formes d’ondes candidates pour la 5^ème génération de réseaux cellulaires telles que les modulations à porteuses multiples de type Filter-Bank Multi-Carrier (FBMC), Generalized Frequency Division Multiplex (GFDM) ou encore Universal Filter Mult-Carrier (UFMC). Là aussi, une approche visant à optimiser l’efficacité énergétique de l’ensemble de la chaîne de transmission en s’appuyant sur une adaptation des paramètres à partir de l’évaluation analytique des différentes distorsions sera développée pour les formes d’ondes apparaissant comme les plus prometteuses pour les futurs réseaux cellulaires.

Les nombreux résultats obtenus devraient à terme permettre de choisir de façon optimale le point de fonctionnement d’un amplificateur de puissance en fonction des contraintes imposées pour les distorsions in-band et out-of-band. Ce travail constitue ainsi une étape importante dans l’optimisation globale de la complexité, de la linéarité et de l’efficacité énergétique des émetteurs aussi bien pour la diffusion de la télévision numérique que pour les réseaux cellulaires de 4^ème génération (LTE) et pour les futurs réseaux de 5^ème génération.

Déroulement du travail

Le travail réalisé durant cette thèse s'appuiera sur deux autres thèses menées au sein du laboratoire traitant d’une part de l’évaluation analytique des distorsions en prenant en compte uniquement des techniques simples de clipping pour réduire la dynamique du signal et d’autre part portant sur l’optimisation de techniques plus optimisées de type Tone Reservation pour réduire le PAPR. Une première phase d'imprégnation de ces études sera nécessaire en parallèle d'une recherche bibliographique fouillée sur ce thème de l’optimisation énergétique d’une chaîne de transmission. Durant cette première année de thèse, une analyse statistique du signal OFDM après mise en œuvre de techniques optimisées de réduction du PAPR sera menée afin dans un second temps de la modéliser pour l’intégrer dans les calculs analytiques de l’EVM dans les différentes configurations.

La deuxième année de thèse sera consacrée à la généralisation de cette approche et à son extension pour évaluer analytiquement les distorsions out-of-band mesurées par l’ACPR. De même durant cette seconde année, le travail d’analyse du lien entre les deux types de distorsions in-band et out-of-band sera mené dans les différentes configurations. Cette phase pourra se prolonger en troisième année en fonction de la variété des problèmes à traiter. Elle devra conduire à un certain nombre de résultats analytiques valorisables en publications revues.

Enfin, la dernière année sera principalement consacrée à l’extension de cette approche au cas de nouvelles formes d’ondes et notamment à leur application aux signaux candidats pour la 5^ème génération de réseaux cellulaires.

En fonction des opportunités de collaboration académique et industrielle de l'équipe de recherche, le travail de thèse pourra faire l'objet de contributions au sein de projets ou groupes de travail nationaux ou européens et notamment au sein du projet FUI Convergence TV sous la forme de présentations techniques ou de rédactions de livrables. Par ailleurs, la publication des résultats obtenus durant la thèse dans les conférences et revues internationales les plus renommées sera fortement encouragée.

Compétences requises :

Bases solides en traitement du signal et en communications numériques. Traitements statistique. Programmation en langage C et en Matlab.

Contacts:

Jean-François Hélard, co-directeur de thèse, Professeur à l'INSA de Rennes, France

e-mail : [e-mail]

Matthieu Crussière, co-encadrant, Maître de Conférences à l'INSA de Rennes, France.

e-mail : matthieu.crussiere @insa-rennes.fr

Oussama Bazzi, co-directeur de thèse, Professeur à l’Université Libanaise, Beyrouth, Liban

e-mail : [e-mail]

Youssef Nasser, co-encadrant, Enseignant-Chercheur à l’Université Américaine de Beyrouth, Liban

e-mail : [e-mail]