Etude et Robustesse de la Modulation Multiporteuses en Banc de Filtres : FBMC

Study and Robustness of Filter Bank Multicarrier Modulation : FBMC

• Auteur / Autrice : Agathe Valette
• Direction : Myriam Ariaudo, Inbar Fijalkow
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : STIC (sciences et technologies de l'information et de la communication) - ED SI
• Date : Soutenance le 09/01/2017
• Etablissement(s) : Cergy-Pontoise
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie (Cergy-Pontoise, Val d'Oise)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Equipes Traitement de l'Information et Systèmes (Cergy-Pontoise, Val d'Oise)
• Jury : Président / Présidente : Daniel Roviras
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Myriam Ariaudo, Inbar Fijalkow, Jean-Baptiste Doré
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Geneviève Baudoin, Yves Louët, Sylvain Traverso

Mots clés

Mots clés libres

Fbmc

Robustesse

Non-Linéarité

Fbmc/oqam

Fbmc

Robustness

Non-Linearities

Fbmc/oqam

Résumé

Les systèmes multi-porteuses sont utilisés depuis longtemps, et dans de nombreux standards de communication tels qu'ADSL, DVB-T, WiMax et LTE.la modulation OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) est aujourd'hui la technologie dominante. Cependant, l'innovation qu'est l'agrégation de spectres permet aux systèmes de communication de mieux exploiter le spectre radio, aujourd'hui rare, cher et sous-utilisé.Les futures communications 5G devront trouver le moyen d'exploiter ce spectre fragmenté de manière aussi flexible que possible.Le standard PMR (Private Mobile Radio) fait face aux mêmes problèmes vis-à-vis de l'introduction de services large bande dans un spectre déja surchargé.Ces problématiques nécessitent des formes d'onde dont l'occupation spectrale est presque parfaite, afin de limiter au possible les bandes de garde entre différents utilisateurs. L'occupation spectrale d'OFDM n'est tout simplement pas assez bonne pour satisfaire ces impératifs. Parmi les nouvelles formes d'onde prises en considération dans ce cadre, les systèmes FBMC/OQAM (Filter Bank Multicarrier/Offset QAM) sont conçus de manière à fournir une bien meilleure occupation spectrale que les systèmes OFDM, avec un débit optimal, et sans le besoin d'ajouter un préfixe cyclique.Cependant, un des grands inconvénients des systèmes multi-porteuses tels qu'OFDM ou FBMC/OQAM est leur enveloppe non-constante. Les signaux générés présentent de nombreux pics de puissance élevée qui apparaissent quand les sous-porteuses modulées indépendamment puis sommées sont en phase les unes avec les autres.Cela fait que les signaux multi-porteuses sont très sensibles aux non-linéarités des composants électroniques des systèmes de communication, et tout particulièrement à celles de l'amplificateur de puissance (PA) à l'émission. Ces non-linéarités génèrent des distorsions en dedans et en dehors de la bande utile, ce qui crée des remontées spectrales qui viennent dégrader l'occupation spectrale des signaux.Le but de cette thèse est d'évaluer l'impact que le PA peut avoir sur les performances spectrales du signal FBMC/OQAM, et de réduire la sensibilité de la forme d'ondes à ces non-linéarités.Nous basons nos travaux sur des simulations Matlab et des mesures expérimentales, en utilisant le signal OFDM comme référence.Nous commençons par confirmer que le signal FBMC/OQAM a de meilleures performances spectrales que le signal OFDM. Puis nous quantifions l'effet des non-linéarités de l'amplificateur sur les deux signaux.Ensuite, nous proposons une méthode améliorée de contrôle de la dynamique de l'enveloppe du signal, basée sur une technique de précodage, qui a pour but de réduire la sensibilité du signal FBMC/OQAM aux non-linéarités, pour un coût de complexité modeste.Nous étudions les différents paramètres de cette méthode pour en déduire le paramétrage optimal.Enfin, nous présentons des simulations et des mesures de la capacité de cette méthode à réduire les remontées spectrales en dedans et en dehors de la bande utile quand le signal FBMC/OQAM subit les non-linéarités du PA.

Multi-carrier systems are well established in many different communication standards such as ADSL, DVB-T, WiMax, and LTE.The dominant technology for broadband communications today is OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing).However the introduction of frequency bands aggregation is allowing systems to deal with a spectrum that is scarce, expensive and underutilized.Future 5G communications must find a way to exploit this fragmented spectrum as flexibly as possible.Similar problems are present also for introducing future broadband PMR (Private Mobile Radio) standards in the already crowded PMR spectrum.This requires waveforms with almost perfect spectrum occupation in order to limit the guard frequency band between users.OFDM's spectral occupation is not good enough to fulfill these requirements.Among the considered waveform approaches, FBMC/OQAM (Filter Bank Multicarrier/Offset QAM) systems are designed to provide a much better spectral occupation than OFDM systems, with optimal data rate, and no need for a cyclic prefix.However, a major disadvantage of a multi-carrier system such as OFDM or FBMC/OQAM is the resulting non constant envelope with numerous high power peaks that appear when the independently modulated sub-carriers are added coherently.This results in a high sensitivity to the non-linearities of electronic components, especially to the PA (Power Amplifier).PA non-linearities generate distortions in-band and out-of band, creating spectral regrowth which degrades the spectral occupation of the signals at the transmitter.The aim of this thesis is to evaluate the impact of the PA on the FBMC/OQAM signal's spectral performances, and to reduce the waveform's sensitivity to those non-linearities.Through simulations and experimental measurements, using the OFDM signal as a basis for comparison, we first confirm FBMC/OQAM's better spectral occupation than OFDM, and then quantify the effect of the PA non-linearities on the FBMC/OQAM an OFDM signals.We then propose an improved precoding method for dynamic envelope control, which aims to reduce the FBMC/OQAM signal's sensitivity to PA non-linearities with limited additional complexity. We study the various parameters in order to provide the optimal parameter choice.Finally, we present simulations and measurements of the method's ability to reduce spectral regrowth in and out of band when the FBMC/OQAM signal is subjected to the PA nonlinearities.