Hinweis zum Urheberrecht
Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus-35168
URL: http://www.opus.ub.uni-erlangen.de/opus/volltexte/2012/3516/
Contributions to Digital Predistortion of Radio-Frequency Power Amplifiers for Wireless Applications
Ansätze zu digitaler Vorverzerrung von Funkfrequenz-Leistungsverstärkern für drahtlose Anwendungen
Yu, Xin
| SWD-Schlagwörter: |
| Vorverzerrung , Mathematische Modellierung , Linearverstärker , Leistungsverstärker |
| Freie Schlagwörter (Deutsch): |
| Linearisierung , |
| Freie Schlagwörter (Englisch): |
| Predistortion , Digital Predistortion , Power Amplifier Modelling , Envelope Tracking |
| Fakultät: |
| Technische Fakultät |
| DDC-Sachgruppe: |
| Ingenieurwissenschaften |
| Dokumentart: |
| Dissertation |
| Hauptberichter: |
| Fischer, Georg (Prof. Dr.-Ing.) |
| Sprache: |
| Englisch |
| Tag der mündlichen Prüfung: |
| 19.07.2012 |
| Erstellungsjahr: |
| 2012 |
| Publikationsdatum: |
| 24.09.2012 |
| Kurzfassung in Deutsch: |
| Ohne drahtlose Kommunikation wurde unsere alltägliches Leben ganz anderes aussehen. Die Mobilität von Zugang zur drahtlosen Netzwerken jederzeit und überall beeinflusst unser alltägliches Leben in jeder Hinsicht. Darüber hinaus steigt der Wunsch nach schnellen und robusten drahtlosen Kommunikationsnetzen stetig an. Eine der Schlüsselkomponenten sowohl für End-Geräte als auch für Basisstationen ist der Leistungsverstärker, welcher die Leistung des Sendesignals verstärkt. Damit kommt das Sendesignal über Dutzende von Kilometern an den Benutzern an. Aber der Leistungsverstärker weist starke Nichtlinearitäten auf, wenn der Leistungsverstärker in einem relativ effizienten Arbeitspunkt arbeitet. Das führt nicht nur zu einer steigenden Bitfehlerrate bei der Datenübertragung, sondern auch zu starken Störungen der Nachbarkanäle. Deswegen dürfen solche Signale gar nicht abgestrahlt werden. Wenn der Leistungsverstärker nur im klassischen linearen Bereich betrieben würde, würden zwar die Spezifikationen von den Behörden oder International Telekommunikationsgemeinschaften erfüllt, aber in diesem Fall reduziert sich wieder der Wirkungsgrad.
Heutzutage erlebt das Thema „Klimaschutz” aktuell eine verständliche und überfällige Aufmerksamkeit in der Öffentlichkeit. Den starken Energieverlust bei Leistungsverstärkern kann man nicht weiter in Kauf nehmen. Eine gefragte Technik um den Wirkungsgrad des Leistungsverstärkers zu erhöhen und gleichzeitig die Nichtlinearitäten des Leistungsverstärkers zu kompensieren ist die Linearisierungstechnik. Damit lässt sich der Leistungsverstärker nicht nur im nichtlinearen Bereich betreiben um die Verlustleistung zu reduzieren, sondern es können auch die Anforderungen von Behörden order Internationalen Telekommunikationsgemeinschaften an das Sendsignal eingehalten werden. Digitale Vorverzerrung ist bekannt als eine sehr effiziente und wirkungsvolle Linearisierungstechnik wegen ihrem hervorragenden Gesamtwirkungsgrad und relativ geringem Implementierensaufwand. Die Digitale Vorverzerrung ist eine Art von digitaler Signalverarbeitung und prozessiert die Signale im digitalen Basisband. Die vom Leistungsverstärker herrührenden Nichtlinearitäten lassen sich mit Hilfe der digitalen Vorverzerrung sehr gut kompensieren.
In Rahmen dieser Arbeit wurden digitale Vorverzerrungsverfahren für Mobilfunk-Leistungsverstärker untersucht, bezüglich Systemstabilität, Rechenaufwand und Anpassungsflexibilität. Neue Berechnungsmethoden wurden entwickelt, um gleichzeitig die Systemstabilität zu erhöhen und die Komplexität zu reduzieren. Außerdem, bei unterschiedlichen Last-Situationen ändern sich entsprechend auch die Eigenschaften der Sendesignale. Deswegen wird der Übergang bei schnellen Lastwechseln auch in dieser Arbeit studiert und es wurden neu Verfahren entwickelt, um diese Problem zu adressieren. Zusätzlich werden ständig innovativen Ideen für höheren Wirkungsgrad im Entwurf von Leistungsverstärker angewendet, z.B. die Technik der Nachführung der Einhüllenden ist ein bekanntes Leistungsverstärkerkonzept mit sehr hohem Wirkungsgrad. Neben den Nichtlinearitäten des Leistungsverstärkers taucht auch das Problem von zeitlichem Versatz zwischen dem RF Eingangssignal und der von der Einhüllenden konzipierten Versorgungsspannung im Einhüllenden-Nachführ-System auf. Um den zeitlichen Versatz zu kompensieren, wurden spezielle Analysen und Kompensierensverfahren ebenfalls in der Arbeit entwickelt.
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| Kurzfassung in Englisch: |
| Our daily lives would look completely different without wireless communication. The mobility of access to wireless networks anytime and anywhere has a direct impact on our daily lives nearly at every corner of the world. However, the demand for fast and robust wireless networks increases permanently. One of the key components both for user end-device and base stations is the power amplifier, which is used to amplify the transmit signal, so that the transmit signal can reach the user over tens of kilometres. Unfortunately, power amplifiers suffer from nonlinearities, if they are driven at an effective operating point. This not only results in high bit error rate, but also strong interference for the adjacent communication channels. Because of the specifications for the amount of in-band and out-band distortion of transmit signals, such distorted signals are forbidden to be emitted in the air. If power amplifiers work only in linear region, the specifications defined by the governments or international telecommunication associations would be met. However, in this case the power amplifiers would have very low efficiency.
Nowadays, the subject of climate change experiences a clear and long overdue attention around the world and one therefore cannot disregard the extreme low energy efficiency of the power amplifiers. The solution for efficiency improvement of power amplifiers are linearization techniques. By using these linearization techniques one is able to operate the power amplifiers in a nonlinear region with often high efficiency and satisfies the specifications given by standards at the same time. Digital predistortion is one of the most popular linearization techniques because of its overall efficiency and outstanding performance. Digital predistortion is a kind of digital signal processing and is located in the digital baseband. The nonlinearities caused by power amplifiers can be almost completely compensated by digital predistortion.
In this work the digital predistortion technique is investigated with respect to system stability, computational cost and adaptation flexibility. Novel calculation approaches are developed to simultaneously improve the stability and reduce the complexity of the digital predistortion system. Furthermore, in some applications fast load changes raise a series of difficulties for digital predistortion. Therefore, the case of fast load changes is also addressed in this work and a new approach is developed to deal with this problem. Moreover, many innovative ideas for efficiency enhancement are introduced into power amplifier design in the last decade, such as Envelope-Tracking. Besides the nonlinearities of power amplifiers the Envelope Tracking system introduces another problem of temporal mismatch between the RF input signal and its dynamically changing power supply voltage. Special analysis and compensation approaches for this temporal mismatch are presented in this work.
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