Sistemas de Amplificação Linear com Componentes Não Lineares em Rádios Definido por Software

Abstract

A próxima geração de comunicações móveis (5G), que se encontra em fase de implementação, promete vir a oferecer elevadas taxas de transmissão de dados e em simultâneo o melhoramento da eficiência espetral e de potência dos sistemas de comunicação e com isto revolucionar, o quotidiano da comunicação a nível mundial.Um dos grandes desafios nos projectos de sistemas de telecomunicações é a dificuldade de garantir todos os requisitos anteriores, uma vez que alguns são contraditórios. Nomeadamente, técnicas de modulação espetralmente eficientes são normalmente caracterizadas por um elevado rácio potência pico vs potência média (PAPR) (peak average power ratio) o que requer o uso de amplificadores lineares (hpa) (high power amplifiers) lineares que possuem baixas eficiências energéticas. A escolha do hpa é fundamental nestes projetos pois para que ocorra amplificação linear sem distorção do sinal, é necessário comprometer a relação entre eficiência energética e amplificação linear. A técnica amplificação linear com componentes não lineares (LINC) (linear amplification with non linear components) pode ser uma solução viável como resposta aos desafios e problemas anteriormente referidos. A técnica consiste em separar um sinal em dois sinais de envolvente constante, sendo cada um destes amplificados por amplificadores de potência não lineares (NL-HPA) (non linear-high power amplifiers) caracterizados por uma elevada eficiência de potência, que após a combinação dos dois sinais de envolvente constante amplificados se obtém uma réplica amplificada do sinal original. Recentemente foi proposta uma otimização e generalização da técnica LINC, designada por MB-LINC. Para isso teremos que separar um dado sinal em N>2-sinais com envolvente constante, sendo posteriormente amplificados por NL-HPA. Tendo como principal objectivo atenuar algumas das desvantagens da técnica LINC convencional.Nesta dissertação é realizada a prova de conceito em ambiente real da técnica LINC em plataformas de rádio definido por software (software defined radio), mais precisamente em plataformas USRP B210. É também realizado por simulação um estudo do desempenho dos sistemas LINC e MB-LINC para situações de desequilíbrio de ganho ou fase entre os ramos de amplificação não linear, e como este varia em função do número de ramos. Tais resultados serviram de referência ao teste numa situação real em SDR tendo sido possível validar uma vez que os mesmos uma vez que foram de encontro aos resultados simulados.

The next generation of mobile communications (5G), which is in a development stage, promises to offer high data transmission rates, and at the same time, improve the spectral and power efficiency of the communication systems and thereby revolutionize the daily life communication worldwide. of the great challenges in telecom systems projects is how hard it is to ensure all the previous requisites once they’re contradictory. Namely, spectrally efficent modulation techniques are characterized by an high PAPR, which demands the use of low energy efficiency HPA. To ensure linear amplification without signal distortion, we must compromise the relationship between energy efficiency and linear amplification. Given this, the choice of the HPA is crucial in this project. The LINC technique can be a good solution to resolve the challenges refered before. This technique consists in separate a signal in two constants envelope signals, each being amplified by an NL-HPA characterized by high power efficiency. After combining the two constant envelope signals, we obtain an amplified replica of the original signal. Recently, it has been proposed an optimization and a generalization of LINC technique called MB-LINC. For that we have to separate the original signal into N>2 signals with constant envelope that are after amplified by N NL-HPA. That hasa goal of soften the disadvantages of the original LINC technique. In this dissertation the proof of concept with the real demo of LINC technique in software defined radio (SDR) using USRP B210 plataforms. A simulation is also executed to analyze the performance of LINC and MB-LINC systems. These simulations are performed for situations of gain or phase imbalances between the branches of non-linear amplification. Furthermore, the variation in imbalance is also analyzed according to the increase number of branches. These results served as a reference to the test of the LINC SDR based system and it was possible tovalidate that there were inline with the simulated results.