Charakterisierung von Leistungsverstärkern für die Entwicklung neuer und einfacher Vorverzerrungssysteme

Characterization of Power Amplifiers for the Development of New and Simple Predistortion Systems

  • Thema der vorliegenden Arbeit ist die Weiterentwicklung digitaler Vorverzerrungssysteme zur Realisierung einfacher Systeme für den Einsatz in Mobiltelefonen zukünftiger Generationen. Der Fokus dieser Arbeit liegt in der genauen Charakterisierung von Leistungsverstärkern in Hinblick auf eine einfache Vorverzerrung. Im Gegensatz zu herkömmlichen Ansätzen, die sich mit der Weiterentwicklung der Vorverzerrungsmodelle und nicht mit der Untersuchung des Verstärkers beschäftigen, werden hier die NichtlThema der vorliegenden Arbeit ist die Weiterentwicklung digitaler Vorverzerrungssysteme zur Realisierung einfacher Systeme für den Einsatz in Mobiltelefonen zukünftiger Generationen. Der Fokus dieser Arbeit liegt in der genauen Charakterisierung von Leistungsverstärkern in Hinblick auf eine einfache Vorverzerrung. Im Gegensatz zu herkömmlichen Ansätzen, die sich mit der Weiterentwicklung der Vorverzerrungsmodelle und nicht mit der Untersuchung des Verstärkers beschäftigen, werden hier die Nichtlinearitäten des Verstärkers genauer untersucht. Zum Einen ist es die Entscheidungsgrundlage für die Wahl des optimalen Vorverzerrungssystems und zum Anderen konnten damit Zusammenhänge erkannt werden, aus denen ein neues Vorverzerrungssystem zur Kompensation von Betriebsbedingungsschwankungen entwickelt wurde. Diese Aspekte sind in mobilen Geräten von entscheidender Bedeutung, weil nur sehr einfache Systeme aufgrund der Verlustleistungs- und Kostenanforderung umgesetzt werden können. Zentrales Messobjekt ist ein CMOS-Leistungsverstärker, der eine hohe Effizienz und gleichzeitig eine starke Nichtlinearität aufweist. Für die präzise Untersuchung werden diskrete Kennlinien für die Darstellung der Amplituden- (AM-AM) und Phasenkennlinien (AM-PM) eingeführt. Diese können im Gegensatz zur Polynomdarstellung den Kennlinienverlauf exakt nachbilden. Neben der präzisen Erfassung der Nichtlinearitäten wird ein neues Verfahren für die Messung von Memoryeffekten (Speichereffekten) in Abhängigkeit von der Modulationsfrequenz vorgestellt. Es basiert auf der Auswertung der Schleifenöffnung von AM-AM- und AM-PM-Kennlinien bei Verwendung von Zweitonsignalen unter Variation der Zweitonabstände. Damit ist es möglich, Memoryeffekte bei verschiedenen Modulationsfrequenzen zuverlässig zu detektieren und in Amplituden- und Phaseneffekte zu unterteilen. Diese Messmethode erlaubt, auch eine Zweitonfrequenz zu detektieren, bei der keine Memoryeffekte vorhanden sind. Eine speicherlose Vorverzerrung mit dieser Kennlinie liefert die besten Vorverzerrungsergebnisse. Bis zur maximalen Ausgangsspitzenleistung des Verstärkers konnten damit die Spezifikationen der untersuchten Standards EDGE, UMTS und WLAN mit ausreichender Marge eingehalten werden - trotz des Vorhandensein von Memoryeffekten. In einem wesentlichen Teil der Arbeit werden erstmals die Auswirkungen aller beeinflussbaren Betriebsbedingungen auf die Nichtlinearität (AM-AM- und AM-PM-Kenn"-linie) untersucht. Dabei kann im Falle der Variation der Temperatur, des Tastverhältnisses, der Eingangsleistung und der Arbeitspunkteinstellung ein Skalierungsverhalten der Kennlinien festgestellt werden. Mit nur zwei betriebsbedingungsabhängigen Skalierungsfaktoren können damit alle Kennlinien in eine Gesamtkennlinie abgebildete werden. Daraus wird ein neues Vorverzerrungssystem entwickelt, das mit Hilfe dieser beiden Skalierungsfaktoren und nur einer inversen Verstärkerkennlinie die Änderung dieser Betriebsbedingung kompensieren kann. Eine korrekte Funktionsweise bei Variation der Umgebungstemperatur mit nahezu konstanter Verbesserung der linearen Ausgangsleistung in einem weiten Temperaturbereich von -30 °C bis 90°C wird durch Messungen nachgewiesen.show moreshow less
  • The goal of this thesis was to further enhance digital predistortion systems through a simpler implementation aiming for next generation mobile communication systems. The work focused on the accurate characterization of power amplifiers to derive a simple predistortion system. This is contrary to common approaches, that aim to improve the predistortion models without studying the non-linearities of the power amplifier in detail. The analysis of the non-linearities provided the necessary insightsThe goal of this thesis was to further enhance digital predistortion systems through a simpler implementation aiming for next generation mobile communication systems. The work focused on the accurate characterization of power amplifiers to derive a simple predistortion system. This is contrary to common approaches, that aim to improve the predistortion models without studying the non-linearities of the power amplifier in detail. The analysis of the non-linearities provided the necessary insights into the power amplifier properties to select an optimal predistortion system. On the other hand, dependencies were revealed that were used to develop a new predistortion method to compensate the variable operating conditions. Such optimizations and simple implementations are of particular importance due to the increasing demand for solutions with low power consumption and little integration costs. The device under test was a CMOS power amplifier optimized for high efficiency. Hence, a strong non-linearity was present. For a precise investigation discrete characteristic curves were introduced to represent the amplitude characteristics (AM-AM) and phase characteristics (AM-PM). Unlike the polynomial representation, the discrete characteristic curves can exactly model any non-linearity. In addition to capturing non-linearities, a new method was introduced to measure memory effects as a function of modulation frequency. This is based on the analysis of the loop opening of the amplitude and phase characteristic curves under excitation with two tone signals. With this method memory effects at different modulation frequencies were detected and quantified. Even the distinction between amplitude or phase effects was possible. Furthermore, a modulation frequency was identified that does not exhibit memory effects. A memoryless predistortion with these characteristic curves resulted in the best predistortion performance of the investigated EDGE, UMTS and WLAN standards. Up to the maximum possible output power of the amplifier, the specification of these standards are fulfilled with sufficient margin despite of the still existing memory effects. The impact of all influenceable operating conditions on the amplifier characteristic curves (AM-AM, AM-PM) were studied in detail for the first time. For varying temperature, duty cycle, input power and bias of the driver stage, a scaling behaviour was determined. With only two scaling factors all characteristic curves were mapped to one single characteristic curve. A new predistortion system was developed that is capable to predistort the amplifier applying these two scaling factors. Hence, only a single inverse amplifier characteristic curve is needed to compensate for the impact of operation condition variations. The system was tested by varying the ambient temperature. A constant improvement in linear output power was observed for the entire temperature range from -30 °C to 90 °C.show moreshow less

Download full text files

Export metadata

  • Export Bibtex
  • Export RIS

Additional Services

Share in Twitter Search Google Scholar
Metadaten
Author: Norman Wolf
URN:urn:nbn:de:kobv:83-opus-37579
Advisor:Prof. Dr. Heinrich Klar
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2012/11/28
Publishing Institution:Technische Universität Berlin
Granting Institution:Technische Universität Berlin, Fakultät IV - Elektrotechnik und Informatik
Date of final exam:2012/10/19
Release Date:2012/11/28
Tag:Charakterisierung; Leistungsverstärker; Speichereffekte; Temperatur; Vorverzerrung
characterisation; memory effects; power amplifier; predistortion; temperature
Institutes:Institut für Technische Informatik und Mikroelektronik
Dewey Decimal Classification:620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Licence (German):License Logo CC BY-SA: Creative Commons Lizenz: Namensnennung, Weitergabe zu gleichen Bedingungen