Atferdsmodellbasert digital før-forvregning av en RF effektforsterker

Abstract

Med en økning av trådløse enheter som kommuniserer med hverandre, øker behovet for å bruke det elektromagnetiske spektrumet mer effektivt. Dette leder til en bruk av lineære modulasjoner, som krever lineær forsterkning for a ikke miste lagret informasjon i signalet. Lineære RF effektforsterkere er dessverre ikke effektive i effektforbruket sitt, og spesielt ikke når de opererer i sitt lineære område. Her blir en lineæriseringsmetode som forvrenger signalet digitalt før det videre blir sendt gjennom forsterkeren brukt. Dette skal øke det lineære omradet til effektforsterkeren, som lar den operere på høgere inngangseffekter, og dermed øke det effektive effektforbruket. Forvrengingen av signalet blir gjort ved a modellere den inverse oppførselen til effektforsterkeren, slik at det forvrengte signalet komplementerer forvrengning-karakteristikken til effektforsterkeren. Dette vil forhåpentligvis øke lineæriteten til utgangssignalet til effektforsterkeren. Denne oppgava tar for seg digital før-forvrenging basert på tre forskjellige modeller basert på effektforsterker-atferd. Disse tre modellene er den modifiserte Saleh modellen, kompleks potensrekke og minne-polynom. Modellene er realisert i MATLAB, og forventet oppførsel er kalkulert med bruk av minneløs data, forventet oppførsel for minne-polynomet er derfor ikke regnet ut. Modellene som gav lovende resultater fra kalkulasjonene, i tillegg til minne-polynomet, er målt med en effektforsterker med minneeffekter. Modellene er testet med konstant drain-spenning, i tillegg til “envelope tracking” og “power envelope tracking”. Disse “tracking”-funksjonene er optimalisert for enten maksimum “power added efficiency”, eller for flat spenningsforsterkning. Modellene er målt på en effektforsterker med en 10W GaN HEMT fra Cree ved 2 GHz. For effektforsterkeren med konstant drain spenning er den modifiserte Saleh modellen, første- til tiendeorden kompleks potensrekke, og femteordens minne-polynom med ti forsinkelser målt. Effektforsterkeren som benytter seg av en “tracking”- ˚ funksjonen for flat spenningsforsterkning er målt med tredje- og åttendeordens komplekse potensrekke, i tillegg til femteordens minne-polynom med ti forsinkelser. For målingene der effektforsterkeren benytter seg av en “tracking”-funksjon for maksimum “power added efficiency” er bare tredje- og åttendeordens komplekse potensrekke testa. Metoden klarer a lineærisere effektforsterkeren der den har konstant drain-spenning eller en “tracking”-funksjon for flat spenningsforsterkning bra, men der “tracking”-funksjonen er optimalisert for maksimum “power added efficiency” svikter metodene. Det beste målte resultatet er med en kombinasjon av “envelope tracking” for flat spenningsforsterking med klipping når maksimum drain spenning er nådd, og åttendes orden kompleks potensrekke. Dette gav en målt “error vector magnitude” på 1.19 %, “adjacent channel power ratio” på 47.16 dB og 49.01 dB for nedre og øvre sideband, i tillegg til et signal til total forvrengning forhold på 38.37 dB med en målt “power added efficiency” på 66.5 %. Det er forbedringspotensial, spesielt med tanke på der effektforsterkeren benytter en “tracking”-funksjon for maksimum “power added efficiency”. I tillegg kan minne-polynomet forbedres og testes for flere ordner i tillegg til flere eller færre forsinkelser.

With more wireless devices communicating with each other, the need to use the electromagnetic spectrum more efficiently arises. This leads to the use of linear modulation schemes, which requires linear amplification to not lose information stored in the signal. Linear RF power amplifiers, however, are not power-efficient, especially not when driven in its linear region. Here, a linearization technique that distorts the signal digitally before it is being sent through the power amplifier is used, thus digital predistortion. This helps to increase the linear region of the power amplifier, allowing it to operate at a higher input power, which in turn will increase the efficiency. The digital predistortion is done by modeling the inverse of the power amplifier's behavior so that the distorted signal complements the distortion characteristics in the power amplifier. This will hopefully linearize the output of the power amplifier. This thesis provides digital predistortion based on three different power amplifier behavior models, the modifier Saleh model, the complex power series, and the memory polynomial model. This is done in MATLAB, and the expected response is calculated on memoryless data, the expected response is not calculated for the memory polynomial since the data is memoryless. The models that showed promising results, in addition to the memory polynomial, is measured on a power amplifier with memory. In addition to constant drain voltage, it is attempted to combine digital predistortion with envelope tracking and power envelope tracking optimized for both maximum power-added efficiency and flat gain. The models are measured on a power amplifier with a 10 W GaN HEMT from Cree at 2 GHz. The constant drain voltage is tested with a modified Saleh model, first- to tenth-order complex power series, and a fifth-order memory polynomial with ten taps. The tracking functions for maximum power-added efficiency is tested for third- and eighth-order complex power series and the tracking functions for flat gain is measured with third- and eighth-order complex power series in addition to the fifth-order memory polynomial with ten taps. The technique manages to linearize the constant drain voltage and tracking schemes for flat gain well, however, the tracking functions for maximum power-added efficiency is not significantly linearized. The best measured result was when the power amplifier utilized both an eighth-order complex power series and envelope tracking where the tracking voltage was clipped at maximum drain voltage for the transistor. This yielded an error vector magnitude of 1.19 %, an adjacent channel power ratio of 47.16 dB and 49.01 dB in lower and upper channel respectively, and a signal to total distortion ratio of 38.37 dB with a measured power added efficiency at 66.5 %. There is room for improvement, especially in the case of digital predistortion with a tracking function for maximum power-added efficiency. As well as the memory polynomial model could be enhanced and tested for different orders and number of taps.