Etude et développement de techniquesvisant à lutter contre les effets non-linéairesvisant à lutter contre les effets non-linéairesdes émetteurs DVB et DRM

A. Skrzypczak Séminaire SCEE 04/02/2010

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Contexte

• Cette présentation montre les résultats obtenusdurant mes 18 mois de Post-Doc à Supélecdurant mes 18 mois de Post-Doc à Supélec(Février 08 -> Juin 09).Dans le cadre du projet AMONTDans le cadre du projet AMONT.Application de mes travaux de thèse dans un contexte industriel.

• Présente aussi les travaux de J. Dubois sur lali é i tilinéarisation:Stage master à l’ECAM Rennes.Contribution de l’ECAM Rennes au projet AMONTContribution de l ECAM Rennes au projet AMONT.

2

Objectifs du projet AMONT

• Contribuer à l’amélioration des performances demodulateurs de TV et de radio numériques.q

• Utiliser les PA à un meilleur rendement, sansdégrader significativement les performances enspectre d’émission et en TEB.

• Se traduit par une meilleure couverture et par unavantage concurrentiel pour les entreprisesavantage concurrentiel pour les entreprises.

• 2 voies de prospection: réduction du PAPR etp plinéarisation des PA.

3

Plan

• Description du projet AMONT

• Les standards DVB et DRM. Chaines detransmission de référence.transmission de référence.

• Etude de techniques de réduction du PAPRqadaptées à la problématique abordée.DVB-T/H

DRMDRM

• Bilan du projet• Bilan du projet

4

5

Le projet AMONT

• AMONT = Adaptation de Modulation OFDMface aux Non-linéarités de Transmetteurs.face aux Non linéarités de Transmetteurs.

• Projet du Pôle Image & Réseaux.Projet du Pôle Image & Réseaux.

• Durée: 24 mois (t0 = Avril 2008).4 ( 0 )

• Coût estimé: 842 k€, en partie financé par la4 , p prégion Bretagne.

• Projet PME/PMI + labo universitaire.

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Le projet AMONT

• Projet collaboratif liant le milieu industriel avec lemilieu académiquemilieu académique. Partenaires industriels:

Digidia: basé au Rheu (35) spécialisé dans les solutionsDigidia: basé au Rheu (35), spécialisé dans les solutionsde radio numérique (DAB, DRM, DRM+).

TeamCast: basé à St Grégoire (35), constructeur demodulateurs de TV numérique (DVB-T/H, FLO, DTMB).

P t i dé i Partenaires académiques: Supélec (Cesson-Sévigné 35). ECAM Rennes Louis de Broglie (Bruz 35) ECAM Rennes – Louis de Broglie (Bruz 35).

7

Le projet AMONT

• But du projet: limiter les distorsions à l’émissiondues aux non-linéarités des amplificateurs dedues aux non-linéarités des amplificateurs depuissance (PA):Etudes sur une chaine de transmission de type DVB-T/H:Etudes sur une chaine de transmission de type DVB T/H:

TeamCast.Aussi sur une chaine de type DRM: Digidia.

• Deux types de solutions à explorer:Réduire la dynamique en puissance des signaux à amplifierRéduire la dynamique en puissance des signaux à amplifier:

Supélec.Linéariser le PA: ECAM Rennes.

8

1) Description et modes retenus pour simulation2) Chaine de référence DVB3) Chaine de référence DRM3) Chaine de référence DRM

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Le standard DVB

• Standard de TV numérique utilisant l’OFDM:T: TerrestrialT: TerrestrialC: CableS: SatelliteH: Handheld

• DVB T et DVB H ont la même couche physique:• DVB-T et DVB-H ont la même couche physique:Mode 4K en plus des 2K et 8K pour le DVB-H.Time Slicing: gestion du handover.g g

• Bandes de fréquences: 174-230 MHz, 470-830MHz et 1.452-1.492 GHz.

10

Mode DVB

• Plusieurs configurations possiblesMode 2K 4K et 8K pour l’OFDMMode 2K, 4K et 8K pour l OFDMQPSK, 16-QAM, 64-QAMIG = 1/32, 1/16, 1/8, 1/4

• Mode retenu: 2K sur un canal de 8MHz.

porteuseTaille FFT

IG MAQ Trame T0

1705 2048 1/8 64 68 224 µs

11

Chaine de référence en DVB

• Data: issues d’une constellation fixée

• IFFT+IG: modulation OFDM et insertion d’IG

• LPF: Low Pass Filtering

• " 8: interpolation par 8 (9.14 MHz ! 73.1 MHz)

• RC: Regular Clipping

• FT: mise sur fréquence porteuse

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Le standard DRM

• DRM = Digital Radio Mondiale.Radiodiffusion numériqueRadiodiffusion numérique.Vocation à remplacer la radio analogique en conservant les

infrastructures radio déjà déployées (amplificateur).

• Comme dans le cas du DVB, plusieurs modes etfi ti t iblconfigurations sont possibles.

On simule le mode A à 9 kHz.

porteuseTaille FFT

IG MAQ Trame T0

288 205 1/9 64 15 24 ms

13

Chaine de référence DRM

IFFT

data

IG LPF Inter1RC

Inter2 Inter3 Inter4RC RC

• Data: symboles issus d’une constellation donnéeData: symboles issus d une constellation donnée• IFFT + IG: modulation OFDM et insertion de l’IG• RC: Regular Clipping• RC: Regular Clipping.• LPF: Low Pass Filtering

I t i ième i t l ti 2• Interi: ième interpolation par 2.

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Chaine de référence DRM

IFFT

data

IG LPF Inter1RC

Inter2 Inter3 Inter4RC RC

• En sortie d’IFFT, le signal est échantillonné à 12 kHz. L d l t d Di idi t i l à MH h t 6 MH Le modulateur de Digidia sort un signal à 3.072 MHz en phase et 6.144 MHz en

amplitude. Resp. 4 et 5 autres interpolations sont réalisées en réalité.

• La chaine globale (8 interpolations) est simulée pour les études en• La chaine globale (8 interpolations) est simulée pour les études enpuissance (PAPR).

• La chaine réduite (4 interpolations) suffit pour déterminer les• La chaine réduite (4 interpolations) suffit pour déterminer lesspectres d’émission et calculer les distorsions à l’émission.

15

1) Contraintes sur les techniques à retenir2) Description des solutions étudiées3) Critères de performances3) Critères de performances

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Contraintes à satisfaire

• Il existe un très grand nombre de techniques deréduction du PAPR dans la littérature:réduction du PAPR dans la littérature:Methodes d’ajout de signal.Méthodes basées sur le codage.gMéthodes probabilistes.

Né i é d f i i él i i• Nécessité de faire un tri et une sélection parmiles techniques existantes.

Né i é d d i è di i iNécessité de trouver des critères discriminants. Contraintes théoriques.Contraintes pratiques.p q

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Contraintes dues au DVB-DRM

• Plusieurs modes de fonctionnementQPSK jusqu’à 64-QAMQPSK jusqu à 64 QAMMode 2K, 4K ou 8K en DVB.Mode A, B, C ou D en DRM (nombre de porteuses varie)

Technique valable quels que soient le nombre de porteuses et la constellation considérée.

• Les signaux doivent respecter le spectred’émission spécifié dans les normes

p

d émission spécifié dans les normes.

Technique qui ne dégrade pas de manière significative le spectre d’émission.

18

Contraintes techniques

• La structure des récepteurs est figée.La technique de réduction à l’émission ne doit impliquer uneLa technique de réduction à l émission ne doit impliquer une

modification du récepteur.

Technique à compatibilité descendante.

• Les distorsions dans la bande au niveau del’émetteur doivent être raisonnables.l émetteur doivent être raisonnables.

Faible dégradation du MER (Modulation Error Ratio)

• Efficacité d’intégration(Modulation Error Ratio).

Complexité raisonnable.

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Techniques potentielles

Techniques possibles:

1) Clipping2) Deep Clipping3) S l ti G l3) Solution Guel4) Peak Windowing5) ACE6) SOCP6) SOCP

Le clipping est ici la technique de référence, déjà implémentée actuellement dans les modulateurs.

20

Deep Clipping

• Méthode proposée pour limiter le peak regrowth,présent lorsque l’on fait clipping-filtrage.p q pp g g

• Ici, la pente est fixée à p=0,6.Ici, la pente est fixée à p 0,6.

21

« technique Guel »

• Méthode d’ajout de signal donnant de bonnes performances. contrôle le gain de réduction, A contrôle l’augmentation de puissance moyenne due au signal ajouté. Filtrage par FFT-IFFT.

• Seulement, il est nécessaire d’avoir des porteuses nulles dans lab d d i lbande du signal.

22

Critères de performance

• Remontée des lobes secondaires Etude de la DSP Etude de la DSPÀ 4.2 Mhz pour le DVB.À 4.77 kHz pour le DRM.4 77 p

0

-30

-20

-10

P (e

n dB

)

60

-50

-40

DS

P

-4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4

x 104

-60

Fréquence (en Hz)

23

Critères de performance

• Distorsion dans la bandeCalculé par le MER (Modulation Error Ratio)Calculé par le MER (Modulation Error Ratio)

Calculé sur les porteuses actives.Calcul de la puissance relative de la constellation déformée:Calcul de la puissance relative de la constellation déformée:

24

1) Deep Clipping - Solution fs2) Deep Clipping - Solution 2fs

25

1ère solution

• Pour limiter au maximum le peak regrowth, oninsère le DC où il est a priori le plus efficace:insère le DC où il est a priori le plus efficace:avant le LPF.

26

2nde solution

• On exploite les propriétés des interpolations concernantle bruit de clipping [Cimini98]: les techniques deb pp g [ 9 ] qclipping fonctionnent mieux sur des signaux interpolés.

27

Résultats de simulation

• MER vs. mPAPR55

45

50

55

original solutionfs−solution

2fs−solution

35

40

45

in d

B)

25

30

ME

R (

in

15

20

6 7 8 9 10 11 12 13 1410

mPAPR (in dB)

28

Résultats de simulation

• DSP vs. mPAPR

−25

−20Original solutionfs−solution

2fs solution

transmission mask

−35

−30

HZ

(in

dB

)

−45

−40

PS

D a

t 4.2

MH

Z

−55

−50

6 7 8 9 10 11 12 13 14−60

mPAPR (in dB)

29

Résultats de simulation• Ces 2 nouvelles architectures incluant un DC augmentent

significativement les performances du modulateur DVBconcernant le spectre d’émission (jusqu’à 15 dB de gain)concernant le spectre d émission (jusqu à 15 dB de gain).

• Pour le MER, les dégradations par rapport à la solutionoriginale restent limitées et acceptables surtout pour laoriginale restent limitées et acceptables, surtout pour lasolution 2fs (3 dB environ).

Mais DC est supposé limiter le peak regrowth … donc améliorer le MER.

• Raisons possibles: Entre solution originale et solutions alternatives, il y a un clipping en plus

donc plus de distorsions. bli ti d difi l LPF l l ti 2f obligation de modifier le LPF pour la solution 2fs.

• Les améliorations de performances la solution fs proviennentdonc du DC uniquement et celle de la solution 2fs de ladonc du DC uniquement et celle de la solution 2fs de lacombinaison du DC et du nouveau LPF.

30

Test sur plateforme de simulation

• Implémentation de la solution 2fs sur une cartede simulation TeamCastde simulation TeamCast.

• On compare les performances de ce nouveaumodulateur avec celles du modulateur DVBinitial.

31

Test sur plateforme de simulation

• MER vs. mPAPR55

45

50

55

Original solution − Simulation2f

s−solution − Simulation

Original solution − Testbed2f

s − solution − Testbed

35

40

(in

dB

)

25

30

ME

R (

in

15

20

6 7 8 9 10 11 12 13 1410

mPAPR (in dB)

32

Test sur plateforme de simulation

• DSP vs. mPAPR−20

−30

−25

−20Original solution − Simulations2f

s−solution − Simulation

Original solution − Testbed2f

s−solution − Testbed

Transmission mask

−35

−30

.2 M

Hz

(in d

B)

−45

−40

PS

D le

vel a

t 4.2

M

−55

−50

PS

6 7 8 9 10 11 12 13 14−60

mPAPR (in dB)

33

Test sur plateforme de simulation• Forte concordance entre résultats de simulation et

les tests sur plateforme.

• Pour les fortes valeurs de mPAPR (cad pour dessignaux très légèrement clippés) divergence dessignaux très légèrement clippés), divergence desrésultats:Distorsions majoritairement dues aux filtres.Filtre analogique supplémentaire sur la plateformeFiltre analogique supplémentaire sur la plateforme.

• Remarque: les valeurs des DSP sont souvent trèslargement au dessus du masque de transmissionlargement au dessus du masque de transmissionEn fait, il faut que le masque de transmission soit respecté au

niveau de l’antenne et non avant le PA (notre cas).Pour cela un filtre très sélectif est présent après le PA pour entrerPour cela, un filtre très sélectif est présent après le PA pour entrer

dans le masque.

34

Flexibilité du modulateur

• Pour la solution 2fs, on observe la présence de 2opérations de clipping.opérations de clipping.

• Notons R le rapport entre le niveau de clippingNotons R le rapport entre le niveau de clippingdu RC et du DC (en linéaire):

• R<1 signifie que le RC est plus sévère que le DC.g q p q

• On étudie l’influence des performances selon lespniveaux de clipping relatifs du RC et du DC.

35

Flexibilité du modulateur

• R<1: le DC est faible et leRC est fort.Forte remontée des lobes de

la DSP.Mais faible dégradation du28

30

49

52

MER PSD f gMER car clipping fait aprèsune interpolation par 8.

24

26

n dB

)

43

46

2 M

Hz

(in d

B)

MER

• R>1: le DC est fort et leDC est faible.

F t é é ti d b it i18

20

22

ME

R (

in d

34

37

40

PS

D le

vel a

t 4.2

M

Forte génération de bruit inet out-of-band.

Mais le LPF permet delimiter le bruit hors bande

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 214

16

18

R0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2

28

31

34

limiter le bruit hors-bande.Le RC apparait transparent.

R

36

Bilan

• Etude approfondie de la littérature sur lestechniques de réduction du PAPR.techniques de réduction du PAPR.

• Extraction de solutions avec fort potentielExtraction de solutions avec fort potentield’application pour le DVB.

• Tests et validation d’une architecture demodulateur DVB qui inclut une technique deréduction du PAPR retenue.

• Résultats de ces études présentés à ICT 2010.

37

1) Deep Clipping2) Technique Guel

38

Deep Clipping

IFFT

data

IG LPF Inter1RC

Inter2 Inter3 Inter4RC RC

• Toutes les combinaisons ont été testées:On montre que les meilleures performances sont atteintes si

on remplace le 1er RC par un DC (comme attendu) …

• … mais on ne gagne au maximum que 0.3 dB surles performances de la solution initiale !!les performances de la solution initiale !!

39

Deep Clipping

• Raisons possibles:

Le DC semble le plus efficace sur des forts pics de puissance.Or en DVB, la plus faible taille de FFT en DRM a pour

é l é é i d i à l f ibl Aconséquence la génération de signaux à plus faible PAPR:

40

Deep Clipping

• Raisons possibles:

Le grand nombre d’interpolation (insertion de 0 + filtrage)peut introduire à chaque fois un peu de peak regowth qui peut

l ihil b t d h i l i té l DCalors annihiler en bout de chaine le gain apporté par le DC.

Quelques simulations semblent confirmer cela.Q q f

• Tentative d’exploiter aussi les propriétés del’interpolation comme en DVB.Nous n’avons pas constaté d’amélioration des performances.

41

Technique Guel

• Le DVB et le DRM ne prévoit pas de porteusesréservées dans les standardsréservées dans les standards.Il est nécessaire d’adapter la technique.

• Dans les simulations, onconsidère que l’on réserve 50porteusesporteuses.

• On remplace le 1er clipping parp pp g pcette technique.

Aucun clipping dans la suite• Aucun clipping dans la suitede la chaine.

42

Technique Guel

• On observe les CCDF en différents endroits de lachaine On a alors:chaine. On a alors:

100

10-2

10-1

10-3

10-5

10-4 Apres IFFTApres technique de réductionAprès filtre passe bas

4 5 6 7 8 9 10 11 12

En fin de chaine, les perf sont confondues avec la sol. initiale.

43

Technique Guel

• Etude spectrale:

-10

0

DSP en bout de chainemasque DRM

-30

-20

-50

-40

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

x 104

-60

0

Sans améliorer le PAPR, on est déjà en dehors du masque de transmission.

44

Technique Guel

• Raison qui peut expliquer ces performancesdécevantes de cette technique:décevantes de cette technique:

Le signal additif a des composantes fréquentielles bienLe signal additif a des composantes fréquentielles bienprécises pour réduire le PAPR.

La présence de nombreux filtrages dans la chaine DRM peutainsi faire perdre ces propriétés spectrales intéressantes.

45

Bilan

• Pour le DRM, bilan plus que mitigé.

• Malgré de nombreux tests et propositions, onn’améliore quasiment pas les performances de lasolution initiale.

Rôl t l d filt d l f d t h i• Rôle central du filtrage dans les perf. des techniquesde réduction du PAPR.

• Peut être que la solution initiale est la solutionoptimale au regard des contraintes de complexité etp g pde performances imposées.

46

Conclusions

• Projet AMONT profitable aussi bien pour:Les industriels (amélioration de modulateurs, meilleure

compréhension des phénomènes mis en jeu) ,Que pour les académiques (problématique « système » de la

réduction du PAPR, apport des algorithmes de linéarisation).

• Extraction de nouvelles voies de recherche:Vision système du problème de réduction du PAPR. ImportanceVision système du problème de réduction du PAPR. Importance

des opérations de filtrage.Combiner réduction du PAPR et linéarisation ?

• Valorisation:Les modulateurs TeamCast incluent désormais la réduction du

PAPR l D Cli iPAPR avec le Deep Clipping.Papier accepté à ICT 2010.Démarrage d’une activité de recherche à l’ECAM Rennes.

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2nde solution

• On exploite les propriétés des interpolations concernantle bruit de clipping [Cimini98]: les techniques deb pp g [ 9 ] qclipping fonctionnent mieux sur des signaux interpolés.