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àČtude d'une forme d'onde multiporteuses à† faibles variations de puissance

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par Wendyida Kabore
SUPCOM/SUPELEC - Ingénieur en télécommunications 2012
  

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CYCLE DE FORMATION DES INGÉNIEURS EN TÉLÉCOMMUNICATION

OPTION:

Wireless Networks and Communications (WinCom)

RAPPORT DE PROJET DE FIN D'ÉTUDES

Étude d'une forme d'onde multiporteuses à

faibles variations de puissance

Réalise par:

Abraham Wendyida KABORE

Encadre par:
M. Jacques PALICOT , Professeur à SUPELEC.
M. Mohamed SIALA , Professeur à SUPCOM
Mme. Fatma ABDELKEFI , Maitre-assistant à SUPCOM

Travail proposé et réalisé en collaboration avec

Année Universitaire 2011-2012

DÉDICACES

2

A ma famille, pour son soutien indefectible.

i

RÉSUMÉ

L'amplification des signaux à grande dynamique consomme énormément d'énergie. Aussi une solution possible afin de profiter d'un rendement maximal de l'amplificateur consiste à amplifier des signaux à enveloppe constante. Or les signaux actuellement proposés dans beaucoup de systèmes radio mobile sont des signaux multiporteuses qui sont très avantageux mais qui par principe ont un PAPR élevé.

Dans ce stage, nous avons étudié une forme d'onde multiporteuses (pour profiter de tous les avantages inhérents à celle-ci) ayant un PAPR faible. Il s'agit ici d'utiliser des techniques de diminution de PAPR à l'aide de techniques d'ajout de signal, couplées avec une nouvelle définition du signal multiporteuses.

Le clipping par exemple, qui permet de diminuer le PAPR a ainsi été modélisé comme une technique d'ajout de signal, mais l'ajout du signal de clipping se fait sur certaines porteuses " libres " qui ne sont pas utilisées pour transmettre les données. Aussi pour ajouter le signal de clipping d'une façon plus efficace, on a besoin d'avoir plus d'espace fréquentiel. L'idée ici est d'utiliser un codage duobinaire sur chacune des sous-porteuses OFDM pour réduire leur occupation spectrale de moitié. On utilise ainsi le spectre vacant pour ajouter le signal de clipping de manière orthogonale au signal de données.

Ensuite vient l'étude des performances de cette nouvelle forme d'onde en termes de gain en PAPR, de complexité (processus de réception) et d'ACPR. Cette étude a prouvé un gain considerable issu de cette nouvelle technique qu'on propose. Elle a l'avantage d'avoir une compexité réduite soit du point de vue implémentation qu'au niveau calculatoire.

- ii -

Mots clés:

Éco-radio, modulations multiporteuses, radio intelligente, PAPR, OFDM, clipping, Tone Reservation, codage duobinaire, codes à reponse partielle.

iii

ABSTRACT

Power amplification efficiency enhancement is a critical issue for wireless communication applications. The amplification of signals that have a high dynamic range consumes a lot of energy. Amplifying signals with a constant envelope is a possible solution to get a maximum performance of the amplifier. However, the signals that are currently available in several systems, are multi-carrier signals which are very attractive but have a high PAPR in principle.

During this internship, we studied a multi-carrier waveform (to enjoy all the benefits inherent in it) with a low PAPR. This is about to use PAPR reduction techniques like "adding signal" methods, coupled with a new definition of the multicarrier signal.

The clipping for example, has been modeled as an adding signal technique, but the addition of the clipping signal occurs on certain free subcarriers that are not used to transmit data. Not all the clipping signal frequencies are used. The major problem is that the subcarriers on which the clipping signal can be added are reduced in number. So to add the clipping signal more efficiently we need to have more frequency space. The key idea here is to perform the duobinary coding in each of the OFDM subcarriers. The duobinary coding reduces the spectral occupancy by half. Thus, we can use the vacant spectrum to add the clipping signal orthogonaly to the data signal. Then comes the study of the performances of this new waveform in terms of gain in PAPR, complexity (receiving process) and ACPR. This study confirm the efficiency of the proposed technique.

Key Words:

Green communication, multi-carrier modulations, cognitive radio, PAPR, OFDM, clipping, Tone Reservation, Duobinary coding.

- iv -

v

AVANT PROPOS ET

REMERCIEMENTS

Le présent mémoire expose mes travaux du projet de fin d'études effectués au sein du laboratoire SCEE (Signal Communication et Electronique Embarqué) de Supelec rennes, spécialisé dans le traitement de signal et qui possède une vaste expérience dans l'étude et la conception des futurs systèmes de communication basés sur les concepts de radio Logicielle et de radio Intelligente.

Au terme de ce travail, je tiens à remercier le professeur Jacques Palicot responsable du laboratoire SCEE, pour l'opportunité qui m'ai été offerte de pouvoir réaliser ce stage sous sa direction au sein du laboratoire SCEE, et pour son encadrement.

J'aimerai remercier aussi tous les professeurs et post-doctorants membres du laboratoire qui m'ont aidé au cours des différentes phases de ce travail, en répondant à mes questions et en m'aiguillant dans mon étude.

Je remercie mes encadreurs de Tunis, madame Fatma Abdelkefi (maitre assistant à SUP'COM) et monsieur Mohamed Siala (professeur à SUP'COM) pour leurs suggestions et directives avant et pendant le stage.

Enfin merci à toute l'équipe SCEE , surtout les doctorants et stagiares qui m'ont supporté pendant ces mois de stage.

vi

TABLE DES MATIÈRES

Liste des ABRÉVIATIONS xi

Introduction Générale 1

1 Problématique du PAPR 3

1.1 Reduire la consommation énergétique des TIC. 4

1.1.1 Contribution des réseaux sans fil à la consommation énergétique

des TIC. 4

1.1.2 Amplificateur de puissance. 6

1.2 Modulations multiporteuses 9

1.2.1 Radio intelligente 10

1.2.2 OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing 12

1.3 PAPR des signaux multiporteuses de type OFDM 15

1.3.1 Distribution du PAPR des signaux OFDM 16

1.4 Solutions possibles au problème du PAPR 18

1.4.1 Formes d'onde à PAPR très faible: GMSK 18

1.4.2 Techniques de réduction du PAPR 18

1.4.3 Recul d'entrée et de sortie de l'amplificateur 19

1.4.4 Les méthodes qui portent sur l'amplificateur 19

2 Nouvelle forme d'onde 21

2.1 Techniques de réduction du PAPR 21

2.1.1 Techniques d'ajout de signal 22

2.1.2 Tone Reservation 25

2.1.3 Tone Reservation et clipping 26

2.2 Dimunition du spectre réalisée par le codage duobinaire 28

- vii -

2.2.1 Codes à réponse partielle: le duobinaire 28

2.3 La nouvelle forme d'onde 31

2.3.1 Réduction de spectre pour l'OFDM avec du duobinaire sous

chaque sous-porteuse 35

3 Performances de la Nouvelle forme d'onde 38

3.1 Performances de la nouvelle forme d'onde 38

3.1.1 Taux d'erreur binaire 40

3.1.2 Performances en termes de réduction du PAPR 41

3.1.3 Dimunition de l'ACPR 50

3.1.4 Variation de la puissance moyenne 51

3.2 Implémentation et processus de réception 52

3.2.1 Complexité 52

Conclusion Générale et perspectives 56

Annexe: Décodage du signal réçu 58

viii

LISTE DES FIGURES

1.1 Répartition de la consommation d'énergie dans les réseaux sans fil . . . 5

1.2 Répartition de la consommation d'énergie par composants pour les sta-

tions de base. 6

1.3 Bilan de puissance de l'amplificateur. 7
1.4 Caractéristique d'un amplificateur de puissance intégrant rendement et

non linéarités 8
1.5 Evolution de la dynamique des signaux radio mobile aufil des générations. 9

1.6 Modulateur OFDM numérique. 14

1.7 Démodulateur OFDM numérique. 14

1.8 Caractéristique d'un amplificateur de puissance intégrant rendement et

non linéarités 19

2.1 Distorsions engendrées par le clipping: remontées des composantes out

of band. 24

2.2 Différentes manières d'éffectuer le clipping 25

2.3 Schéma du principe de la Tone Reservation. 26

2.4 Clipping au seuil Lclip 27

2.5 Génération des symboles duobinaires. 29

2.6 Modulateur OFDM classique. 32

2.7 Modulateur OFDM Duobinaire 33

2.8 DSP binaire et Duobinaire pour N=64 sous-porteuses. 34

2.9 DSP binaire et Duobinaire pour N= 64 sous-porteuses zoom 35

2.10 Evolution temporelle du signal sur une seule sous-porteuse 36

3.1 Mapping des sous-porteuses à l'entrée de l'IFFT 39

3.2 Gain de spectre dans chaque sous-porteuse 40

- ix -

3.3 Sous-porteuses additionnelles pour le signal de réduction du PAPR . . . 41 3.4 Calcul du gain en réduction du PAPR à une valeur particulière de la

CCDF 42
3.5 Distribution du PAPR théorique et simulé dans le cas d'une constella-

tion BPSK 43
3.6 Distribution du PAPR théorique et simulé pour l'OFDM continu dans

le cas d'une constellation BPSK 44

3.7 Effet du suréchantillonnage sur le PAPR 45

3.8 Le codage duobinaire n'augmente pas le PAPR 46

3.9 Etalement temporel des symboles OFDM 47

3.10 PAPR pour un clipping à 10 dB 48

3.11 PAPR pour un clipping à 2 dB 49

3.12 Gain de PAPR de la nouvelle forme pour plusieurs taux de clipping. . 50

3.13 Variation du rapport Py Px en fonction du niveau de clipping. 52

3.14 Système équivalent à la nouvelle forme d'onde à la réception 53

3.15 Génération du signal d'ajout 54

3.16 Nouvelle forme d'onde avec un seuil de clipping à 3dB et 5 itérations. 55

3.17 Suite de symboles OFDM duobinaire 58

X

LISTE DES TABLEAUX

2.1 Exemple de codage duobinaire 30

3.1 Paramètres de simulation 39

xi

- xii -

LISTE DES ABRÉVIATIONS

4G Fourth Generation

3GPP 3rd Generation Partnership Project

ACPR Adjacent Channel Power Ratio

ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line

BBAG Bruit Blanc Additif Gaussien

BTS Base Transceiver Station

BPSK Binary Phase Shift Keying

CCDF Complementary Cumulative Distrution Function

DAB Digital Audio Broadcasting

DVB Digital Video Broadcasting

EVM Error Vector Magnitude

FDM Frequency Division Mulitplexing

FFT Fast Fourier Transform

GMSK Gaussian Minimum Shift Keying

GSM Global System for Mobile communications

LTE Long Term Evolution

ICI Inter Carrier Interference

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

IES Interference Entre Symboles

ISI Inter-Symbol Interference

IFFT Inverse Fast Fourier Transform

IB In Band

OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing

OOB Out Of Band

PAPR Peak to Average Power Ratio

SDR Software Define Radio

TEB Taux d'Erreur Binaire

TIC Technologies de l'Information et de la Communication

WiFi Wireless Fidely

WIMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access

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"Je voudrais vivre pour étudier, non pas étudier pour vivre"   Francis Bacon