Resumen de Modeling and compensation of non-linear effects in wireless communications systems
La Ingeniería de Microondas y Radiofrecuencia ha ido adquiriendo una importancia cada vez mayor en los últimos años, incentivada en particular por el excepcional crecimiento de las comunicaciones móviles digitales. Es evidente una tendencia hacia frecuencias de operación más altas y mayores anchuras de banda. Uno de los principales retos que se plantea en el análisis y diseño asistido por computador de los sistemas de alta frecuencia es el desarrollo de técnicas de modelado y algoritmos de simulación precisos, robustos y eficientes, que tengan en cuenta el comportamiento no lineal de los dispositivos.
La última década en particular, se ha caracterizado por la necesidad de una eficiente utilización del espectro en comunicaciones móviles. Los requisitos de linealidad exigidos a los principales bloques que componen estos sistemas de comunicaciones son un punto crítico, ya que está presente el recrecimiento espectral, ensanchamiento del espectro de la señal causante de potenciales interferencias, debido a las no linealidades.
Un primer paso en el análisis de los dispositivos de microondas en general consiste en modelar de forma precisa el comportamiento de los mismos, teniendo en cuenta su característica lineal y no lineal. Los modelos de comportamiento (behavioral models) son modelos de �caja negra� a nivel de sistema que proporcionan un método eficiente para relacionar las señales de entrada y salida sin necesidad de realizar un análisis físico del dispositivo o sistema.
Una clara tendencia en los sistemas de comunicaciones inalámbricas en la actualidad es el empleo del acceso múltiple por división en frecuencias ortogonales (OFDMA), basado en la técnica de multiplexación por división en frecuencias ortogonales (OFDM), en la interfaz de radio de los mismos. A juicio del autor, el estudio de las no linealidades en sistemas basados en OFDM no ha sido lo suficientemente abordado desde el punto de vista experimental. En la literatura técnica se pueden encontrar un número considerable de publicaciones donde se considere un canal no lineal para representar el comportamiento de un amplificador de potencia cuando está siendo excitado por una señal OFDM. Sin embargo, estos estudios se enmarcan en un entorno de simulación (Costa & Pupolin, 2002; Diet et al., 2004; Ligata et al., 2010; Tseng, 2010a). Empleando simulaciones también, la compensación de los efectos indeseados generados por este dispositivo no lineal es tratada en (Ryu & Lee, 2003; Ai et al., 2007; Chiu et al., 2008; Omer et al., 2009; Y. Chen et al., 2009, 2010; Z. Li & Mu, 2011; Varahram & Ali, 2011).
Esta tesis está dedicada al análisis, caracterización y compensación de los efectos no lineales en sistemas de comunicaciones inalámbricos. Como se ha mencionado con anterioridad, los sistemas basados en la técnica OFDM constituyen aparentemente la solución para satisfacer las necesidades de los usuarios de banda ancha inalámbrica. De ahí que esta técnica sea estudiada con relativa profundidad junto a los aspectos fundamentales que caracterizan a estos nuevos estándares de comunicaciones inalámbricas, como son Long Term Evolution (LTE) y la segunda generación de Digital Video Broadcasting (DVB-T2).
En los inicios de la investigación llevada a cabo durante el desarrollo de esta tesis, algunos comportamientos no lineales son detectados en el primer bloque de un sistema de comunicaciones inalámbricas que involucra algún módulo de radiofrecuencia: el modulador en cuadratura. A través de una caracterización de dos tonos se obtiene un modelo capaz de describir el comportamiento no lineal de este dispositivo, en el cual la asimetría entre los productos de intermodulación de un mismo orden se explica mediante la presencia de efectos de memoria. Toma especial interés la asimetría observada en el producto de intermodulación de segundo orden, siendo ´esta explicada teóricamente mediante el empleo de funciones transferenciales no lineales en las secciones de banda base y de radiofrecuencia del modulador en cuadratura.
Los modelos de comportamiento desarrollados para amplificadores de potencia también son estudiados en esta tesis, comenzando por la revisión en la literatura técnica de los principales planteamientos obtenidos hasta la fecha. Los mismos son estudiados a través de dos grandes grupos, aquellos que fueron deducidos mediante el empleo de algún conocimiento físico del dispositivo o, si por el contrario, han sido obtenidos en conformidad con la filosofía ad hoc, donde simplemente se intenta encontrar la función matemática que describa de forma más precisa un conjunto de medidas. Se presenta una interesante aplicación del modelado comportamental en amplificadores, en la cual los efectos de memoria de baja frecuencia para diferentes tasas de símbolos son modelados correctamente. Además se consigue evaluar el impacto de los mismos sobre indicadores que caracterizan el funcionamiento de un sistema de comunicaciones.
Finalmente, la compensación de estos efectos no lineales se lleva a cabo a través de dos enfoques distintos. En un primer enfoque se consiguen funciones inversas de las características AM-AM y AM-PM descritas por el amplificador que se estudia para ser aplicadas en el extremo receptor, obteniéndose una forma sencilla pero efectiva de linearización. Se demuestra la validez de la técnica con la reducción de la magnitud del vector error (EVM, por sus siglas en inglés) y con una mejora en la característica de probabilidad de bit erróneo frente a relación señal a ruido. Como forma alternativa de compensación, o complementaria a la anterior, se propone la precompensación de una cadena de amplificación a través de una novedosa técnica de predistorsión. Esta técnica de predistorsión es optimizada para combatir la distorsión dentro de la banda que contiene la señal útil, la cual es validada de manera experimental con señales de estándares basados en OFDM: LTE y DVB-T2. Además, esta técnica se utiliza en la linearización de un amplificador eficiente clase J, el cual contiene como elemento activo un dispositivo GaN de 15W, obteniéndose mejoras de EVM y disminuciones del recrecimiento espectral. En este estudio en concreto, el amplificador de potencia ha sido excitado con señales correspondientes a la tercera y cuarta generación de estándares móviles, 3G y 4G, respectivamente.
