Brevet FR2842043A1 — publié le 20040109

PRE-EGALISEUR NON LINEAIRE A CONTROLE NUMERIQUE La présente invention concerne de façon générale des amplificateurs de puissance et, plus précisément, un système et un procédé de prédistorsion à contrôle numérique pour compenser les non-linéarités dans l'amplificateur de puissance. Un amplificateur de puissance type, tel un amplificateur à tube à ondes progressives (ATOP), présente une caractéristique non linéaire 100 comme illustré sur la figure 1. Une zone linéaire est définie comme la plage précédant le point o le signal d'entrée RF se traduit par une compression du gain. La caractéristique de puissance d'entrée sur puissance de sortie, également désignée par modulation amplitude sur amplitude (AM/AM), diminue à partir de la zone linéaire au fur et à mesure que la puissance d'entrée augmente et que la puissance de sortie parvient à saturation. Ceci signifie en fait que le gain de l'amplificateur décroît dans la zone non linéaire alors que le rendement de l'amplificateur est au maximum. Outre les effets de compression du gain, les amplificateurs de puissance présentent également des effets de modulation amplitude sur phase (AM/PM) non linéaires (non illustrés). Lors de l'utilisation de techniques de modulation d'ordre haut avec des symboles d'amplitudes multiples, il se produit une modulation en phase non intentionnelle supplémentaire lors du fonctionnement dans la zone non linéaire. Normalement, l'amplificateur de puissance opère à un point de fonctionnement 120 qui est " dépouillé " de sa capacité de sortie maximale pour préserver la linéarité. Bien que l'amplificateur de puissance opère dans la zone linéaire " dépouillée ", il consomme encore de la puissance et a un faible rendement de conversion de la puissance d'entrée en puissance de sortie. Un procédé connu de compensation des non-linéarités de l'amplificateur comprend les techniques de prédistorsion. Un pré-égaliseur non linéaire est accordé pour un amplificateur particulier et effectue la prédistorsion du signal en entrée de l'amplificateur pour compenser la distorsion du signal après le passage à travers un ATOP avec certaines caractéristiques AM/AM. Le signal d'entrée avec pré-distorsion expérimente normalement l'expansion de gain désirée avec la puissance d'entrée de façon à ce que l'effet combiné soit un gain linéaire jusqu'à saturation. Ce procédé permet d'approcher la caractéristique de transfert extrapolée 110. Cette approche a pour désavantage d'être spécifique de l'amplificateur, c'est-à-dire que chaque amplificateur exige un pré- égaliseur non linéaire accordé spécifiquement. Comme il est bien connu dans l'art, cette technique est coteuse en termes du matériel et du temps de fabrication utilisés pour accorder chaque préégaliseur non linéaire. Plus précisément, dans les applications par satellite, les charges utiles sont augmentées par la nécessité pour chaque ATOP d'avoir son propre pré-égaliseur non linéaire. Un système de pré-distorsion connu est présenté dans le brevet US no 6 342 810 attribué à Wright et al. Ce système comprend une structure de données dans laquelle chaque élément stocke un ensemble de paramètres de compensation y compris les coefficients de filtre à réponse impulsionnelle finie (FIR) pour la pré-distorsion d'un signal de transmission d'entrée en large bande. Ces ensembles de paramètres sont de préférence indexés dans la structure de données selon des caractéristiques de signaux multiples, telles que l'amplitude instantanée et l'enveloppe de signal intégrée, dont chacune correspond à une dimension associée de la structure de données. Pour la pré-distorsion du signal de transmission en entrée, un circuit d'adressage génère numériquement un ensemble d'indices de structure de données à partir du signal de transmission en entrée, et l'ensemble indexé de paramètres de compensation est chargé dans un circuit de compensation qui effectue la pré-distorsion numérique du signal de transmission en entrée. Ce processus de chargement de nouveaux paramètres de compensation dans le circuit de compensation est répété de préférence à chaque échantillon, ce qui fait que la fonction de prédistorsion varie d'un échantillon à l'autre. Les ensembles de paramètres de compensation sont générés périodiquement et chargés dans la structure de données par un composant de traitement automatique qui exécute une analyse en temps non réel des signaux d'entrée et sortie de l'amplificateur. Ce système comprend un processeur de signaux de compensation numérique, un convertisseur numérique-analogique généralisé, un bloc changeur élévateur de fréquence, un bloc changeur abaisseur de fréquence, un convertisseur numériqueanalogique généralisé et un estimateur automatique de traitement et compensation de contrôle. Comme il peut être constaté, il est nécessaire de disposer d'un système et d'un procédé à contrôle numérique de compensation des non-linéarités dans un amplificateur de puissance. Le système décrit est adaptable à une pluralité d'amplificateurs de puissance. Par ailleurs, le système décrit est facile à mettre en oeuvre, et réduit le cot d'installation du système en éliminant le besoin d'un linéariseur séparé pour chaque amplificateur à tube à ondes progressives. Selon un aspect de la présente invention, un circuit pré-égaliseur non linéaire à contrôle numérique pour la réception d'un signal d'entrée et la génération d'un signal de sortie comprend un diviseur pour diviser le signal d'entrée en un premier trajet de signal et un second trajet de signal, un atténuateur et un élément de temporisation dans le premier trajet de signal, l'atténuateur et l'élément de temporisation étant utilisables pour générer un signal linéaire, un mélangeur et un modulateur vectoriel dans le second trajet de signal, le mélangeur répondant à un signal issu d'un convertisseur numérique-analogique couplé à une puce de processeur délivrant un signal numérique à ce convertisseur numérique-analogique, le mélangeur et le modulateur vectoriel étant utilisables pour générer un signal non linéaire, et un sommateur pour faire la somme du signal linéaire et du signal non linéaire pour générer le signal de sortie. Avantageusement, la puce de processeur est utilisable pour stocker une pluralité de paramètres d'amplificateur de puissance correspondant à une pluralité d'amplificateurs de puissance, chaque paramètre d'amplificateur de puissance pouvant être généré sous forme de signal numérique vers le convertisseur numérique-analogique. Avantageusement, le modulateur vectoriel est utilisable pour ajuster la phase et l'amplitude du signal non linéaire. Avantageusement, le signal de sortie est un signal d'expansion de gain ayant des non-linéarités qui sont extrapolées pour obtenir le fonctionnement linéaire d'un amplificateur de puissance jusqu'à saturation. Selon un autre aspect encore de la présente invention, un circuit préégaliseur non linéaire à contrôle numérique pour la réception d'un signal d'entrée et la génération d'un signal de sortie comprend un diviseur pour diviser le signal d'entrée en un premier trajet de signal et un second trajet de signal, un atténuateur et un élément de temporisation dans le premier trajet de signal, l'atténuateur et l'élément de temporisation étant utilisables pour générer un signal linéaire, un mélangeur et un modulateur vectoriel dans le second trajet de signal, le mélangeur répondant à un signal issu d'un convertisseur numérique-analogique couplé à une puce de processeur délivrant un signal numérique à ce convertisseur numérique-analogique, la puce de processeur étant utilisable pour stocker une pluralité de paramètres d'amplificateur de puissance correspondant à une pluralité d'amplificateurs de puissance, chaque paramètre d'amplificateur de puissance pouvant être généré sous forme de signal numérique, le mélangeur et le modulateur vectoriel étant utilisables pour générer un signal non linéaire, et un sommateur pour faire la somme du signal linéaire et du signal non linéaire pour générer le signal de sortie. Avantageusement, le modulateur vectoriel est utilisable pour ajuster la phase et l'amplitude du signal non linéaire. Selon un autre aspect encore de la présente invention, un système amplificateur pour la réception d'un signal d'entrée et la génération d'un signal de sortie comprend un amplificateur de puissance, un diviseur pour diviser le signal d'entrée en un premier trajet de signal et un second trajet de signal, un atténuateur et un élément de temporisation dans le premier trajet de signal, cet atténuateur et cet élément de temporisation étant utilisables pour générer un signal linéaire, un mélangeur et un modulateur vectoriel dans le second trajet de signal, le mélangeur répondant à un signal issu du convertisseur numérique- analogique couplé à une puce de processeur délivrant un signal numérique au convertisseur numérique-analogique, le mélangeur et le modulateur vectoriel étant utilisables pour générer un signal non linéaire, et un sommateur pour faire la somme du signal linéaire et du signal non linéaire pour générer un signal d'expansion de gain, ce signal d'expansion de gain étant délivré en entrée de l'amplificateur de puissance, l'amplificateur de puissance générant le signal de sortie. Selon un autre aspect encore de la présente invention, un procédé de contrôle numérique d'un circuit pré-égaliseur non linéaire pour la réception d'un signal d'entrée et la génération d'un signal de sortie comprend la division du signal d'entrée en un premier trajet de signal et un second trajet de signal, la présence d'un atténuateur et d'un élément de temporisation dans le premier trajet de signal, l'atténuateur et l'élément de temporisation étant utilisables pour générer un signal linéaire, la présence d'un convertisseur numériqueanalogique couplé à une puce de processeur, la présence d'un mélangeur et d'un modulateur vectoriel dans le second trajet de signal, le mélangeur répondant à un signal issu du convertisseur numérique-analogique, la puce de processeur délivrant un signal numérique au convertisseur numérique-analogique, le mélangeur et le modulateur vectoriel étant utilisables pour générer un signal non linéaire, et la sommation du signal linéaire et du signal non linéaire pour générer le signal de sortie. Avantageusement, la puce de processeur est utilisable pour stocker une pluralité de paramètres d'amplificateur de puissance correspondant à une pluralité d'amplificateurs de puissance, chaque paramètre d'amplificateur de puissance pouvant être généré sous forme de signal numérique vers le convertisseur numérique-analogique. Avantageusement, le modulateur vectoriel est utilisable pour ajuster la phase et l'amplitude du signal non linéaire. Avantageusement, le signal de sortie est un signal d'expansion de gain ayant des non-linéarités qui sont extrapolées pour obtenir le fonctionnement linéaire d'un amplificateur de puissance jusqu'à saturation. Selon un autre aspect encore de la présente invention, un système satellite pour la réception d'un signal d'entrée et la génération d'un signal de sortie comprend un satellite, un amplificateur de puissance disposé sur ledit satellite, un circuit pré-égaliseur non linéaire couplé audit amplificateur de puissance, ledit circuit pré-égaliseur non linéaire comprenant un diviseur pour diviser le signal d'entrée en un premier trajet de signal et un second trajet de signal, un atténuateur et un élément de temporisation dans le premier trajet de signal, cet atténuateur et cet élément de temporisation étant utilisables pour générer un signal non linéaire, et un sommateur pour faire la somme du signal linéaire et du signal non linéaire pour générer un signal d'expansion de gain, ce signal d'expansion de gain étant délivré en entrée de l'amplificateur de puissance, l'amplificateur de puissance générant le signal de sortie. Ces fonctions, aspects et avantages, et d'autres, de la présente invention seront mieux compris à l'examen des dessins, de la description et des revendications qui suivent. La figure 1 est une représentation graphique d'une caractéristique de transfert d'un amplificateur de puissance; la figure 2 est un diagramme de circuit selon la présente invention; la figure 3 est une représentation schématique d'un flux de signal à travers le circuit de la figure 2; la figure 4 est une représentation tabulaire des informations stockées dans une puce de processeur selon la présente invention; la figure 5 est une représentation graphique des caractéristiques du mélangeur selon la présente invention; la figure 6 est une représentation graphique comparant les caractéristiques de gain linéarisé et non linéarisé selon la présente invention; et la figure 7 est une représentation graphique comparant les caractéristiques de phase linéarisée et non linéarisée selon la présente invention. La description détaillée qui suit concerne les meilleurs modes envisagés actuellement de réalisation de l'invention. Cette description ne doit pas être interprétée dans un sens limitatif, mais a été rédigée dans le seul but d'illustrer les principes généraux de la présente invention, les limites de la présente invention étant définies de façon optimale dans les revendications en annexe. La présente invention propose un système et un procédé à contrôle numérique de compensation des non15 linéarités dans un amplificateur de puissance. Le système et le procédé selon la présente invention permettent d'optimiser la consommation et les performances des voies des amplificateurs de puissance et, plus précisément, des amplificateurs à tube à ondes progressives (ATOP) déployés à bord des satellites. Un circuit selon la présente invention n'est pas coteux et est adaptable à une pluralité de ATOP. Dans un mode de réalisation, un circuit préégaliseur non linéaire à contrôle numérique désigné globalement par 200 peut comprendre un diviseur 210, un atténuateur 212, un élément temporisateur 214, un mélangeur 220, un modulateur vectoriel 222, un convertisseur numérique- analogique (CNA) 230, une puce de processeur 240, et un sommateur 250 comme illustré sur la figure 2. En fonctionnement, un signal d'entrée 205 peut être divisé en deux trajets de signaux par un diviseur 210. Un premier trajet de signal 211 peut être linéaire avec une certaine atténuation introduite par l'atténuateur 212 et un certain retard introduit par l'élément temporisateur 214 pour correspondre à un second trajet de signal 216. Le second trajet de signal 216 peut être non linéaire, comprimé par le mélangeur 220 et ajusté par le modulateur vectoriel 222. Les paramètres spécifiques de chaque amplificateur de puissance sont stockés dans la puce de processeur 240 et entrés dans le CNA 230 qui, à son tour, fournit du courant au mélangeur 220 via la résistance 225. La somme du premier et du second trajets de signaux 211 et 216 peut alors être effectuée par le sommateur 250 et transmise à l'amplificateur de puissance (non illustré). De cette façon, le circuit pré-égaliseur non linéaire à contrôle numérique selon la présente invention est adaptable à une pluralité d'amplificateurs de puissance sans la nécessité d'un échantillonnage des signaux et de circuits intégrés à applications spécifiques, comme connu dans l'art antérieur. Sur la figure 3, le fonctionnement du système selon la présente invention est illustré de façon plus détaillée, en incluant le fonctionnement du mélangeur 220 et du modulateur vectoriel 222. Le signal d'entrée 205 peut être divisé par le diviseur 210 en le premier trajet de signal 211 et le second trajet de signal 216. Dans le second trajet de signal 216, un niveau de signal entré depuis le CNA 230 peut contrôler le niveau de saturation et le niveau de compression de signaux du mélangeur 220. Le modulateur vectoriel 222 est utilisable pour déphaser la sortie du mélangeur 220, par exemple de 180 degrés, comme indiqué. Dans le premier trajet de signal 211, le signal 310 peut être linéaire et peut être atténué et retardé comme il est bien connu dans l'art. La somme du premier et du second trajets de signal 211 et 216 peut être effectuée par le sommateur 250 pour obtenir le signal d'expansion de gain désiré 320. Le signal d'expansion de gain désiré 320 inclut de préférence des nonlinéarités qui sont extrapolées pour obtenir un fonctionnement linéaire jusqu'à saturation. La puce de processeur 240 est utilisable pour inclure les informations concernant une pluralité d'amplificateurs de puissance. Ces informations peuvent comprendre les paramètres de l'amplificateur. A titre d'exemple et en référence à la figure 4, un tableau 400 stocké dans la puce de processeur 240 peut inclure les informations concernant une pluralité de ATOP 410. Ces informations peuvent comprendre un mot numérique (non représenté) représentant une valeur de courant 420 et un mot numérique 430 représentant une valeur de modulateur vectoriel correspondant à chaque ATOP 410. A titre d'exemple, un mot de 6 bits peut être utilisé pour contrôler le CNA 230 afin de transmettre le courant approprié au mélangeur 220 et ajuster par ce moyen la caractéristique de gain non linéaire du mélangeur 220. Un mot numérique de 12 bits 430 peut être utilisé pour contrôler le modulateur vectoriel 222. Le modulateur vectoriel 222 peut fonctionner comme un multiplieur complexe de telle façon que la sortie du modulateur vectoriel 222 soit l'entrée multipliée par une valeur complexe, a+jp. Sur les 12 bits du mot numérique 430 contrôlant le modulateur vectoriel 222, 6 bits peuvent déterminer la valeur at dans la plage -1 à 1, et 6 bits peuvent déterminer la valeur 3 dans la plage -1 à 1. Le modulateur vectoriel 222 est donc capable d'appliquer un décalage de gain et de phase linéaire à un signal d'entrée. Le gain du modulateur vectoriel 22 peut être réglé pour obtenir l'expansion de gain désirée pour le ATOP 410 sélectionné, et la phase du modulateur vectoriel 222 peut être réglée pour obtenir l'expansion de phase désirée pour le ATOP 410 sélectionné. Ainsi, à titre d'exemple, le ATOP 1 peut avoir une valeur de courant associée de 4,5 mA et un mot numérique 430 de 12 bits associé 000010111000. En fonctionnement, pour linéariser le fonctionnement du ATOP 1, la puce de processeur 240 peut fournir un mot numérique représentant une valeur de courant associée de 4,5 mA au CNA 230 qui, à son tour, délivre 4,5 mA au mélangeur 220. Les caractéristiques du mélangeur 220 sont illustrées sur la figure 5, y compris la caractéristique 500 pour le fonctionnement à 4,5 mA, la caractéristique 510 pour le fonctionnement à 4,0 mA, la caractéristique 520 pour le fonctionnement à 3,5 mA, la caractéristique 530 pour le fonctionnement à 3,0 mA, la caractéristique 540 pour le fonctionnement à 2,5 mA, et la caractéristique 550 pour le fonctionnement à 2,0 mA. Selon un autre aspect de la présente invention, un système d'amplificateur comprend le circuit pré-égaliseur non linéaire à contrôle numérique 200 décrit dans le présent document, pouvant être couplé à une pluralité d'amplificateurs de puissance (non représentés). Les caractéristiques d'amplification de chaque amplificateur de puissance peuvent être stockées dans la puce de processeur 240 qui peut être utilisée pour transmettre ces caractéristiques sous la forme d'un signal numérique au CNA 230. A son tour le CNA 230 délivre un courant au mélangeur 220 pour obtenir un signal 320 d'expansion de gain désirée approprié à chaque amplificateur de puissance. Selon un autre aspect encore de la présente invention, un système satellite comprend le circuit pré5 égaliseur non linéaire à contrôle numérique 200 décrit dans le présent document, pouvant être couplé à une pluralité d'amplificateurs de puissance disposés dans un satellite (non représentés). Lors du remplacement des amplificateurs de puissance, le système satellite est utilisable pour effectuer la pré-distorsion spécifique de chaque amplificateur de puissance, comme décrit dans le présent document. Dans un mode de réalisation, les caractéristiques de l'amplificateur peuvent être transmises depuis la puce de processeur 240 en utilisant une commande de liaison ascendante. Dans un autre mode de réalisation, la puce de processeur 240 peut être disposée sur le satellite. Selon un autre aspect de la présente invention, le procédé de compensation des non-linéarités d'un amplificateur de puissance comprend les étapes de division du signal d'entrée en un premier trajet de signal et un second trajet de signal. Le premier trajet de signal peut être un trajet linéaire ayant une certaine atténuation et un certain retard. Le second trajet de signal peut être comprimé et ajusté de telle façon que, lorsque est effectuée la somme du premier et du second trajets de signal, soit délivré un signal d'expansion de gain extrapolé afin d'obtenir un fonctionnement linéaire jusqu'à saturation. Ce signal d'expansion de gain peut effectuer à la fois la compensation AM/AM et AM/PM. Selon la présente invention et en référence à la figure 6, une caractéristique de gain linéarisée 600 d'un ATOP de 120 watts, par exemple, produite par le système et le procédé selon la présente invention, est illustrée de façon sensiblement linéaire par comparaison à une caractéristique de gain non linéarisée 610. De façon similaire et en référence à la figure 7, une caractéristique de phase linéarisée 700 d'un ATOP de 120 watts produite par le système et le procédé selon la présente invention, est illustrée de façon sensiblement linéaire par comparaison à une caractéristique de phase non linéarisée 710. Il est précisé, bien entendu, que la description quiprécède concerne les modes de réalisation préférés de la présente invention, et que des modifications peuvent être effectuées sans s'écarter de l'esprit et des limites de la présente invention définis dans les revendications qui suivent. REVENDICATIONS 1. Circuit pré-égaliseur non linéaire à contrôle numérique (200) recevant un signal d'entrée (205) et générant un signal de sortie, ce circuit (200) comprenant: un diviseur (210) pour diviser le signal d'entrée (205) en un premier trajet de signal (211) et un second trajet de signal (216); un atténuateur (212) et un élément de temporisation (214) dans le premier trajet de signal (211), l'atténuateur (212) et l'élément de temporisation (214) étant utilisables pour générer un signal linéaire; un mélangeur (220) et un modulateur vectoriel (222) dans le second trajet de signal (216), le mélangeur (220) répondant à un signal d'un convertisseur numériqueanalogique (230) couplé à une puce de processeur (240) délivrant un signal numérique à un convertisseur numérique-analogique (230), le mélangeur (220) et le modulateur vectoriel (222) étant utilisables pour générer un signal non linéaire; et un sommateur (250) pour effectuer la somme du signal linéaire et du signal non linéaire pour générer le signal de sortie. 2. Circuit selon la revendication 1, dans lequel la puce de processeur (240) est utilisable pour stocker une pluralité de paramètres d'amplificateur de puissance correspondant à une pluralité d'amplificateurs de puissance, chaque paramètre d'amplificateur de puissance pouvant être généré sous forme de signal numérique vers le convertisseur numérique-analogique (230). 3. Circuit selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel le modulateur vectoriel (222) est utilisable pour ajuster la phase et l'amplitude du signal non linéaire. 4. Circuit selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le signal de sortie est un signal d'expansion de gain ayant des non-linéarités qui sont extrapolées pour obtenir le fonctionnement linéaire d'un amplificateur de puissance jusqu'à saturation. 5. Circuit pré-égaliseur non linéaire à contrôle numérique (200) recevant un signal d'entrée (205) et générant un signal de sortie, ce circuit (200) comprenant: un diviseur (210) pour diviser le signal d'entrée (205) en un premier trajet de signal (211) et un second trajet de signal (216); un atténuateur (212) et un élément de temporisation (214) dans le premier trajet de signal (211), l'atténuateur (212) et l'élément de temporisation (214) étant utilisables pour générer un signal linéaire; un mélangeur (220) et un modulateur vectoriel (222) dans le second trajet de signal (216), le mélangeur (220) répondant à un signal d'un convertisseur numériqueanalogique (230) couplé à une puce de processeur (240) délivrant un signal numérique au convertisseur numériqueanalogique (230), la puce de processeur (240) étant utilisable pour stocker une pluralité de paramètres d'amplificateur de puissance correspondant à une pluralité d'amplificateurs de puissance, chaque paramètre d'amplificateur de puissance pouvant être généré sous forme de signal numérique, le mélangeur (220) et le modulateur vectoriel (222) étant utilisables pour générer un signal non linéaire; et un sommateur (250) pour effectuer la somme du signal linéaire et du signal non linéaire pour générer le signal de sortie. 6. Circuit selon la revendication 5, dans lequel le modulateur vectoriel (222), est utilisable pour ajuster la phase et l'amplitude du signal non linéaire. 7. Procédé de contrôle numérique d'un circuit préégaliseur non linéaire (200) recevant un signal d'entrée (205) et générant un signal de sortie, ce procédé comprenant: la division du signal d'entrée en un premier trajet de signal (211) et un second trajet de signal (216); la génération d'un signal linéaire par atténuation et retard du signal d'entrée divisé dans le premier trajet de signal (211); la génération d'un signal non linéaire en mélangeant et en déphasant le signal d'entrée divisé dans le second trajet de signal (216), ce mélange répondant à un signal délivré par un convertisseur numérique-analogique (230) couplé à une puce de processeur; et sommation du signal linéaire et du signal non linéaire pour générer le signal de sortie. 8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel la puce de processeur (240) est utilisable pour stocker une pluralité de paramètres d'amplificateur de puissance correspondant à une pluralité d'amplificateurs de puissance, chaque paramètre d'amplificateur de puissance pouvant être généré sous forme de signal numérique vers le convertisseur numérique-analogique (230). 9. Procédé selon la revendication 7 ou la revendication 8, dans lequel le modulateur vectoriel (222) est utilisable pour ajuster la phase et l'amplitude du signal non linéaire. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, dans lequel le signal de sortie est un signal d'expansion de gain ayant des non-linéarités qui sont extrapolées pour obtenir le fonctionnement linéaire d'un amplificateur de puissance jusqu'à saturation.