Digital predistortion for compensation of nonlinearities in Radio over Fiber Links

In order to cope up with the ever increasing demand for larger transmission bandwidth, Radio over Fiber technology is a very beneficial solution. These systems are expected to play a major role within future fifth generation wireless networks due to their inherent capillary distribution properties. Nonlinear compensation techniques are becoming increasingly important to improve the performance of telecommunication channels by compensating for channel nonlinearities. Indeed, significant bounds on the technology usability and performance degradation occur due to nonlinear characteristics of optical transmitter, nonlinear generation of spurious frequencies, which, in the case of RoF links exploiting Directly Modulated Lasers , has the combined effect of laser chirp and optical fiber dispersion among its prevailing causes. The purpose of the research is to analyze some of the main causes of harmonic and intermodulation distortion present in Radio over Fiber (RoF) links, and to suggest a solution to reduce their effects, through a digital predistortion technique. Predistortion is an effective and interesting solution to linearize and this allows to demonstrate that the laser’s chirp and the optical fiber’s dispersion are the main causes which generate harmonic distortion. The improvements illustrated are only theoretical, based on a feasibility point of view. The simulations performed lead to significant improvements for short and long distances of radio over fiber link lengths. The algorithm utilized for simulation has been implemented on MATLAB. The effects of chirp and fiber nonlinearity in a directly modulated fiber transmission system are investigated by simulation, and a cost effective and rather simple technique for compensating these effects is discussed. A detailed description of its functional model is given, and its attractive features both in terms of quality improvement of the received signal, and cost effectiveness of the system are illustrated.

Implementazione su fpga di un pre-distorsore digitale a banda larga per sistemi a microonde di backhaul

The development of next generation microwave technology for backhauling systems is driven by an increasing capacity demand. In order to provide higher data rates and throughputs over a point-to-point link, a cost-effective performance improvement is enabled by an enhanced energy-efficiency of the transmit power amplification stage, whereas a combination of spectrally efficient modulation formats and wider bandwidths is supported by amplifiers that fulfil strict constraints in terms of linearity. An optimal trade-off between these conflicting requirements can be achieved by resorting to flexible digital signal processing techniques at baseband. In such a scenario, the adaptive digital pre-distortion is a well-known linearization method, that comes up to be a potentially widely-used solution since it can be easily integrated into base stations. Its operation can effectively compensate for the inter-modulation distortion introduced by the power amplifier, keeping up with the frequency-dependent time-varying behaviour of the relative nonlinear characteristic. In particular, the impact of the memory effects become more relevant and their equalisation become more challenging as the input discrete signal feature a wider bandwidth and a faster envelope to pre-distort. This thesis project involves the research, design and simulation a pre-distorter implementation at RTL based on a novel polyphase architecture, which makes it capable of operating over very wideband signals at a sampling rate that complies with the actual available clock speed of current digital devices. The motivation behind this structure is to carry out a feasible pre-distortion for the multi-band spectrally efficient complex signals carrying multiple channels that are going to be transmitted in near future high capacity and reliability microwave backhaul links.

High Efficiency Envelope Amplifier based on a Ripple Cancellation Buck Converter. Design, Optimization and Integration in an EER RFPA

Durante los últimos años la tendencia en el sector de las telecomunicaciones ha sido un aumento y diversificación en la transmisión de voz, video y fundamentalmente de datos. Para conseguir alcanzar las tasas de transmisión requeridas, los nuevos estándares de comunicaciones requieren un mayor ancho de banda y tienen un mayor factor de pico, lo cual influye en el bajo rendimiento del amplificador de radiofrecuencia (RFPA). Otro factor que ha influido en el bajo rendimiento es el diseño del amplificador de radiofrecuencia. Tradicionalmente se han utilizado amplificadores lineales por su buen funcionamiento. Sin embargo, debido al elevado factor de pico de las señales transmitidas, el rendimiento de este tipo de amplificadores es bajo. El bajo rendimiento del sistema conlleva desventajas adicionales como el aumento del coste y del tamaño del sistema de refrigeración, como en el caso de una estación base, o como la reducción del tiempo de uso y un mayor calentamiento del equipo para sistemas portátiles alimentados con baterías. Debido a estos factores, se han desarrollado durante las últimas décadas varias soluciones para aumentar el rendimiento del RFPA como la técnica de Outphasing, combinadores de potencia o la técnica de Doherty. Estas soluciones mejoran las prestaciones del RFPA y en algún caso han sido ampliamente utilizados comercialmente como la técnica de Doherty, que alcanza rendimientos hasta del 50% para el sistema completo para anchos de banda de hasta 20MHz. Pese a las mejoras obtenidas con estas soluciones, los mayores rendimientos del sistema se obtienen para soluciones basadas en la modulación de la tensión de alimentación del amplificador de potencia como “Envelope Tracking” o “EER”. La técnica de seguimiento de envolvente o “Envelope Tracking” está basada en la modulación de la tensión de alimentación de un amplificador lineal de potencia para obtener una mejora en el rendimiento en el sistema comparado a una solución con una tensión de alimentación constante. Para la implementación de esta técnica se necesita una etapa adicional, el amplificador de envolvente, que añade complejidad al amplificador de radiofrecuencia. En un amplificador diseñado con esta técnica, se aumentan las pérdidas debido a la etapa adicional que supone el amplificador de envolvente pero a su vez disminuyen las pérdidas en el amplificador de potencia. Si el diseño se optimiza adecuadamente, puede conseguirse un aumento global en el rendimiento del sistema superior al conseguido con las técnicas mencionadas anteriormente. Esta técnica presenta ventajas en el diseño del amplificador de envolvente, ya que el ancho de banda requerido puede ser menor que el ancho de banda de la señal de envolvente si se optimiza adecuadamente el diseño. Adicionalmente, debido a que la sincronización entre la señal de envolvente y de fase no tiene que ser perfecta, el proceso de integración conlleva ciertas ventajas respecto a otras técnicas como EER. La técnica de eliminación y restauración de envolvente, llamada EER o técnica de Kahn está basada en modulación simultánea de la envolvente y la fase de la señal usando un amplificador de potencia conmutado, no lineal y que permite obtener un elevado rendimiento. Esta solución fue propuesta en el año 1952, pero no ha sido implementada con éxito durante muchos años debido a los exigentes requerimientos en cuanto a la sincronización entre fase y envolvente, a las técnicas de control y de corrección de los errores y no linealidades de cada una de las etapas así como de los equipos para poder implementar estas técnicas, que tienen unos requerimientos exigentes en capacidad de cálculo y procesamiento. Dentro del diseño de un RFPA, el amplificador de envolvente tiene una gran importancia debido a su influencia en el rendimiento y ancho de banda del sistema completo. Adicionalmente, la linealidad y la calidad de la señal de transmitida deben ser elevados para poder cumplir con los diferentes estándares de telecomunicaciones. Esta tesis se centra en el amplificador de envolvente y el objetivo principal es el desarrollo de soluciones que permitan el aumento del rendimiento total del sistema a la vez que satisfagan los requerimientos de ancho de banda, calidad de la señal transmitida y de linealidad. Debido al elevado rendimiento que potencialmente puede alcanzarse con la técnica de EER, esta técnica ha sido objeto de análisis y en el estado del arte pueden encontrarse numerosas referencias que analizan el diseño y proponen diversas implementaciones. En una clasificación de alto nivel, podemos agrupar las soluciones propuestas del amplificador de envolvente según estén compuestas de una o múltiples etapas. Las soluciones para el amplificador de envolvente en una configuración multietapa se basan en la combinación de un convertidor conmutado, de elevado rendimiento con un regulador lineal, de alto ancho de banda, en una combinación serie o paralelo. Estas soluciones, debido a la combinación de las características de ambas etapas, proporcionan un buen compromiso entre rendimiento y buen funcionamiento del amplificador de RF. Por otro lado, la complejidad del sistema aumenta debido al mayor número de componentes y de señales de control necesarias y el aumento de rendimiento que se consigue con estas soluciones es limitado. Una configuración en una etapa tiene las ventajas de una mayor simplicidad, pero debido al elevado ancho de banda necesario, la frecuencia de conmutación debe aumentarse en gran medida. Esto implicará un bajo rendimiento y un peor funcionamiento del amplificador de envolvente. En el estado del arte pueden encontrarse diversas soluciones para un amplificador de envolvente en una etapa, como aumentar la frecuencia de conmutación y realizar la implementación en un circuito integrado, que tendrá mejor funcionamiento a altas frecuencias o utilizar técnicas topológicas y/o filtros de orden elevado, que permiten una reducción de la frecuencia de conmutación. En esta tesis se propone de manera original el uso de la técnica de cancelación de rizado, aplicado al convertidor reductor síncrono, para reducir la frecuencia de conmutación comparado con diseño equivalente del convertidor reductor convencional. Adicionalmente se han desarrollado dos variantes topológicas basadas en esta solución para aumentar la robustez y las prestaciones de la misma. Otro punto de interés en el diseño de un RFPA es la dificultad de poder estimar la influencia de los parámetros de diseño del amplificador de envolvente en el amplificador final integrado. En esta tesis se ha abordado este problema y se ha desarrollado una herramienta de diseño que permite obtener las principales figuras de mérito del amplificador integrado para la técnica de EER a partir del diseño del amplificador de envolvente. Mediante el uso de esta herramienta pueden validarse el efecto del ancho de banda, el rizado de tensión de salida o las no linealidades del diseño del amplificador de envolvente para varias modulaciones digitales. Las principales contribuciones originales de esta tesis son las siguientes: La aplicación de la técnica de cancelación de rizado a un convertidor reductor síncrono para un amplificador de envolvente de alto rendimiento para un RFPA linealizado mediante la técnica de EER. Una reducción del 66% en la frecuencia de conmutación, comparado con el reductor convencional equivalente. Esta reducción se ha validado experimentalmente obteniéndose una mejora en el rendimiento de entre el 12.4% y el 16% para las especificaciones de este trabajo. La topología y el diseño del convertidor reductor con dos redes de cancelación de rizado en cascada para mejorar el funcionamiento y robustez de la solución con una red de cancelación. La combinación de un convertidor redactor multifase con la técnica de cancelación de rizado para obtener una topología que proporciona una reducción del cociente entre frecuencia de conmutación y ancho de banda de la señal. El proceso de optimización del control del amplificador de envolvente en lazo cerrado para mejorar el funcionamiento respecto a la solución en lazo abierto del convertidor reductor con red de cancelación de rizado. Una herramienta de simulación para optimizar el proceso de diseño del amplificador de envolvente mediante la estimación de las figuras de mérito del RFPA, implementado mediante EER, basada en el diseño del amplificador de envolvente. La integración y caracterización del amplificador de envolvente basado en un convertidor reductor con red de cancelación de rizado en el transmisor de radiofrecuencia completo consiguiendo un elevado rendimiento, entre 57% y 70.6% para potencias de salida de 14.4W y 40.7W respectivamente. Esta tesis se divide en seis capítulos. El primer capítulo aborda la introducción enfocada en la aplicación, los amplificadores de potencia de radiofrecuencia, así como los principales problemas, retos y soluciones existentes. En el capítulo dos se desarrolla el estado del arte de amplificadores de potencia de RF, describiéndose las principales técnicas de diseño, las causas de no linealidad y las técnicas de optimización. El capítulo tres está centrado en las soluciones propuestas para el amplificador de envolvente. El modo de control se ha abordado en este capítulo y se ha presentado una optimización del diseño en lazo cerrado para el convertidor reductor convencional y para el convertidor reductor con red de cancelación de rizado. El capítulo cuatro se centra en el proceso de diseño del amplificador de envolvente. Se ha desarrollado una herramienta de diseño para evaluar la influencia del amplificador de envolvente en las figuras de mérito del RFPA. En el capítulo cinco se presenta el proceso de integración realizado y las pruebas realizadas para las diversas modulaciones, así como la completa caracterización y análisis del amplificador de RF. El capítulo seis describe las principales conclusiones de la tesis y las líneas futuras. ABSTRACT The trend in the telecommunications sector during the last years follow a high increase in the transmission rate of voice, video and mainly in data. To achieve the required levels of data rates, the new modulation standards demand higher bandwidths and have a higher peak to average power ratio (PAPR). These specifications have a direct impact in the low efficiency of the RFPA. An additional factor for the low efficiency of the RFPA is in the power amplifier design. Traditionally, linear classes have been used for the implementation of the power amplifier as they comply with the technical requirements. However, they have a low efficiency, especially in the operating range of signals with a high PAPR. The low efficiency of the transmitter has additional disadvantages as an increase in the cost and size as the cooling system needs to be increased for a base station and a temperature increase and a lower use time for portable devices. Several solutions have been proposed in the state of the art to improve the efficiency of the transmitter as Outphasing, power combiners or Doherty technique. However, the highest potential of efficiency improvement can be obtained using a modulated power supply for the power amplifier, as in the Envelope Tracking and EER techniques. The Envelope Tracking technique is based on the modulation of the power supply of a linear power amplifier to improve the overall efficiency compared to a fixed voltage supply. In the implementation of this technique an additional stage is needed, the envelope amplifier, that will increase the complexity of the RFPA. However, the efficiency of the linear power amplifier will increase and, if designed properly, the RFPA efficiency will be improved. The advantages of this technique are that the envelope amplifier design does not require such a high bandwidth as the envelope signal and that in the integration process a perfect synchronization between envelope and phase is not required. The Envelope Elimination and Restoration (EER) technique, known also as Kahn’s technique, is based on the simultaneous modulation of envelope and phase using a high efficiency switched power amplifier. This solution has the highest potential in terms of the efficiency improvement but also has the most challenging specifications. This solution, proposed in 1952, has not been successfully implemented until the last two decades due to the high demanding requirements for each of the stages as well as for the highly demanding processing and computation capabilities needed. At the system level, a very precise synchronization is required between the envelope and phase paths to avoid a linearity decrease of the system. Several techniques are used to compensate the non-linear effects in amplitude and phase and to improve the rejection of the out of band noise as predistortion, feedback and feed-forward. In order to obtain a high bandwidth and efficient RFPA using either ET or EER, the envelope amplifier stage will have a critical importance. The requirements for this stage are very demanding in terms of bandwidth, linearity and quality of the transmitted signal. Additionally the efficiency should be as high as possible, as the envelope amplifier has a direct impact in the efficiency of the overall system. This thesis is focused on the envelope amplifier stage and the main objective will be the development of high efficiency envelope amplifier solutions that comply with the requirements of the RFPA application. The design and optimization of an envelope amplifier for a RFPA application is a highly referenced research topic, and many solutions that address the envelope amplifier and the RFPA design and optimization can be found in the state of the art. From a high level classification, multiple and single stage envelope amplifiers can be identified. Envelope amplifiers for EER based on multiple stage architecture combine a linear assisted stage and a switched-mode stage, either in a series or parallel configuration, to achieve a very high performance RFPA. However, the complexity of the system increases and the efficiency improvement is limited. A single-stage envelope amplifier has the advantage of a lower complexity but in order to achieve the required bandwidth the switching frequency has to be highly increased, and therefore the performance and the efficiency are degraded. Several techniques are used to overcome this limitation, as the design of integrated circuits that are capable of switching at very high rates or the use of topological solutions, high order filters or a combination of both to reduce the switching frequency requirements. In this thesis it is originally proposed the use of the ripple cancellation technique, applied to a synchronous buck converter, to reduce the switching frequency requirements compared to a conventional buck converter for an envelope amplifier application. Three original proposals for the envelope amplifier stage, based on the ripple cancellation technique, are presented and one of the solutions has been experimentally validated and integrated in the complete amplifier, showing a high total efficiency increase compared to other solutions of the state of the art. Additionally, the proposed envelope amplifier has been integrated in the complete RFPA achieving a high total efficiency. The design process optimization has also been analyzed in this thesis. Due to the different figures of merit between the envelope amplifier and the complete RFPA it is very difficult to obtain an optimized design for the envelope amplifier. To reduce the design uncertainties, a design tool has been developed to provide an estimation of the RFPA figures of merit based on the design of the envelope amplifier. The main contributions of this thesis are: The application of the ripple cancellation technique to a synchronous buck converter for an envelope amplifier application to achieve a high efficiency and high bandwidth EER RFPA. A 66% reduction of the switching frequency, validated experimentally, compared to the equivalent conventional buck converter. This reduction has been reflected in an improvement in the efficiency between 12.4% and 16%, validated for the specifications of this work. The synchronous buck converter with two cascaded ripple cancellation networks (RCNs) topology and design to improve the robustness and the performance of the envelope amplifier. The combination of a phase-shifted multi-phase buck converter with the ripple cancellation technique to improve the envelope amplifier switching frequency to signal bandwidth ratio. The optimization of the control loop of an envelope amplifier to improve the performance of the open loop design for the conventional and ripple cancellation buck converter. A simulation tool to optimize the envelope amplifier design process. Using the envelope amplifier design as the input data, the main figures of merit of the complete RFPA for an EER application are obtained for several digital modulations. The successful integration of the envelope amplifier based on a RCN buck converter in the complete RFPA obtaining a high efficiency integrated amplifier. The efficiency obtained is between 57% and 70.6% for an output power of 14.4W and 40.7W respectively. The main figures of merit for the different modulations have been characterized and analyzed. This thesis is organized in six chapters. In Chapter 1 is provided an introduction of the RFPA application, where the main problems, challenges and solutions are described. In Chapter 2 the technical background for radiofrequency power amplifiers (RF) is presented. The main techniques to implement an RFPA are described and analyzed. The state of the art techniques to improve performance of the RFPA are identified as well as the main sources of no-linearities for the RFPA. Chapter 3 is focused on the envelope amplifier stage. The three different solutions proposed originally in this thesis for the envelope amplifier are presented and analyzed. The control stage design is analyzed and an optimization is proposed both for the conventional and the RCN buck converter. Chapter 4 is focused in the design and optimization process of the envelope amplifier and a design tool to evaluate the envelope amplifier design impact in the RFPA is presented. Chapter 5 shows the integration process of the complete amplifier. Chapter 6 addresses the main conclusions of the thesis and the future work.

Physical and MAC layer techniques for next generation satellite communications

In this thesis, we consider four different scenarios of interest in modern satellite communications. For each scenario, we will propose the use of advanced solutions aimed at increasing the spectral efficiency of the communication links. First, we will investigate the optimization of the current standard for digital video broadcasting. We will increase the symbol rate of the signal and determine the optimal signal bandwidth. We will apply the time packing technique and propose a specifically design constellation. We will then compare some receiver architectures with different performance and complexity. The second scenario still addresses broadcast transmissions, but in a network composed of two satellites. We will compare three alternative transceiver strategies, namely, signals completely overlapped in frequency, frequency division multiplexing, and the Alamouti space-time block code, and, for each technique, we will derive theoretical results on the achievable rates. We will also evaluate the performance of said techniques in three different channel models. The third scenario deals with the application of multiuser detection in multibeam satellite systems. We will analyze a case in which the users are near the edge of the coverage area and, hence, they experience a high level of interference from adjacent cells. Also in this case, three different approaches will be compared. A classical approach in which each beam carries information for a user, a cooperative solution based on time division multiplexing, and the Alamouti scheme. The information theoretical analysis will be followed by the study of practical coded schemes. We will show that the theoretical bounds can be approached by a properly designed code or bit mapping. Finally, we will consider an Earth observation scenario, in which data is generated on the satellite and then transmitted to the ground. We will study two channel models, taking into account one or two transmit antennas, and apply techniques such as time and frequency packing, signal predistortion, multiuser detection and the Alamouti scheme.

Adaptive pulse shaping through BER Feedback

In this paper, we propose a simplified approach to optical signal predistortion based on adaptive pulse shaping through asymmetrical control of a Mach-Zehnder modulator above its switching voltage. The scheme allows natural tailoring of transmitted pulses by optimizing the received pulse. We demonstrate enhancement of the power tolerance in nonrepeated systems and improved OSNR/BER performance and dispersion tolerance in ultra-long-haul fiber systems operating at 10 Gb/s and 20 Gb/s channel rates. The improved performance is demonstrated through simulations and experiment.

Joint Compensation of I/Q Impairments and PA Nonlinearity for Concurrent Dual-Band Transmitters using Two-Box Model

A novel two-box model for joint compensation of nonlinear distortion introduced from both in-phase/quadrature modulator and power amplifier is proposed for concurrent dual-band wireless transmitters. Compensation of nonlinear distortion is accomplished in two phases, where phases are identified separately. It is shown that complexity of the digital predistortion is reduced. The performance of the proposed model is evaluated in terms of ACPR, EVM and NMSE improvements using 1.4 MHz LTE and WCDMA signals.

Techniques en appui des formats de modulation avancés pour les futurs réseaux optiques

Les systèmes de communication optique avec des formats de modulation avancés sont actuellement l’un des sujets de recherche les plus importants dans le domaine de communication optique. Cette recherche est stimulée par les exigences pour des débits de transmission de donnée plus élevés. Dans cette thèse, on examinera les techniques efficaces pour la modulation avancée avec une détection cohérente, et multiplexage par répartition en fréquence orthogonale (OFDM) et multiples tonalités discrètes (DMT) pour la détection directe et la détection cohérente afin d’améliorer la performance de réseaux optiques. Dans la première partie, nous examinons la rétropropagation avec filtre numérique (DFBP) comme une simple technique d’atténuation de nonlinéarité d’amplificateur optique semiconducteur (SOA) dans le système de détection cohérente. Pour la première fois, nous démontrons expérimentalement l’efficacité de DFBP pour compenser les nonlinéarités générées par SOA dans un système de détection cohérente porteur unique 16-QAM. Nous comparons la performance de DFBP avec la méthode de Runge-Kutta quatrième ordre. Nous examinons la sensibilité de performance de DFBP par rapport à ses paramètres. Par la suite, nous proposons une nouvelle méthode d’estimation de paramètre pour DFBP. Finalement, nous démontrons la transmission de signaux de 16-QAM aux taux de 22 Gbaud sur 80km de fibre optique avec la technique d’estimation de paramètre proposée pour DFBP. Dans la deuxième partie, nous nous concentrons sur les techniques afin d’améliorer la performance des systèmes OFDM optiques en examinent OFDM optiques cohérente (CO-OFDM) ainsi que OFDM optiques détection directe (DDO-OFDM). Premièrement, nous proposons une combinaison de coupure et prédistorsion pour compenser les distorsions nonlinéaires d’émetteur de CO-OFDM. Nous utilisons une interpolation linéaire par morceaux (PLI) pour charactériser la nonlinéarité d’émetteur. Dans l’émetteur nous utilisons l’inverse de l’estimation de PLI pour compenser les nonlinéarités induites à l’émetteur de CO-OFDM. Deuxièmement, nous concevons des constellations irrégulières optimisées pour les systèmes DDO-OFDM courte distance en considérant deux modèles de bruit de canal. Nous démontrons expérimentalement 100Gb/s+ OFDM/DMT avec la détection directe en utilisant les constellations QAM optimisées. Dans la troisième partie, nous proposons une architecture réseaux optiques passifs (PON) avec DDO-OFDM pour la liaison descendante et CO-OFDM pour la liaison montante. Nous examinons deux scénarios pour l’allocations de fréquence et le format de modulation des signaux. Nous identifions la détérioration limitante principale du PON bidirectionnelle et offrons des solutions pour minimiser ses effets.