Alexandre Skrzypczak - Etude et développement de techniques visant à lutter contre les effets non-linéaires des émetteurs DVB et DRM

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1. Etude et développement de techniques visant à lutter contre les effets non-linéaires visant à lutter contre les effets non-linéaires des émetteurs DVB et DRM A. Skrzypczak Séminaire SCEE 04/02/2010
2. 1 Contexte • Cette présentation montre les résultats obtenus durant mes 18 mois de Post-Doc à Supélec durant mes 18 mois de Post-Doc à Supélec (Février 08 -> Juin 09). Dans le cadre du projet AMONT Dans le cadre du projet AMONT. Application de mes travaux de thèse dans un contexte industriel. • Présente aussi les travaux de J. Dubois sur la li é i ti linéarisation: Stage master à l’ECAM Rennes. Contribution de l’ECAM Rennes au projet AMONT Contribution de l ECAM Rennes au projet AMONT.
3. 2 Objectifs du projet AMONT • Contribuer à l’amélioration des performances de modulateurs de TV et de radio numériques. q • Utiliser les PA à un meilleur rendement, sans dégrader significativement les performances en spectre d’émission et en TEB. • Se traduit par une meilleure couverture et par un avantage concurrentiel pour les entreprises avantage concurrentiel pour les entreprises. • 2 voies de prospection: réduction du PAPR et p p linéarisation des PA.
4. 3 Plan • Description du projet AMONT • Les standards DVB et DRM. Chaines de transmission de référence. transmission de référence. • Etude de techniques de réduction du PAPR q adaptées à la problématique abordée. DVB-T/H DRM DRM • Bilan du projet • Bilan du projet
6. 5 Le projet AMONT • AMONT = Adaptation de Modulation OFDM face 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 la 4 , p p région Bretagne. • Projet PME/PMI + labo universitaire.
7. 6 Le projet AMONT • Projet collaboratif liant le milieu industriel avec le milieu académique milieu académique.  Partenaires industriels:  Digidia: basé au Rheu (35) spécialisé dans les solutions Digidia: basé au Rheu (35), spécialisé dans les solutions de radio numérique (DAB, DRM, DRM+).  TeamCast: basé à St Grégoire (35), constructeur de modulateurs 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).
8. 7 Le projet AMONT • But du projet: limiter les distorsions à l’émission dues aux non-linéarités des amplificateurs de dues aux non-linéarités des amplificateurs de puissance (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 amplifier Réduire la dynamique en puissance des signaux à amplifier: Supélec. Linéariser le PA: ECAM Rennes.
9. 8 1) Description et modes retenus pour simulation 2) Chaine de référence DVB 3) Chaine de référence DRM 3) Chaine de référence DRM
10. 9 Le standard DVB • Standard de TV numérique utilisant l’OFDM: T: Terrestrial T: Terrestrial C: Cable S: Satellite H: 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, 470-830 MHz et 1.452-1.492 GHz.
11. 10 Mode DVB • Plusieurs configurations possibles Mode 2K 4K et 8K pour l’OFDM Mode 2K, 4K et 8K pour l OFDM QPSK, 16-QAM, 64-QAM IG = 1/32, 1/16, 1/8, 1/4 • Mode retenu: 2K sur un canal de 8MHz. porteuse Taille FFT IG MAQ Trame T0 1705 2048 1/8 64 68 224 µs
12. 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
13. 12 Le standard DRM • DRM = Digital Radio Mondiale. Radiodiffusion numérique Radiodiffusion numérique. Vocation à remplacer la radio analogique en conservant les infrastructures radio déjà déployées (amplificateur). • Comme dans le cas du DVB, plusieurs modes et fi ti t ibl configurations sont possibles. On simule le mode A à 9 kHz. porteuse Taille FFT IG MAQ Trame T0 288 205 1/9 64 15 24 ms
14. 13 Chaine de référence DRM IFFT data IG LPF Inter1 RC Inter2 Inter3 Inter4 RC RC • Data: symboles issus d’une constellation donnée Data: 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.
15. 14 Chaine de référence DRM IFFT data IG LPF Inter1 RC Inter2 Inter3 Inter4 RC 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 en puissance (PAPR). • La chaine réduite (4 interpolations) suffit pour déterminer les • La chaine réduite (4 interpolations) suffit pour déterminer les spectres d’émission et calculer les distorsions à l’émission.
16. 15 1) Contraintes sur les techniques à retenir 2) Description des solutions étudiées 3) Critères de performances 3) Critères de performances
17. 16 Contraintes à satisfaire • Il existe un très grand nombre de techniques de réduction du PAPR dans la littérature: réduction du PAPR dans la littérature: Methodes d’ajout de signal. Méthodes basées sur le codage. g Méthodes probabilistes. Né i é d f i i él i i • Nécessité de faire un tri et une sélection parmi les techniques existantes. Né i é d d i è di i i Nécessité de trouver des critères discriminants.  Contraintes théoriques. Contraintes pratiques. p q
18. 17 Contraintes dues au DVB-DRM • Plusieurs modes de fonctionnement QPSK jusqu’à 64-QAM QPSK jusqu à 64 QAM Mode 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 spectre d’émission spécifié dans les normes p d émission spécifié dans les normes. Technique qui ne dégrade pas de manière significative le spectre d’émission.
19. 18 Contraintes techniques • La structure des récepteurs est figée. La technique de réduction à l’émission ne doit impliquer une La technique de réduction à l émission ne doit impliquer une modification du récepteur. Technique à compatibilité descendante. • Les distorsions dans la bande au niveau de l’émetteur doivent être raisonnables. l émetteur doivent être raisonnables. Faible dégradation du MER (Modulation Error Ratio) • Efficacité d’intégration (Modulation Error Ratio). Complexité raisonnable.
20. 19 Techniques potentielles Techniques possibles: 1) Clipping 2) Deep Clipping 3) S l ti G l 3) Solution Guel 4) Peak Windowing 5) ACE 6) SOCP 6) SOCP Le clipping est ici la technique de référence, déjà implémentée actuellement dans les modulateurs.
21. 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.
22. 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 la b d d i l bande du signal.
23. 22 Critères de performance • Remontée des lobes secondaires  Etude de la DSP  Etude de la DSP À 4.2 Mhz pour le DVB. À 4.77 kHz pour le DRM. 4 77 p 0 -30 -20 -10 P (en dB) 60 -50 -40 DSP -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 x 104 -60 Fréquence (en Hz)
24. 23 Critères de performance • Distorsion dans la bande Calculé 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:
25. 24 1) Deep Clipping - Solution fs 2) Deep Clipping - Solution 2fs
26. 25 1ère solution • Pour limiter au maximum le peak regrowth, on insère le DC où il est a priori le plus efficace: insère le DC où il est a priori le plus efficace: avant le LPF.
27. 26 2nde solution • On exploite les propriétés des interpolations concernant le bruit de clipping [Cimini98]: les techniques de b pp g [ 9 ] q clipping fonctionnent mieux sur des signaux interpolés.
28. 27 Résultats de simulation • MER vs. mPAPR 55 45 50 55 original solution f s −solution 2f s −solution 35 40 45 in dB) 25 30 MER (in 15 20 6 7 8 9 10 11 12 13 14 10 mPAPR (in dB)
29. 28 Résultats de simulation • DSP vs. mPAPR −25 −20 Original solution f s −solution 2f s solution transmission mask −35 −30 HZ (in dB) −45 −40 PSD at 4.2 MHZ −55 −50 6 7 8 9 10 11 12 13 14 −60 mPAPR (in dB)
30. 29 Résultats de simulation • Ces 2 nouvelles architectures incluant un DC augmentent significativement les performances du modulateur DVB concernant 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 solution originale restent limitées et acceptables surtout pour la originale restent limitées et acceptables, surtout pour la solution 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 proviennent donc du DC uniquement et celle de la solution 2fs de la donc du DC uniquement et celle de la solution 2fs de la combinaison du DC et du nouveau LPF.
31. 30 Test sur plateforme de simulation • Implémentation de la solution 2fs sur une carte de simulation TeamCast de simulation TeamCast. • On compare les performances de ce nouveau modulateur avec celles du modulateur DVB initial.
32. 31 Test sur plateforme de simulation • MER vs. mPAPR 55 45 50 55 Original solution − Simulation 2f s −solution − Simulation Original solution − Testbed 2f s − solution − Testbed 35 40 (in dB) 25 30 MER (in 15 20 6 7 8 9 10 11 12 13 14 10 mPAPR (in dB)
33. 32 Test sur plateforme de simulation • DSP vs. mPAPR −20 −30 −25 −20 Original solution − Simulations 2f s −solution − Simulation Original solution − Testbed 2f s −solution − Testbed Transmission mask −35 −30 .2 MHz (in dB) −45 −40 PSD level at 4.2 M −55 −50 PS 6 7 8 9 10 11 12 13 14 −60 mPAPR (in dB)
34. 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 des signaux très légèrement clippés) divergence des signaux très légèrement clippés), divergence des résultats: Distorsions majoritairement dues aux filtres. Filtre analogique supplémentaire sur la plateforme Filtre analogique supplémentaire sur la plateforme. • Remarque: les valeurs des DSP sont souvent très largement au dessus du masque de transmission largement au dessus du masque de transmission En 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 entrer Pour cela, un filtre très sélectif est présent après le PA pour entrer dans le masque.
35. 34 Flexibilité du modulateur • Pour la solution 2fs, on observe la présence de 2 opérations de clipping. opérations de clipping. • Notons R le rapport entre le niveau de clipping Notons R le rapport entre le niveau de clipping du 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 les p niveaux de clipping relatifs du RC et du DC.
36. 35 Flexibilité du modulateur • R<1: le DC est faible et le RC est fort. Forte remontée des lobes de la DSP. Mais faible dégradation du 28 30 49 52 MER PSD f g MER car clipping fait après une interpolation par 8. 24 26 n dB) 43 46 2 MHz (in dB) MER • R>1: le DC est fort et le DC est faible. F t é é ti d b it i 18 20 22 MER (in d 34 37 40 PSD level at 4.2 M Forte génération de bruit in et out-of-band. Mais le LPF permet de limiter 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 2 14 16 18 R 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 2 28 31 34 limiter le bruit hors-bande. Le RC apparait transparent. R
37. 36 Bilan • Etude approfondie de la littérature sur les techniques de réduction du PAPR. techniques de réduction du PAPR. • Extraction de solutions avec fort potentiel Extraction de solutions avec fort potentiel d’application pour le DVB. • Tests et validation d’une architecture de modulateur DVB qui inclut une technique de réduction du PAPR retenue. • Résultats de ces études présentés à ICT 2010.
38. 37 1) Deep Clipping 2) Technique Guel
39. 38 Deep Clipping IFFT data IG LPF Inter1 RC Inter2 Inter3 Inter4 RC 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 sur les performances de la solution initiale !! les performances de la solution initiale !!
40. 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 A conséquence la génération de signaux à plus faible PAPR:
41. 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 DC alors 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 de l’interpolation comme en DVB. Nous n’avons pas constaté d’amélioration des performances.
42. 41 Technique Guel • Le DVB et le DRM ne prévoit pas de porteuses réservées dans les standards réservées dans les standards. Il est nécessaire d’adapter la technique. • Dans les simulations, on considère que l’on réserve 50 porteuses porteuses. • On remplace le 1er clipping par p pp g p cette technique. Aucun clipping dans la suite • Aucun clipping dans la suite de la chaine.
43. 42 Technique Guel • On observe les CCDF en différents endroits de la chaine On a alors: chaine. On a alors: 100 10-2 10-1 10-3 10-5 10-4 Apres IFFT Apres technique de réduction Après filtre passe bas 4 5 6 7 8 9 10 11 12 En fin de chaine, les perf sont confondues avec la sol. initiale.
44. 43 Technique Guel • Etude spectrale: -10 0 DSP en bout de chaine masque 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.
45. 44 Technique Guel • Raison qui peut expliquer ces performances décevantes de cette technique: décevantes de cette technique: Le signal additif a des composantes fréquentielles bien Le signal additif a des composantes fréquentielles bien précises pour réduire le PAPR. La présence de nombreux filtrages dans la chaine DRM peut ainsi faire perdre ces propriétés spectrales intéressantes.
46. 45 Bilan • Pour le DRM, bilan plus que mitigé. • Malgré de nombreux tests et propositions, on n’améliore quasiment pas les performances de la solution initiale. Rôl t l d filt d l f d t h i • Rôle central du filtrage dans les perf. des techniques de réduction du PAPR. • Peut être que la solution initiale est la solution optimale au regard des contraintes de complexité et p g p de performances imposées.
47. 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. Importance Vision 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 i PAPR avec le Deep Clipping. Papier accepté à ICT 2010. Démarrage d’une activité de recherche à l’ECAM Rennes.
49. 48 2nde solution • On exploite les propriétés des interpolations concernant le bruit de clipping [Cimini98]: les techniques de b pp g [ 9 ] q clipping fonctionnent mieux sur des signaux interpolés.