Salvatore Ragusa - Impact de l'écrêtage inversible sur le OBO (Output Back-Off) de l'amplificateur de puissance pour un système OFDM

Séminaire SCEE Supelec Rennes
Salvatore RAGUSA
FTR&D/TECH-ONE Grenoble
04 Novembre 2004
1
« Impact de l'écrêtage inversible
sur le OBO (Output Back-Off) de
l'amplificateur de puissance pour
un système OFDM »
Salvatore RAGUSA
04 Novembre 2004
2
Plan
• Contexte
• Modulation Multi-porteuses: l'OFDM
• Peak-to-Average Power Ratio (PAPR) et
Adjacent Channel Power Ratio (ACPR)
• Paramétrage de l'amplificateur de puissance
(PA)
• Principe de l’écrêtage (inversible)
• Résultats
• Conclusions

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3
Contexte
• Applications Haut Débit Multimédia à Large Bande à
Nécessité d'une Modulation à Efficacité Spectrale élevée
• Utilisation du procédé de modulation dit OFDM
(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)
• Modulation à enveloppe non-constante avec de fortes
fluctuations à PAPR élevé
• Dynamique du PA en émission élevée à Éloignement
de la zone de saturation à Rendement médiocre
• Application Haut Débit pour un système Embarquée à
Rendement Optimal
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4
Contexte
Rendement Optimal

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5
Contexte
Rendement Optimal
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6
Contexte
Rendement Optimal

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7
Contexte
Rendement Optimal
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8
Contexte
Rendement Optimal

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04 Novembre 2004
9
Contexte
Rendement Optimal
Ø Réduction des fortes fluctuations d'enveloppe
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10
Contexte
Rendement Optimal
Ø Réduction des fortes fluctuations d'enveloppe à Écrêtage et
Filtrage en BdB

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Plan
• Contexte
(PA)
• Résultats
• Conclusions
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12
L'OFDM
• Né dans les années 50-60, seulement dans les
années 80 on prend conscience de son intérêt
à Évolution de la technologie: FFT
à Application: DAB, DVB, HyperLAN II, 802.11a, …
• Un flux de données bas débit est parallélisé sur N
sous-porteuses orthogonales entre elles

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L'OFDM
• Équation signal OFDM émis et Base Orthogonale en
Fréquence
∑ ∑
∞
−∞
=
−
=
−
=
n
N
k
t
f
j
U
n
k
E
k
e
nT
t
g
c
t
s
1
0
2
,
)
(
.
)
( π
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04 Novembre 2004
14
L'OFDM
• Principe
b
0
,b
1
, …
Éléments
binaires
T
B
B/Q-PSK
M-QAM
c
0
,c
1
, …, c
k-1
Symboles
numériques
T
C
c
0
c
1
c
k-1
…………………..
c
1
c
k-1
c
0
…………………..
Table
corresp.
Tampon
Symbole
OFDM
T
U
c
1
c
0
c
k-1
………………….
Banc de N sous
porteuses
e2π j f
0
t
e2π j( f
0
+ 1/ T
S
)t
e2π j( f
0
+ 1/ T
S
[N-1] )t
IFFT

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15
c
k,n
Source:
Tutorial COFDM, J. H. Stott
BBC Research and Development
L'OFDM codé
• Le COFDM
– Codage convolutif des bits transmis
– Entrelacement temporel
– Entrelacement fréquentiel
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16
L’OFDM
• Avantages
– Faible ISI
– Encombrement Spectrale Optimal
– Canal Invariant Localement
– Codage

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T
si- 1
T
U
T
U
∆ ∆
T
si
L'OFDM
• Avantages
– Faible ISI
Ajout d'un intervalle de garde Delta à Robustesse du signal
OFDM aux trajets multiples à En réception ISI acceptable
{réf: Ziemer-1997}
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L'OFDM
• Avantages
– Encombrement Spectrale Optimale
Orthogonalité entre les sous porteuses à Optimisation de
l'occupation spectrale {réf: Chang-1966}
B
1
B
2

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19
L'OFDM
• Avantages
– Canal Invariant Localement
Bande passante de chaque sous porteuses petite devant la
totalité de la bande passante du signal OFDM à Réponse
fréquentielle du canal au niveau de chaque sous porteuses,
plate : «slow fading», évanouissement lent
N sous porteuses
Réponse
du Canal
Bande passante OFDM
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20
L'OFDM
• Avantages
– Codage
Codage convolutif des bits transmis, Entrelacement temporel,
Entrelacement fréquentiel à Indépendance du Canal, Meilleure
résistance au Bruit
c
k,n
Source:
Tutorial COFDM, J. H. Stott
BBC Research and Development

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L'OFDM
• Inconvénients
– Synchronisation Émetteur/Récepteur
– Fluctuations d'Enveloppe
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L'OFDM
• Inconvénients
– Synchronisation Émetteur/Récepteur
Offsets en fréquence entre les OL RF à Translation
fréquentielle perturbant l'orthogonalité des N sous porteuses
{réf: Keller-2001}

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L'OFDM
• Inconvénients
Fortes fluctuations d'enveloppe {réf: Dinur-2001}
à Grande linéarité PA à Rendement médiocre (linéarité et
rendement divergent) à Consommation à Incompatibilité pour
une application mobile
5 10 15 20 25 30
0 35
-150
-50
50
150
-250
250
time, usec
short_preamble, mV
long_preamble, mV
signalisation, mV
data, mV
Preamb. Court
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L'OFDM
• Inconvénients
5 10 15 20 25 30
0 35
-150
-50
50
150
-250
250
time, usec
short_preamble, mV
long_preamble, mV
signalisation, mV
data, mV
Preamb. Long

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L'OFDM
• Inconvénients
5 10 15 20 25 30
0 35
-150
-50
50
150
-250
250
time, usec
short_preamble, mV
long_preamble, mV
signalisation, mV
data, mV
Signal.
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L'OFDM
• Inconvénients
5 10 15 20 25 30
0 35
-150
-50
50
150
-250
250
time, usec
short_preamble, mV
long_preamble, mV
signalisation, mV
data, mV
Données

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L'OFDM
• Inconvénients
Fonction de Distribution du signal OFDM
Probabilité
V
OFDM
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Plan
• Contexte
(PA)
• Résultats
• Conclusions

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29
PAPR
• Définition générale (classique)
Le PAPR (Peak-to-Mean Power Ratio) donne une
mesure des fluctuations de l’enveloppe d’un signal
modulé
∫
<
≤
=
T
T
t
dt
t
s
T
t
s
MAX
PAPR
0
2
2
0
)
(
1
)
(
.
• Quelques chiffres:
PAPR ≅ 7 dB
– CR= 1.5; T=6.4 msec; Tstep=6.25 nsec; OSF=8; Néch=1 024 000
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PAPR
• Techniques de réduction
– « Selected Mapping » à Choix des SP afin de
minimiser le PAPR {réf: Baml-1997}
– « Golay Sequences » à Traitement numérique
(codage) du signal OFDM {réf: Li-1997}
– « Clipping » + Filtrage
– etc…
« Clipping » + Filtrage
• Mise en œuvre simple compatible avec le standard
• Aspect électronique de la thèse

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ACPR
• Définition générale
L’ACPR (Adjacent Channel Power Ratio) mesure le niveau en
puissance dans le canal adjacent par rapport au canal principal, dû
à la remontée des lobes secondaires suite aux NL (Écrêtage et PA).
Principal Adjacent
Après PA
Avant PA
Salvatore RAGUSA
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ACPR
• Définition général
L’ACPR (Adjacent Channel Power Ratio) mesure le niveau en
puissance dans le canal adjacent par rapport au canal principal, dû
à la remontée des lobes secondaires suite aux NL.
Hypothèses: Modèle polynomiale du PA
Signal d’entrée à 2 tons
y(t)=a1
x(t) + a2
x2(t) + a3
x3(t) + …
x(t)=A1
cos(ω1
t) + A2
cos(ω2
t), A1
=A2

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33
Plan
• Contexte
(PA)
• Résultats
• Conclusions
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PA
• Caractéristique en puissance
– POUT
vs PIN
et Rendement η=POUT
/PALIM

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PA
– POUT
vs PIN
/PALIM
W-CDMA PA
Salvatore RAGUSA
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PA
– POUT
vs PIN
/PALIM
W-CDMA PA
η=22%
η=12%

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PA
– PAPR élevé à Grande dynamique à IBO (OBO) qui croit à
η médiocre (consommation)…
Définition:
IBO= Récul en entrée
OBO=Recul en sortie
par rapport à la puissance moyenne
η médiocre
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PA
– PAPR élevé à Grande dynamique à IBO (OBO) qui croit à
η médiocre (consommation) à Réduction PAPR par écrêtage
à IBO (OBO) qui diminue à Approchement de la zone à ηopt
Définition:
IBO= Récul en entrée
OBO=Recul en sortie
par rapport à la puissance moyenne
η opt

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Non-Linéarités
Effets des NL
Bruit PI
(BER)
Remontée
des lobes
(ACPR)
In Band Out Band
IES NL
(BER, EVM)
+Filtrage
Salvatore RAGUSA
04 Novembre 2004
40
Plan
• Contexte
(PA)
• Résultats
• Conclusions

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Écrêtage
Clipping Ratio (CR)
• Le CR définie le niveau d’écrêtage par rapport à
la valeur quadratique moyenne du signal OFDM
rms
OFDM
LIMIT
V
A
CR =
désiré
PAPR
le
Donne
écrêtage
d
Niveau
A
LIMIT
→
→ '
moyenne
e
quadratiqu
Valeur
V rms
OFDM
→
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Écrêtage
Equation
• La fonction d’écrêtage est définie ci-dessous:
+A
LIMIT
si x(t) > A
LIMIT
y(t)= x(t) si –A
LIMIT
< x(t) < A
LIMIT
-A
LIMIT
si x(t) < -A
LIMIT
x(t)
y(t)
+A
LIMIT
-A
LIMIT
x(t)
y(t)
+A
LIMIT
-A
LIMIT
Fonction d’écrêtage PDF après écrêtage
La probabilité d’écrêtage dépend de ALIMIT
et
devient faible selon la position de ALIMIT
sur la Gaussienne

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43
• Écrêtage
– Écrêtage suffisamment élevé à PA devient LIN à PA transparent !!!
• Écrêtage Inversible
Écrêtage (inversible)
Ecrêtage PA
≡ NL dues
juste à
l’Écrêtage
f(x)
Ex
f-1(x)
Rx
Limitation de l’IES NL
La fonction NL f(x) réalisant l’écrêtage
en émission sera inversée, f -1(x),
en réception afin de limiter les interférences NL
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04 Novembre 2004
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Écrêtage (inversible)
Ecrêtage
Bruit PI
(BER)
Remontée
des lobes
(ACPR)
In Band Out Band
Filtrage
FEC,
Réversible
Itératif
IES NL
(BER)
FEC,
Écrêtage
inversible
En cours d’étude…
Réduction
du PAPR

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45
Plan
• Contexte
(PA)
• Résultats
• Conclusions
Salvatore RAGUSA
04 Novembre 2004
46
Résultats
Schéma à bloc système COFDM général
Codage
de canal
Entrelacement
temporel
Modulation
QAM ou
QPSK des
signaux de base
Transformation
Fréquence-
Temps (IFFT)
CNA
Transposition
de fréquence
(RF)
Transposition
de fréquence
(RF)
Canal de
Transmission
Transformation
Temps-
Fréquence
(FFT)
Démodulation
cohérente
Décodage
de canal
Flux binaire
Parallélisation
Entrelacement
fréquentiel
Serialisation
Désentrelacement
fréquentiel
Désentrelacement
temporel
Flux binaire
Ajout de
l'intervalle de
garde ∆
Extraction de
l'intervalle de
garde ∆
Egalisation
Amplificateur
de
Puissance
Écrêtage
Inversible
Écrêtage
CAN

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Salvatore RAGUSA
04 Novembre 2004
47
Résultats
Schéma à bloc système COFDM simulé
Modulation
QAM ou
QPSK des
signaux de base
Transformation
Fréquence-
Temps (IFFT)
CNA
Transposition
de fréquence
(RF)
Transposition
de fréquence
(RF)
Canal de
Transmission
Transformation
Temps-
Fréquence
(FFT)
Démodulation
cohérente
Flux binaire
Parallélisation
Entrelacement
fréquentiel
Serialisation
Désentrelacement
fréquentiel
Flux binaire
Ajout de
l'intervalle de
garde ∆
Extraction de
l'intervalle de
garde ∆
Amplificateur
de
Puissance
Écrêtage
Inversible
Écrêtage
CAN
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04 Novembre 2004
48
Résultats
• Paramètres 802.11a
Caractéristique du système simulé (802.11a)

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49
• Trame OFDM générale
• Trame OFDM détail
Résultats
Caractéristique du système simulé (802.11a)
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50
Résultats
– Tstep=6.25 nsec
– OSF=8
– Nsym_OFDM ≅ 2000
– Tobs=6.4 msec
– CR =[0.5, 1.5]
– Psat_in=[-9, -4]
– P1dB=-12 dBm
Paramètres de la simulation

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51
Résultats
Schéma à bloc système COFDM simulé
Modulation
QAM ou
QPSK des
signaux de base
Transformation
Fréquence-
Temps (IFFT)
CNA
Transposition
de fréquence
(RF)
Transposition
de fréquence
(RF)
Canal de
Transmission
Transformation
Temps-
Fréquence
(FFT)
Démodulation
cohérente
Flux binaire
Parallélisation
Entrelacement
fréquentiel
Serialisation
Désentrelacement
fréquentiel
Flux binaire
Ajout de
l'intervalle de
garde ∆
Extraction de
l'intervalle de
garde ∆
Amplificateur
de
Puissance
Écrêtage
Inversible
Écrêtage
CAN
PDF
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04 Novembre 2004
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PDF partie Imaginaire
avant Ecrêtage
Résultats
PDF partie Réelle
avant Ecrêtage
Fonction de Distribution de Pr

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53
Résultats
Schéma à bloc système COFDM
Modulation
QAM ou
QPSK des
signaux de base
Transformation
Fréquence-
Temps (IFFT)
CNA
Transposition
de fréquence
(RF)
Transposition
de fréquence
(RF)
Canal de
Transmission
Transformation
Temps-
Fréquence
(FFT)
Démodulation
cohérente
Flux binaire
Parallélisation
Entrelacement
fréquentiel
Serialisation
Désentrelacement
fréquentiel
Flux binaire
Ajout de
l'intervalle de
garde ∆
Extraction de
l'intervalle de
garde ∆
Amplificateur
de
Puissance
Écrêtage
Inversible
Écrêtage
CAN
PDF
Salvatore RAGUSA
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PDF partie Réelle
après Ecrêtage (ALIMIT
=0.17)
Résultats
PDF partie Imaginaire
après Ecrêtage (ALIMIT
=0.17)
Fonction de Distribution de Pr

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Résultats
Modulation
QAM ou
QPSK des
signaux de base
Transformation
Fréquence-
Temps (IFFT)
CNA
Transposition
de fréquence
(RF)
Transposition
de fréquence
(RF)
Canal de
Transmission
Transformation
Temps-
Fréquence
(FFT)
Démodulation
cohérente
Flux binaire
Parallélisation
Entrelacement
fréquentiel
Serialisation
Désentrelacement
fréquentiel
Flux binaire
Ajout de
l'intervalle de
garde ∆
Extraction de
l'intervalle de
garde ∆
Amplificateur
de
Puissance
Écrêtage
Inversible
Écrêtage
CAN
Constell
Salvatore RAGUSA
04 Novembre 2004
56
Constellation
sans Ecrêtage ni Filtrage
Constellation
avec Ecrêtage et Filtrage,
(Fc=F(1+alpha),
F=10MHz et alpha=0.3)
Résultats
Constellations

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04 Novembre 2004
57
Résultats
Modulation
QAM ou
QPSK des
signaux de base
Transformation
Fréquence-
Temps (IFFT)
CNA
Transposition
de fréquence
(RF)
Transposition
de fréquence
(RF)
Canal de
Transmission
Transformation
Temps-
Fréquence
(FFT)
Démodulation
cohérente
Flux binaire
Parallélisation
Entrelacement
fréquentiel
Serialisation
Désentrelacement
fréquentiel
Flux binaire
Ajout de
l'intervalle de
garde ∆
Extraction de
l'intervalle de
garde ∆
Amplificateur
de
Puissance
Écrêtage
Inversible
Écrêtage
CAN
RLS
Salvatore RAGUSA
04 Novembre 2004
58
Spectres BdB avec Clipping (ALIMIT
=0.10),
sans Clipping et
après Filtrage
(Fc=F(1+alpha), F=10MHz et alpha=0.3)
Clipped
No Clipped
Clipped and Filtered
Résultats
Remontée des Lobes Secondaires

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04 Novembre 2004
59
Résultats
ACPR vs CR et IBO (alpha=0.35)
IBO=1
Salvatore RAGUSA
04 Novembre 2004
60
Résultats
IBO=2

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04 Novembre 2004
61
Résultats
IBO=3
Salvatore RAGUSA
04 Novembre 2004
62
Résultats
IBO=4

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04 Novembre 2004
63
Résultats
IBO=5
Salvatore RAGUSA
04 Novembre 2004
64
Résultats
ACPR=-28 dB
Gain en IBO=3 dB

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04 Novembre 2004
65
Résultats
• Rendement η=POUT
/PALIM
W-CDMA PA
IBO=3 dB
η=22%
η=12%
η_gain=10%
Gain IBO=3dB
àGain rendement de 10%
Résultat très important car
-le gain max est de 50%
-la consommation du PA
est 60% de la consommation totale
Rendement max de 50% pour ce PA
Salvatore RAGUSA
04 Novembre 2004
66
Résultats
• Actuellement le BER du système simulé
est de l’ordre de 10-3 pour un IBO=4 dB et
un CR=1.2
• Correction des interférences In-Band à
l’aide d’un Codage Canal (FEC) et de
l’Écrêtage Inversible à Amélioration du
BER
BER

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04 Novembre 2004
67
Plan
• Contexte
(PA)
• Résultats
• Conclusions
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04 Novembre 2004
68
Conclusions
• Rendement optimale du PA pour une
application mobile
• Le rendement peut être optimisé à l’aide
de l’ Écrêtage (réduction du PAPR) pour
un IBO fixe
• Effets Secondaires In-Band et Out-Band
– L’Écrêtage Inversible + FEC améliorent le
BER
– Le filtrage en BdB réduit l’ACPR

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04 Novembre 2004
69
Conclusions
• La solution proposée Écrêtage Inversible avec
traitement itératif à la réception permet de
résoudre les 3 problèmes liés aux NL
à Rendement optimal du PA pour une
application mobile
• La solution est peu complexe
– Look Up Table pour l’écrêtage inversible
– Filtrage existe déjà à Plus long si roll-off faible
à Possibilité d’embarquer un tel système
Salvatore RAGUSA
04 Novembre 2004
70
Merci…

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Salvatore RAGUSA
04 Novembre 2004
71
Bibliographie
• R. E. Ziemer, M. A. Wickert,
« Link design for third-generation wireless systems for rural
communities using OFDM and ATM », IEEE 47th Vehicular
Technology Conference, vol. 3, May 1997, pp. 1649 - 1653
• R. W. Chang,
« Synthesis of band-limited orthogonal signals for multichannels
data transmission », Bell Syst. Tech. J., vol. 45, Dec.1966, pp. 1775-
1796
• T. Keller, L. Piazzo, P. Mandarini and L. Hanzo,
« Orthogonal Frequency Division Multiplex Synchronization
Techniques for Frequency-Selective Fading Channels », IEEE
Journal on Selected Areas in Communications, vol. 19, No. 6, Jun.
2001, pp. 999-1008
• N. Dinur, D. Wulich,
« Peak-to-Average Power Ratio in High-Order OFDM », IEEE
Transactions on Communications, vol. 49, No. 6, Jun. 2001, pp.
1063-1072
Salvatore RAGUSA
04 Novembre 2004
72
Bibliographie
• Li, X. and Ritcey, J.A.,
« m-sequences for OFDM PAPR reduction and error correction »,
Electronic Letters, Vol. 33, pp. 545-546, 1997
• Baml, R.W., Fischer, R.F.H. and Huber, J.B.,
« Reducing the Peak to Average Power Ratio of Multicarrier
Modulation by Selected Mapping », IEE Electronics Letters,
Vol. 32, No. 22, Sept. 1997, pp 2056-2057

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04 Novembre 2004
73
Constellation sans Clipping Constellation avec Clipping (A
MAX
=0.17)
Trash
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04 Novembre 2004
74
Constellation sans Filtrage Constellation avec Filtrage
(F
c
=F(1+alpha), F=10MHz et alpha=0.3)
Trash

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Salvatore Ragusa - Impact de l'écrêtage inversible sur le OBO (Output Back-Off) de l'amplificateur de puissance pour un système OFDM

Salvatore Ragusa - Impact de l'écrêtage inversible sur le OBO (Output Back-Off) de l'amplificateur de puissance pour un système OFDM

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