Técnica de redução de fator de crista saturada aplicada a amplificadores de potência linearizados por DPD
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| Data de Publicação: | 2019 |
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Alvarado, Carlos Ernesto Morales, 1982-Universidade Federal do Paraná. Setor de Tecnologia. Programa de Pós-Graduação em Engenharia ElétricaLima, Eduardo Gonçalves de, 1980-2021-05-26T21:17:45Z2021-05-26T21:17:45Z2019https://hdl.handle.net/1884/63386Orientador: Prof. Dr. Eduardo Gonçalves de LimaDissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica. Defesa : Curitiba, 31/05/2019Inclui referências: p.63-65Área de concentração: TelecomunicaçõesResumo: Os sistemas modernos de comunicação oferecem uma alta capacidade de troca de informação, com taxas de transferências de dados cada vez maiores, entre um número quase ilimitado de usuários que têm fácil acesso a tecnologias da internet e de comunicação sem fio. Estes sistemas são compostos por um elemento transmissor e um elemento receptor, que interagem para garantir uma comunicação eficaz entre os usuários de uma rede. Os amplificadores de potência (PAs) são componentes essenciais no desempenho geral e no rendimento dos sistemas de comunicação, mas são inerentemente não lineares. A não linearidade produz um espalhamento espectral, o que leva a interferências entre canais adjacentes, radiações no canal principal, ao não cumprimento dos padrões de emissões fora da banda que exige a legislação e a degradação da taxa de transferência de dados no sistema de comunicação. Para evitar a não linearidade o PA deve operar com uma potência abaixo de sua capacidade para se manter na região linear de sua curva de operação. Além disso, os novos esquemas de transmissão como por exemplo Wideband Code Division Multiple Access (WCDMA) e Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM, WLAN/ 3GPP LTE) apresentam um alto valor da razão de potência de pico pela potência média (PAPR) traduzido em altos valores de picos em seu sinal de envoltória complexa. Isto traz uma baixa eficiência e, portanto, um maior consumo energético do elemento transmissor, pois o PA é obrigado a operar bem abaixo de sua potência de saturação, que é o ponto de fornecimento máximo de potência, para poder lidar com as severas flutuações dos picos provocadas pela elevada PAPR. Para reduzir essa elevada PAPR existe muito interesse, na comunidade científica, em métodos baseados na redução de fator de crista (CFR) visto que são técnicas de fácil implementação e alta eficácia. Outro método de grande interesse é a combinação de CFR com pré-distorção digital (DPD) que tem demonstrado bons resultados na literatura. Este trabalho visa propor um método que reduza a PAPR na saída de um sistema de comunicação com o menor custo computacional, baseado em CFR composto por um limitador do tipo hard-clipping seguido da implementação de um filtro de resposta ao impulso finita (FIR) no domínio do tempo e um DPD ideal saturado. Outra abordagem é realizada através de uma CFR em combinação com um filtro no domínio da frequência que conecta um DPD ideal sempre em saturação. Por fim são realizadas otimizações não lineares que permitem extrair os parâmetros nos quais o sistema de comunicação apresenta maior potência média de saída e menor PAPR. Como resultado, obteve-se uma maior redução da PAPR com o método CFR saturado que utiliza um filtro no domínio da frequência de até 4,58 dB. Além disso, este método conseguiu uma melhoria na eficiência energética obtendo uma potência média na saída de até 5,96 dBm. Por outro lado, as métricas de linearidade reguladas pela norma 3GPP foram respeitadas, obtendo-se valores de 17,5 % para a magnitude do vetor de erro (EVM) e -45 dB para a razão das potências dos canais adjacentes (ACPR). Palavras-chave: CFR, Hard-clipping, DPD, Saturação, Linearidade, PAPR, Eficiência.Abstract: Modern communication systems offer a high capacity for information exchange, with ever-increasing rates of data transfers, among an almost unlimited number of users who have easy access to internet technologies and wireless communication. These systems are conformed by a transmitting element and a receiving element, which interact to ensure effective communication between the users of a network. Power amplifiers (PAs) are essential components in the overall performance of communication systems, but are inherently nonlinear. Non-linearity produces spectral regrowth, which leads to interference from adjacent channels, radiations in the main channel, noncompliance with the out-of-band emission standards required by legislation, and degradation of the data transfer rate in the communication system. In order to avoid nonlinearity the PA must operate with a power below its capacity to remain in the linear region of its operating curve. In addition the new transmission schemes such as Wideband Code Division Multiple Access (WCDMA) and Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM, WLAN / 3GPP LTE) have a high peak-to-average power ratio (PAPR) translated into high peak values in their complex envelope signal. This brings a low efficiency and therefore a higher energy consumption of the transmitter element, because the PA is required to operate well below its saturation power than the bridge of maximum power supply, to be able to deal with the severe fluctuations of the peaks caused by high PAPR. In order to reduce this high PAPR there is a lot of interest, in the scientific community, in methods based on Crest Factor Reduction (CFR), since these techniques are easy to implement and high efficient. Another method of great interest is the combination of CFR and Digital Pre-Distortion (DPD) which has demonstrated good results in the literature. This work aims to propose a method that is able to reduce the PAPR in the output of a communication system with the lowest computational cost, based on hard-clipping type CFR followed by the implementation of a standard Finite Impulse Response (FIR) filter in the time domain and a saturated ideal DPD. Another approach is accomplished through a CFR in combination with a frequency domain filter that connects an ideal DPD always in saturation. Finally, nonlinear optimizations are performed that allow to extract the parameters in which the communication system has higher average output power and lowering PAPR. As a result, a larger reduction of the PAPR was achieved with the saturated CFR method using a frequency domain filter of up to 4.58 dB. In addition, this method achieved an improvement in energy efficiency obtaining an average output power of up to 5.96 dBm. On the other hand, the linearity metrics regulated by the 3GPP standard were respected, obtaining values of 17.5% for error vector magnitude (EVM) and -45 dB for the adjacent channel power ratio (ACPR). Keywords: CFR, Hard-clipping, DPD, Saturation, Linearity, PAPR, Efficiency.65 p. : il.application/pdfSistemas de comunicação sem fioEngenharia ElétricaTécnica de redução de fator de crista saturada aplicada a amplificadores de potência linearizados por DPDinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisporreponame:Repositório Institucional da UFPRinstname:Universidade Federal do Paraná (UFPR)instacron:UFPRinfo:eu-repo/semantics/openAccessORIGINALR - D - CARLOS ERNESTO MORALES ALVARADO.pdfapplication/pdf2905262https://acervodigital.ufpr.br/bitstream/1884/63386/1/R%20-%20D%20-%20CARLOS%20ERNESTO%20MORALES%20ALVARADO.pdfe73a728722ca7ea3ab50f0b25e894bafMD51open access1884/633862021-05-26 18:17:45.899open accessoai:acervodigital.ufpr.br:1884/63386Repositório de PublicaçõesPUBhttp://acervodigital.ufpr.br/oai/requestopendoar:3082021-05-26T21:17:45Repositório Institucional da UFPR - Universidade Federal do Paraná (UFPR)false |
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