Pre-distortion algorithms for power amplifiers

Abstract

Future wireless networks are expected to provide ubiquitous access to high data rate services with a quality up to --- and even beyond --- today's common standards for fixed-line connections. To achieve this goal, modulation schemes with a high spectral efficiency need to be utilised. However, these schemes are very susceptible to nonlinear distortions.<br />On the other hand, the radio frequency power amplifiers employed in the transmitters of mobile and stationary wireless equipment have to be operated near saturation to attain their maximum power efficiency. This though, causes them to behave nonlinear.<br />Digital pre-distortion is one possible approach to mitigate the discrepancy between power efficiency and linearity. Its basic idea is to drive the power amplifier with a modified signal, such that its nonlinear behaviour is (partially) compensated.<br />In this work, two in literature proposed digital pre-distortion schemes are considered, which allow for compensating time varying amplitude and phase distortions as well as memory effects. Both schemes map the behaviour of the power amplifier to a model which is then inverted. To keep track of changes in the behaviour, this process is performed repeatedly. In one scheme the model is represented by a truncated Volterra series. In the other scheme a Wiener model is applied which consists of a linear filter and a nonlinearity that is described by a piecewise linear function.<br />This thesis presents the development of the algorithms implemented in MATLAB together with a detailed survey of the corresponding theory. It moreover evaluates these algorithms by simulations based on measurements of two commercially available radio frequency power amplifiers.<br />

In Zukunft sollen Breitbanddienste auch über Funknetze uneingeschränkt und mit flächendeckender Verfügbarkeit zugänglich gemacht werden. Um dies zu erreichen ist der Einsatz neuer, spektral höchst effizienter Modulationsverfahren notwendig. Bekannter Weise sind diese neuen Verfahren besonders empfindlich gegenüber nichtlinearen Verzerrungen entlang des Signalpfades.<br />Umgekehrt verhalten sich die in den Sendern der mobilen und stationären Funknetzknoten befindlichen Hochfrequenz-Leistungsvertärker nichtlinear wenn sie mit maximaler Leistungseffizienz betrieben werden. Somit steht die Forderung nach Linearität im Gegensatz zum Bestreben nach Leistungseffizienz.<br />Eine Möglichkeit diesem Widerspruch zu begegnen ist es das Sendesignal im vorhinein so zu verzerren, dass die nichtlinearen Einflüsse des Verstärkers (teilweise) ausgeglichen werden.<br />Diese Arbeit behandelt zwei in der Literatur beschriebene Methoden zur digitalen Vorverzerrung, welche zeitlich veränderliche Amplituden- und Phasenverzerrungen unter Berücksichtigung von Speichereffekten kompensieren können. Beide Verfahren erreichen dies durch die fortlaufende Inversion eines adaptiv an das Verhalten des Verstärkers angepassten Modells. Im einen Fall besteht dieses Modell aus einer endlichen Volterra Reihe. Im anderen Fall wird es durch ein Wiener Modell gebildet. Letzteres besteht aus einem linearen Filter und einer Nichtlinearität, die durch eine stückweise lineare Funktion beschrieben wird.<br />Neben einer ausführlichen Behandlung der theoretischen Hintergründe wurden im Rahmen dieser Arbeit beide Verfahren in MATLAB implementiert und ihr reales Verhalten anhand von Messungen an handelsüblichen Hochfrequenz-Leistungsverstärkern evaluiert.