Digital Pre-distortion of Microwave Power Amplifiers

139 Pages·2005·7.36 MB·English

DISSERTATION
Digital Pre-distortion
of
Microwave Power Amplifiers
ausgefu¨hrt zum Zwecke der Erlangung des akademischen Grades
eines Doktors der technischen Wissenschaften
eingereicht an der Technischen Universit¨at Wien
Fakult¨at fu¨r Elektrotechnik und Informationstechnik
von
DI Ernst Aschbacher
Herndlgasse 22/34
A-1100 Wien
geboren am 4. September 1970 in Bruneck (IT)
Matrikelnummer: 9326558
Wien, im September 2005

Begutachter:
Univ. Prof. Dr. Markus Rupp
Institut fu¨r Nachrichtentechnik und Hochfrequenztechnik
Technische Universit¨at Wien
O¨sterreich
Univ. Prof. Dr. Timo I. Laakso
Signal Processing Laboratory
Helsinki University of Technology
Finland

Abstract
With the advent of spectrally efficient wireless communication systems employing modulation
schemes with varying amplitude of the communication signal, linearisation techniques for
nonlinear microwave power amplifiers have gained significant interest. The availability of fast
andcheapdigitalprocessingtechnologymakesdigitalpre-distortionanattractivecandidateas
a means for power amplifier linearisation since it promises high power efficiency and flexibility.
Digital pre-distortion is further in line with the current efforts towards software defined radio
systems, where a principal aim is to substitute costly and inflexible analogue circuitry with
cheap and reprogrammable digital circuitry.
Microwavepoweramplifiersaremostefficientintermsofdeliveredmicrowaveoutputpower
vs. supplied power if driven near the saturation point. In this operational mode, the amplifier
behaves as a nonlinear device, which introduces undesired distortions in the information bear-
ing microwave signal. These nonlinear distortions degrade the system performance in terms
of increased bit error rate and produce disturbance in adjacent channels. A compensation of
the nonlinear distortions is therefore of significant importance, not only to keep the system
performance high, but also to comply with regulatory specifications regarding the maximum
allowed disturbance of adjacent channels. Nonlinear equalisation at the receiver is possible
but complicated due to the unknown effects of the channel. Further, this method does not
reduce the disturbance in adjacent channels, thus additional analogue filters would have to be
placed at the output of the power amplifier. It is therefore natural to reduce the nonlinear
distortions at the point where they occur, namely at the transmitter.
Different linearisation methods exist which aim to reduce the nonlinear distortions while
keepingthepoweramplifierinthenonlinearandefficientmode. Traditionally,thesetechniques
employ additional analogue circuitry. Linearisation by digital pre-distortion is a new method
which applies digital signal processing techniques for compensating the nonlinear distortions.
Digital pre-distortion splits into three tasks: modelling of the microwave power amplifier,
adaptive identification of the model parameters, and development of the pre-distortion filter.
Thesetasksareaddressedinthisthesis. Further,aprototypesystemisdevelopedwhichallows
to test the pre-distortion algorithm in real-time using a fixed-point environment.
For the first task, measurements on microwave power amplifier were performed in order to
evaluate different models. The difficulty is to find low-complex but at the same time accurate
models, which describe not only the nonlinear effects, but account also for the memory effects
of the power amplifier.
The adaptive identification of the parameters of two nonlinear models, namely a Volterra
model and a Wiener model, is presented thereafter. Gradient-type algorithms are developed
and investigated with respect to stability in a deterministic context.
A powerful method for the determination of the pre-distortion filter is presented next. For
nonlinear systems it is in general not possible to devise analytic solutions for the pre-inverse
which linearises the system for a certain class of input signals. Here, an iterative technique is
presented which finds an approximate solution for the pre-inverse.
Based on the developed pre-distortion algorithm, a real-time prototype system is devel-
oped. This system proves that the algorithm can be implemented with a limited amount of
hardware resources. Further, measurement results show that the algorithm keeps its excellent
performance also in an environment with a limited data- and arithmetic accuracy.
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Kurzfassung
Mit der Einfu¨hrung von spektral effizenten drahtlosen Kommunikationsystemen, die Modula-
tionsformate einsetzen, die auch die Amplitude des Nachrichtensignals ver¨andern, gewannen
Linearisierungsverfahren fu¨r nichtlineare Mikrowellen-Leistungsverst¨arker immer mehr an In-
teresse. Die Verfu¨gbarkeit von schneller und billiger digitaler Signalverarbeitungstechnologie
macht die digitale Vorverzerrung als Methode zur Linearisierung von Leistungsverst¨arkern
sehr attraktiv, da sie hohe Leistungseffizienz und hohe Flexibilit¨at verspricht. Digitale Vor-
verzerrung steht weiters im Einklang mit den gegenw¨artigen Bestrebungen eine m¨oglichst
Software-definierte Funku¨bertragung zu schaffen. Ein wichtiges Ziel hierbei ist, kostspielige
und unflexible analoge Schaltkreise auf das unbedingt n¨otige Maß zu reduzieren und durch
billige und re-programmierbare digitale Technologie zu ersetzen.
Mikrowellen-Leistungsverst¨arker sind am effizientesten wenn sie in der S¨attigung betrieben
werden. Effizienz heißt hier, daß m¨oglichst viel zugefu¨hrte Leistung in abgegebene Mikrowel-
lenleistung umgesetzt wird. In dieser Betriebsweise ist der Verst¨arker nichlinear, was zu Verz-
errungen im informationstragenden Mikrowellensignal fu¨hrt. Diese ungewollten Verzerrungen
fu¨hren zu erh¨ohten Bitfehlerraten und verschlechtern somit die Gu¨te des Funksystems. Weit-
ers werden St¨orungen in benachbarte Frequenzb¨ander emittiert. Eine Kompensation dieser
Signalverzerrungen erh¨oht demnach nicht nur die Gu¨te des Funksystems, sondern macht das
System konform mit Regulationsspezifikationen. Eine nichtlineare Entzerrung des Signals am
Empf¨anger ist m¨oglich aber kompliziert wegen der unbekannten Effekte des Funkkanals. Diese
Methode reduziert weiters nicht die St¨orungen in benachbarten Frequenzb¨andern. Zus¨atzliche
analoge Filter mu¨ssen am Sender eingesetzt werden. Es ist daher natu¨rlich, die Verzerrungen
an der Stelle ihres Auftretens, n¨amlich am Sender, zu kompensieren.
Verschiedene analoge Linearisierungsverfahren existieren. Sie versuchen die Verzerrungen
bei gleichzeitigem nichtlinearen Betrieb des Verst¨arkers zu kompensieren. Digitale Vorverzer-
rung ist eine neue Methode, die digitale Technologie zur Entzerrung des Verst¨arkes einsetzt.
DigitaleVorverzerrungkannindreiTeileaufgeteiltwerden: ModellierungdesLeistungsver-
st¨arkers, adaptive Identifikation der Modellparameter und Entwicklung des Vorverzerrungsfil-
ters. Alle drei Aufgaben werden in dieser Dissertation behandelt. Weiters wird ein Prototyp-
System entwickelt, das es gestattet, den Vorverzerrungsalgorithmus in Echtzeit in einer Fix-
punkt Umgebung zu testen.
Fu¨r die erste Aufgabe wurden Messungen mit verschiedenen Leistungsverst¨arkern aus-
gefu¨hrt, um verschiedene Modelle gegeneinander zu evaluieren. Die Schwierigkeit besteht
dabei darin, m¨oglichst genaue und gering komplexe Modelle zu finden, die nicht nur das
nichtlineare Verhalten des Verst¨arkers sehr genau beschreiben, sondern auch Speichereffekte
beru¨cksichtigen.
Die adaptive Identifikation der Modellparameter von zwei Modellen, eines Volterramodells
undeinesWienermodells, wirddanachbehandelt. Gradientenverfahrenwerdenentwickeltund
auf Stabilit¨at in einem deterministischen Kontext untersucht.
In weiterer Folge wird eine Methode entwickelt um das Vorverzerrungsfilter fu¨r ein ge-
gebenes Verst¨arkermodell zu bestimmen. Analytische L¨osungen sind im Allgemeinen nicht
verfu¨gbar. Hier wird eine iterative Methode pr¨asentiert, die eine N¨aherungsl¨osung fu¨r das
ideale Filter findet.
Basierend auf diesem iterativen Algorithmus wird ein echtzeitf¨ahiger Prototyp entwickelt.
Dieses System zeigt, daß der entwickelte Vorverzerrungsalgorithmus mit einem beschr¨anken
Aufwand realisiert werden kann. Messungen belegen, daß der Algorithmus seine exzellente
Gu¨te auch in einer Umgebung mit beschr¨ankter Zahlen- und Arithmetikgenauigkeit beibeh¨alt.
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Acknowledgement
Several people contributed in various ways to this thesis. I am deeply indebted to and would
like to express my gratitude to:
(cid:254) Prof. Markus Rupp for his continuous support and guidance. His lucid comments and
critical questions improved the scientific quality of this thesis significantly.
(cid:254) Prof. Timo I. Laakso for assuming the work as a referee.
(cid:254) Mei Yen Cheong – intensive discussions with her provided a basis for a deeper under-
standing.
(cid:254) My diploma students Mathias Steinmair and Peter Brunmayr for their questions and
work.
(cid:254) Holger Arthaber and Michael Gadringer who kindly assisted me with microwave hard-
ware and measurement equipment.
(cid:254) Anding Zhu and Prof. Tom Brazil for hosting me at the University College Dublin and
for fruitful discussions.
Finally, and most importantly, I thank my family for their support and company.
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