Evaluation analytique des distorsions 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

Analytical evaluation of multi-carrier signals distortions in the presence of non-linear amplification and considering different techniques of PAPR reduction

• Auteur / Autrice : Mariam El Hassan
• Direction : Jean-François Hélard, Oussama Bazzi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Télécommunications
• Date : Soutenance le 06/04/2021
• Etablissement(s) : Rennes, INSA en cotutelle avec Université Libanaise
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques et sciences et technologies de l'information et de la communication (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d'Électronique et de Télécommunications (Rennes)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Marie Gorce
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-François Hélard, Oussama Bazzi, Jean-Marie Gorce, Daniel Roviras, Jean-Pierre Cances, Lina Mroueh, Youssef Nasser, Matthieu Crussière
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Daniel Roviras, Jean-Pierre Cances

Mots clés

Mots clés contrôlés

Taux de distorsion, Théorie du

Calcul d'erreur

Amplificateurs de puissance

Multiplexage par répartition orthogonale de la fréquence

Mots clés libres

Modulations OFDM

Amplificateur de puissance

EVM

Tone Reservation

Evaluation analytique

Algorithme QCQP

Algorithme du gradient

Algorithme GICMP

OFDM modulations

Power amplifier

EVM

Tone Reservation

PAPR reduction

Résumé

Les techniques multi-porteuses de type OFDM, largement déployées dans les systèmes de communication sans fils, se caractérisent par une grande dynamique du signal transmis qui est mesurée par le rapport de la puissance crête sur la puissance moyenne ou PAPR. Lors de l’amplification de ces signaux par des amplificateurs de puissance qui sont par essence non linéaires, cette 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 (mesurées par l’EVM) et en dehors de la bande du signal. Ceci conduit à une efficacité énergétique qui est d’autant plus faible que ce recul est élevé. Plusieurs techniques de réduction de PAPR ont été proposées dans la littérature pouvant être appliquées au signal avant amplification pour réduire sa dynamique, telles que la technique Tone Reservation (TR) retenue dans le standard DVB-T2. Cependant, malgré le grand nombre d’algorithmes de réduction du PAPR proposés dans la littérature, l’évaluation analytique de leurs performances n’a pas été suffisamment étudiée. Dans ce contexte, cette thèse vise à évaluer analytiquement les performances des stratégies de réduction du PAPR basées sur la technique TR, et ce, essentiellement par l’évaluation de l’expression de l’EVM du signal OFDM amplifié en appliquant de telles techniques. Ces résultats sont d'un grand intérêt afin de prévoir les gains en efficacité obtenus grâce à la technique TR et l'expression analytique de l'EVM permet de déterminer précisément les paramètres optimaux de la technique sélectionnée en considérant l'optimisation globale de la chaîne de transmission.

OFDM multi-carrier modulations widely used in today’s wireless communication systems are characterized by a high dynamic range of the transmitted signal power measured by the Peak to Average Power Ratio (PAPR). At the amplification stage, the power amplifiers are usually characterized by a non-linear response, and thus the high PAPR of the OFDM signal requires the use a certain Input Power Back-off (IBO) relatively to the saturation level of the power amplifier. The role of this IBO is to limit the distortions generated in-band (measured by the EVM metric) and out-of-band of the signal due to the amplifier non-linearities. This leads to an energy efficiency that is as low as the IBO is high. Several PAPR reduction techniques have been proposed in the literature that can be applied to the signal before amplification to reduce its technique retained in standards like DVB-T2 and ATSC3.0. However, despite the large number of PAPR reduction algorithms proposed in the literature, the analytical evaluation of their performance has not been sufficiently studied. In this context, this thesis aims to analytically evaluate the performance of PAPR reduction strategies based on the TR technique, essentially by evaluating the EVM expression of the amplified OFDM signal while applying such techniques. These results are of high interest in order to predict the efficiency gains obtained using the TR technique. Moreover, the analytical expression of the EVM makes helps to precisely determine the optimal parameters of the selected technique by considering the overall optimization of the transmission chain.