Brevet FR2652969A1 — publié le 19910412

L'invention concerne un dispositif de prédistor- sion pour système de transmission numérique qui transmet des données d'entrée complexes d'une constellation à la cadence d'une horloge symbole H de période T, à l'aide d'un modulateur et d'un amplificateur de puissance qui distord les données, le dispositif comprenant un circuit de prédistorsion qui prédistord en sens opposé les données d'entrée avant leur passage dans l'amplificateur afin de transmettre les données d'entrée attendues. L'invention trouve ses applications dans les sys- tèmes de transmission numérique tels que les modems de trans- mission de données, les faisceaux hertziens, les systèmes de communications spatiales. Pour une utilisation efficace du spectre disponi- ble, les systèmes de transmission numérique actuels, notamment les faisceaux hertziens et les systèmes de transmission de données sur le canal téléphonique, utilisent des modulations à grands nombres d'états de phase et d'amplitude. Or ces modula- tions sont très sensibles à toute sorte de distorsion, et bien entendu, aux distorsions non linéaires provenant des amplifi- cateurs, des mélangeurs et d'autres circuits non-linéaires de la chaine de transmission. Un point particulièrement critique en faisceaux hertziens et en transmission par satellite est la non-linéarité de l'amplificateur de puissance d'émission ou de l'amplificateur de puissance embarqué dans le cas des trans- missions par satellite. Ces amplificateurs sont connus pour leurs caractéristiques non-linéaires. Si on les utilise dans leur zone linéaire on ne bénéficie pas totalement de leur puissance. Si on les fait fonctionner proche de leur puissance de saturation, ils distordent le signal d'une façon inaccepta- ble. En pratique, étant donné un amplificateur de puissance, on fixe le niveau du signal émis de façon à établir un compro- mis entre le rapport signal à bruit et la distorsion non-liné- aire subie par le signal. Ainsi le point de fonctionnement op- timal de l'amplificateur est celui minimisant les effets conjoints du bruit additif du canal et de la distorsion non- linéaire de l'amplificateur. Pour des modulations à grand nom- bre d'états (MAQ64 et MAQ256 par exemple), ce point est loin de la puissance de saturation de l'amplificateur, ce qui si- gnifie que celui-ci n'est pas utilisé d'une façon efficace. Pour augmenter son efficacité, on utilise couramment des tech- niques de prédistorsion (fixe ou adaptative) qui permettent de réduire l'effet de la non-linéarité de l'amplificateur de puissance sur le signal émis. Une technique de prédistorsion couramment utili- sée consiste à placer à l'étage de fréquence intermédiaire de l'émetteur un circuit non-linéaire approchant la fonction in- verse de l'amplificateur de puissance dont on vise à compenser les nonlinéarités. Si l'on savait synthétiser l'inverse exact de la fonction de l'amplificateur, cette technique permettrait d'avoir un signal parfait en sortie (sans aucune distorsion non-linéaire). Toutefois, ceci n'est pas réalisable, car l'in- verse exact nécessiterait un circuit de complexité infinie. En pratique, on se contente de faire une approximation et le plus souvent on limite à l'ordre 3 la série de Taylor représentant la fonction non-linéaire de l'amplificateur et on synthétise un circuit de prédistorsion, également d'ordre 3, tel que les deux circuits cascades n'aient plus de distorsion d'ordre 3. Des termes d'ordres supérieurs (ordre 5 et ordre 7) apparais- sent en sortie mais de faible amplitude comparés à la distor- sion d'ordre 3 initiale. Il en résulte ainsi une certaine amé- lioration des performances du système. Un inconvénient de ces circuits de prédistorsion à l'étage de fréquence intermédiaire réside dans le fait que ce sont des circuits analogiques. Ils sont difficiles à rendre adaptatifs et nécessitent de temps à autre une intervention pour les réajuster et compenser les va- riations de la réponse de l'amplificateur avec le temps et avec la température. Cette technique de prédistorsion est en outre à exclure si l'on veut faire une commande automatique de puissance d'émission. Une autre technique de prédistorsion, plus récen- te, consiste à modifier l'alphabet des données à émettre. Cet- te technique appelée Uprédistorsion de données' ou "prédistor- sion en bande de base" est connue du document US 4 291 277 et de l'article de A.A.M. SALEH et J. SALZ "Adaptive lineariza- tion of power amplifiers in digital radio systems" Bell System Technical Journal Vol. 62 Avril 1983, pages 1019-1033. Dans l'article de A.A.M. SALEH et J. SALZ, la fi- gure 1 est un schéma d'un circuit de prédistorsion adaptative qui fournit à l'entrée du modulateur une constellation distor- due à partir de la constellation carrée d'origine, par exemple d'une modulation d'amplitude de deux porteuses en quadrature MAQ. L'amplificateur agit sur la constellation en produisant une nette compression et une nette rotation des points de grande amplitude. Pour compenser cet effet, la constellation d'origine est distordue de sorte qu'elle reprend sa forme car- rée originelle après son passage dans l'amplificateur de puis- sance. Ainsi, lorsque le circuit de prédistorsion est optimi- sé, il forme l'inverse de l'amplificateur de puissance (à un gain et à une phase près) et permet de compenser parfaitement les non-linéarités de l'amplificateur. Pour rendre ce circuit adaptatif, le signal est repris à la sortie de l-'amplifica- teur, démodulé, puis échantillonné à la cadence d'émission des symboles 1/T et on compare ces échantillons au point corres- pondant de la constellation MAQ utilisée. Ces comparaisons permettent d'obtenir un signal de commande permettant d'opti- miser le circuit de prédistorsion à l'aide d'un algorithme classique. Toutefois, le schéma utilisé sur cette figure 1 est très simpliste, car il ne dispose d'aucun filtrage avant le modulateur, ni avant l'amplificateur de puissance. Il ne cor- respond donc pas à la solution généralement utilisée. En effet dans les systèmes réels, on utilise toujours un filtrage de mise en forme spectrale de type Nyquist permettant de limi- ter la bande du signal tout en garantissant une interférence intersymbole nulle aux instants de décision. Ce filtrage est en général partagé équitablement entre l'émission et la récep- tion pour maximiser le rapport signal à bruit également aux instants de décision. Dans de tels systèmes, l'effet de la non-linéarité de l'amplificateur est double: la constellation est non seulement déformée mais il apparaît une interférence intersymbole qui associe à chaque point de la constellation un nuage de points. Or, la technique de prédistorsion décrite ci-dessus ne permet pas de compenser ce deuxième effet. Le problème posé est donc de réaliser un circuit de prédistorsion qui permette non seulement de corriger la constellation mais aussi de réduire considérablement la dis- persion de chaque point de la constellation d'origine en un nuage de points. Ce but doit être atteint en réduisant au maximum la complexité et la quantité de matériel nécessaire. La solution à ce problème consiste en ce que le dispositif deprédistorsion comprend un filtre d'émission qui, à partir des données d'entrée, délivre, à la cadence k/T (o k est un entier supérieur à 1), des données filtrées suréchantillonnées codées sur 2N bits (N bits par voie) au circuit de prédistorsion qui comprend: - un codeur qui transforme les données filtrées codées sur 2N bits en données codées sur 2M bits (M prédistorsion sélectionné pour délivrer des données prédistor- dues (FI,FQ). Le filtre d'émission effectue une mise en forme spectrale qui est complétée par un filtrage de réception de telle sorte que le filtrage global émission-réception soit un filtre de Nyquist permettant ainsi de garantir une interféren- ce intersymbole nulle aux instants de décision. Pour diminuer la taille des nuages de points il est nécessaire d'opérer une correction avec plus d'un échantillon par durée symbole T. Ainsi avantageusement la détermination en cascade des coefficients de prédistorsion puis des données prédistor- dues (Fi,FQ) ne nécessite qu'un matériel réduit, comparé à une détermination à l'aide des champs complets de 2 N bits. Ceci est particulièrement sensible lorsque le circuit de prédistorsion utilise une mémoire. En opérant selon l'invention la taille de la mémoire est considérablement diminuée. Le codeur peut sélectionner les 2M bits de poids forts des 2N bits des données filtrées. Mais la fonction mise en oeuvre par le codeur peut être plus complexe. Ainsi pour chaque coordonnée (r,q), codée sur N bits, se rapportant aux voies en phase et en quadrature, le codeur peut déterminer le module (r2+ q2) et le coder sur 2M bits. Le filtre d'émission, placé avant le codeur, qui délivre les données suréchantillonnées codées sur 2N bits peut être soit un filtre numérique soit un filtre analogique suivi d'un convertisseur analogique-numérique. L'invention vient d'être décrite pour un système muni d'un circuit de prédistorsion fixe. Il existe en effet des situations o les mécanismes de distorsion sont relativement stables ou pour lesquelles une correction parfaite n'est pas recherchée. Mais généralement les mécanismes de distorsion sont évolutifs et il est alors nécessaire de les corriger en permanence. Dans ce cas le circuit de prédistorsion est adaptatif et pour cela comprend un circuit d'adaptation qui à partir d'une démodulation du flux de données transmises adapte continûment le circuit de prédistorsion à partir d'une comparaison des données d'entrée et des données transmises. L'écart observé sert à corriger les coefficients de prédistorsion qui sont stockés en mémoire et qui sont régulièrement mis à jour. L'invention sera mieux comprise à l'aide des figures suivantes données à titre d'exemples non limitatifs et qui représentent: figure 1: la constellation d'une modulation MAQ64. figures 2A: une constellation MAQ64 distordue par l'amplificateur de puissance dans un système sans filtrage ou dans le cas o tout le filtrage de Nyquist est effectué après l'étage de l'amplificateur. figure 2B: une constellation prédistordue optimisée pour compenser la distorsion illustrée sur la figure 2A selon l'art antérieur. figure 3A: la constellation distordue par l'amplificateur telle qu'elle apparait lorsque le filtrage global est équitablement partagé entre l'émission et la réception et la partie à l'émission est placée avant l'amplificateur. figure 3B: avec la même situation que celle de la figure 3A, mais en incorporant le circuit de prédistorsion de l'art antérieur. figure 4: un schéma d'un système de transmision numérique selon l'invention. figure 5: un schéma d'un circuit de prédistorsion selon l'invention. figure 6: un schéma d'un système de transmission numérique muni d'un circuit de prédistorsion adaptatif selon l'invention. La figure 1 est un rappel de la représentation de la constellation d'un signal de type MAQ64. Les entrées I (en phase) et Q (en quadrature) du modulateur sont indépendantes et les symboles sur chaque voie prennent leurs valeurs dans un alphabet ( d, 3d, 5d, 7d). Pour être transmis le signal issu du modulateur est introduit dans un amplificateur de puissance qui est géné- ralement utilisé à puissance réduite, c'est-à-dire dans une partie linéaire de sa caractéristique. A forte puissance cet amplificateur est non-linéaire et distord le signal de manière inacceptable. Si l'on observe une constellation de type MAQ64 à la sortie d'un tel amplificateur opérant proche de la satura- tion, on observe une constellation distordue comme celle repré- sentée sur la figure 2A. Selon l'art antérieur il suffit alors de prédistordre dans le sens opposé la constellation selon le schéma de la figure 2B pour que en sortie de l'amplificateur on obtienne la constellation d'origine non déformée. Or une situa- tion aussi simple n'est pas conforme à la réalité o il existe toujours un filtrage avant l'amplificateur de puissance notam- ment pour limiter la bande du signal. En absence de filtrage, le signal à l'entrée du modulateur varie par paliers une fois par durée symbole T. Ainsi, un circuit de prédistorsion agis- sant sur le signal à cadence 1/T permet une compensation par- faite. Par contre, lorsque le signal est filtré, il ne varie plus par paliers mais d'une façon continue. Pour une compensa- tion parfaite de l'effet de la non-linéarité, il ne suffit plus d'observer le signal une fois par durée symbole T et de compen- ser la distorsion à ces moments là. En présence d'un signal filtré la constellation à la sortie de l'amplificateur est représentée sur la figure 3A. Elle devient telle que représentée sur la figure 3B avec le circuit de prédistorsion de l'art antérieur. Ainsi chaque point de la constellation devient un nuage de points ce qui est inac- ceptable. Pour opérer avec un signal filtré il faut donc opérer la correction à plus d'un point par durée symbole. Pour cela on réalise la mise en forme spectrale d'émission par un filtre numérique délivrant à sa sortie les données filtrées à la cadence k/T (k>2). Dans le cas o cette mise en forme est réalisée par un filtre analogique, on échantillonne le signal sortant du filtre à la cadence k/T. On dispose ainsi tous les T/k des échantillons du signal filtré que l'on peut prédistor- dre. La figure 4 représente un système de transmission numérique avec un dispositif de prédistorsion 9 muni d'un filtre d'émission 10 qui délivre des échantillons, codés sur N bits par voie, à la cadence k/T (k entier au moins égal à 2), et d'un circuit de prédistorsion 11 suivi d'un convertisseur numérique-analogique 12, d'un filtre analogique 13, d'un modulateur 14 et de l'amplificateur 15. C'est cet amplificateur qui distord les données qu'il a à transmettre à l'antenne d'émission. La figure 5 représente un exemple d'un schéma du circuit de prédistorsion 11. Il comprend un codeur 20 qui réduit le codage sur 2N bits en un codage sur 2M bits. Ainsi par exemple pour une modulation MAQ 256 le nombre N=10 bits peut être réduit à M=4 ou 5 bits. Ceci réduit considérablement la taille de la mémoire 51 qui est adressée par les 2M bits. Cette mémoire 51 stocke des coefficients de prédistorsion complexes relatifs à chaque point de la constellation. Ces coefficients de prédistorsion complexes servent dans un multiplieur 52 à multiplier les données filtrées codées sur 2N bits. On obtient ainsi en sortie les données prédistordues A (FI,FQ) qui peuvent être transmises par les organes déjà décrits sur la figure 4. Le codeur 20 peut, dans chaque champ de N bits des voies en phase et en quadrature, sélectionner les M bits de poids forts pour adresser la mémoire 51 avec les 2M bits. Le codeur 20 peut aussi opérer une fonction plus complexe. Une donnée codée sur 2 N bits peut être représentée par ses coordonnées r et q se rapportant aux voies en phase et en quadrature. Le codeur 20 peut ainsi calculer le module r2+q2 propre à cette donnée et la coder sur 2M bits. Ceci est intéressant car les distorsions dépendent beaucoup des variations du module des points. D'autres fonctions peuvent également être envisagées par l'homme du métier pour déterminer les coefficients de prédistorsion à appliquer. Le schéma de la figure 4 représente un système de transmission qui permet de prédistordre les données et de corriger les distorsions apportées par l'amplificateur dans le cas d'une structure fixe. Mais il est également possible de réaliser une structure adaptative. Ceci est représenté sur le schéma de la figure 6. Les mêmes éléments que ceux de la figure 4 seront représentés avec les mêmes repères. Dans ce cas on prélève le signal de sortie de l'amplificateur 15 pour l'introduire dans un démodulateur 81 suivi d'un filtre passe-bas 82 dont la sortie entre dans un circuit d'adaptation 83. Celui-ci échantillonne le signal de sortie du filtre 82 et compare ces données aux données d'entrée. L'écart donne naissance à un signal d'erreur qui permet (connexion 84) de mettre à jour le circuit de prédistorsion 11 par exemple en stockant dans la mémoire des nouveaux coefficients de prédistorsion complexes. REVENDICATIONS 1. Dispositif de prédistorsion pour système de transmission numérique qui transmet des données d'entrée complexes d'une constellation à la cadence d'une horloge symbole H de période T, à l'aide d'un modulateur et d'un amplificateur de puissance qui distord les données, le dispositif comprenant un circuit de prédistorsion qui prédistord en sens opposé les données d'entrée avant leur passage dans l'amplificateur afin de transmettre les données d'entrée attendues, caractérisé en ce qu'il comprend un filtre d'émission qui, à partir des données d'entrée, délivre, à la cadence k/T (o k est un entier supérieur à 1), des données filtrées suréchantillonnées codées sur 2N bits (N bits par voie) au circuit de prédistorsion qui comprend: - un codeur qui transforme les données filtrées codées sur 2N bits en données codées sur 2M bits (M prédistorsion sélectionné pour délivrer des données prédistor- dues (Fi,FQ). 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le codeur sélectionne les 2M bits de poids forts des 2N bits des données filtrées. 3. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que pour chaque coordonnée (r,q), codée sur N bits, se rapportant aux voies en phase et en quadrature, le codeur détermine le module (r2+q2) et le code sur 2M bits. 4. Dispositif selon une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que le filtre d'émission est soit un filtre numérique soit un filtre analogique suivi d'un convertisseur analogique/numérique. 5. Dispositif selon une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que le circuit de prédistorsion est adaptatif et pour cela comprend un circuit d'adaptation qui à partir d'une démodulation du flux de données transmises adapte continûment le circuit de prédistorsion à partir d'une comparaison de données d'entrée et des données transmises.