Modeling and digital predistortion of wireless radio frequency transmitters

Abstract

Nos atuais sistemas de telecomunicações, os transmissores de rádio-frequência são desenvolvidos tendo maioritariamente em conta a eficiência da conversão da potência fornecida da fonte em potência de rádio-frequência. Este tipo de desenho resulta em amplificadores de potência com características de transmissão não-lineares, que distorcem severamente o envelope de informação no processo de amplificação, gerando distorção fora da banda. Para corrigir este problema utiliza-se um processo de compensação não linear, sendo que a pré-distorção digital se tem favorecido pela sua flexibilidade e precisão. Este método é tipicamente aplicado de uma forma cega, por força bruta até se obter a compensação desejada. No entanto, quando o método se mostra ineficaz, como se verificou em amplificadores de potência baseados em transístores de nitreto de gálio, é difícil saber o que modificar nos sistemas para os tornar de novo úteis. De forma a compreender e desenhar sistemas de pré-distorção digital robustos é necessário, por um lado, perceber o comportamento dos amplificadores de rádio-frequência, por outro, perceber as limitações e relações entre os modelos digitais e o comportamento real do amplificador. Nesse sentido, esta tese explora e descreve estas relações de forma a suportar a escolha de modelos de pré-distorção, desenvolve novos modelos baseados no comportamento dos transístores, e propõe métodos de caracterização para os amplificadores de RF.

In current telecommunication systems, the main concern when developing the radio frequency transmitter is power efficiency. This type of design generally leads to a highly nonlinear transmission characteristic, mainly due to the radio frequency power amplifier. This nonlinear transmission severely distorts the information envelope, leading to spectral regrowth, out-of-band distortion. To correct this problem a nonlinear compensation process is employed. For this application, digital predistortion is generally favored for its flexibility and accuracy. Digital predistortion is mostly applied in a blind manner, using brute force until the desired compensation is achieved. Because of this, when the method fails, as it has in gallium nitride based power amplifiers, it is difficult to modify the system to achieve the desired results. To understand and design robust predistortion systems, it is both necessary to have knowledge of the power amplifiers’ behavior, on one hand, and understand the limitations and relations between the digital models and these behaviors, on the other. To do this, this thesis explores and describes these relationships, granting support to the digital predistortion model choice, it further develops new predistortion models based on the physics of the transistors’ behaviors, and it proposes methods for the characterization of radio frequency power amplifiers.