Behavioural modelling and digital predistortion of asymmetrically routed phased array transmitter

Abstract

The growth of wireless communications have led to increasing demand for high data rates, lower latency and enhanced spectral efficiency. The continuously growing data rates demands higher energy efficiency from radio access networks. The radio frequency (RF) power amplifier (PA) which drives power to the antennas becomes the highest accountable for the power usage as well as for the nonlinear distortions. Among other linearization techniques, digital predistortion (DPD) has gained popularity as it enables the PAs to operate near the saturation region, with a higher level of efficiency while compensating for the nonlinear distortions.

This master's thesis focuses on understanding the nonlinear distortions of phased arrays which employ asymmetrical signal feeding networks instead of the conventionally used tree like feeding networks. The entire behavioural model is built in the MATLAB environment. The feeding network is modeled with true time delay (TTD) lines in order to minimize the impact of beam squinting effect which is often seen in traditional phased arrays with phase shifters. Moreover, the nonlinear distortions of the said system is linearized based on the error vector magnitude (EVM) and adjacent channel leakage ratio (ACLR) targets predetermined for the operating frequency of 10 GHz. In order to achieve the desired linearization merits the simulator uses a least squares (LS) fitting based DPD algorithm.

Langattoman tietoliikenteen määrän ja palvelujen vaatimusten kasvu on johtanut vaatimukseen nopeammista datanopeuksista, pienemmästä latenssista ja paremmasta spektritehokkuudesta. Kasvavat datanopeudet lisäävät myös tarvetta radioverkkojen paremmalle energiatehokkuudelle. Radiotaajuinen (RF) tehovahvistin (PA) ajaa suuritehoista radiosignaalia antenniin ja näin ollen sen hyötysuhde ja epälineaarisuus on tärkeä energiatehokkuuden kannalta. Digitaalinen esivääristys (DPD) on yksi tärkeimmistä ja eniten käytetyistä menetelmistä parantamaan lähettimen lineaarisuutta ja samalla mahdollistamaan hyvän hyötysuhteen.

Tyypillisesti vaiheistetut ryhmät käyttävät symmetristä rakennetta signaalien reititykseen summapisteestä antenneille. Tässä työssä tutkitaan vaihtoehtoisen, epäsymmetrisen reititysarkkitehtuurin vaikutusta tehovahvistimien tuottamaan epälineaariseen häiriöön vaiheistetuissa ryhmissä. Epäsymmetrian merkitystä tutkitaan MATLABissa rakennetulla käyttäytymismallilla mallintamalla viivettä taajuusriippuvalla vaihevasteella. Lisäksi työssä tutkitaan vastaavan arkkitehtuurin digitaalista esivääristystä yksinkertaistetulla käyttäytymismallilla käyttämällä pienimmän neliösumman (LS) sovitusta. Käytetty keskitaajuus on 10 GHz ja kaistanleveyttä vaihdetaan eri skenaarioihin. Tarkasteltavina asioina ovat amplitudi- ja vaihesärö, virhevektori (EVM) sekä viereisen kaistan häiriön suhde (ACLR).