Contribution to the study of the impact of nonlinearities on telecommunications systems

Abstract

Esta tese insere-se na área de Electrónica de Rádio Frequência e Microondas e visa o desenvolvimento de ferramentas que permitam a melhor compreensão e análise do impacto da distorção não linear produzida em amplificadores de potência no desempenho de um sistema de telecomunicações sem fios. Devido à crescente complexidade dos amplificadores a simulação baseada em representações de circuito equivalente tornou-se extremamente pesada do ponto de vista computacional. Assim têm surgido várias técnicas de simulação de sistemas baseadas em modelos comportamentais, ou seja, que tentam aproximar a resposta do sistema a um sinal de entrada, independentemente dos elementos físicos que implementam o circuito. Neste trabalho foram estudadas as principais técnicas de modelação comportamental existentes assim como as principais características de um amplificador de potência que o modelo comportamental deve ser capaz de prever. Uma nova formulação de um modelo comportamental baseado na série de Volterra é apresentada em conjunto com o método de extracção ortogonal dos seus coeficientes. A principal vantagem deste novo método de extracção é permitir a determinação independente de cada valor coeficiente na série, garantindo-se deste modo um modelo com uma capacidade de aproximação óptima. A determinação dos coeficientes na série de modo independente é conseguida com base na reorganização dos termos da série e na identificação ortogonal de cada componente de saída. Adicionalmente, a identificação das componentes de saída de uma não linearidade é ainda utilizada na definição de uma métrica que permite avaliar de modo simples qual é a degradação imposta à qualidade do sinal ao ser passado num amplificador não linear. Esta métrica contabiliza simultaneamente a degradação imposta pelo ruído e pela distorção.

This thesis is related to the RF and Microwave Electronics field and the main goal of this thesis is to develop tools that can contribute to understand and analyse the impact of nonlinear distortion generated by power amplifiers on wireless communication systems. Due to the growing complexity of amplifiers, equivalent circuit based simulations become a heavy computational task due to the large number of nonlinear elements to account for. So, several system simulation techniques have been proposed based on behavioural modelling, that is, models that can approximate the system’s response to a given input signal regardless of the physical circuit implementation description. In this thesis, the most important behavioural modelling techniques have been studied as well as the main power amplifier characteristics that the behavioural model should account for. A new formulation of a Volterra series based behavioural model is presented as well as the corresponding coefficient orthogonal extraction procedure. The main advantage of this new extraction method is to allow the independent determination of the exact value of each coefficient, guaranteeing this way an optimum approximation condition. The exact coefficient determination is achieved by reorganizing the series terms to reach independent subsets and by identifying separately each of systems’ output components. In addition, nonlinearity output component separation is also used to define a Figure of Merit that allows the simple evaluation of signal quality degradation when passed through a nonlinear amplifier. This Figure takes into account simultaneously the impact of noise and distortion.