Brevet FR3018968A1 — publié le 20150925

SYSTEME D'AMPLIFICATION RADIOFREQUENCE NUMERIQUE Domaine de l'invention La présente invention concerne les système d'amplification radiofréquence 5 numériques comportant un amplificateur principal et des circuits de correction de distorsion Arrière plan technologique Les systèmes d'émission radiofréquence numériques pour la téléphonie mobile notamment utilisent un système de pré-distorsion numérique pour corriger 10 la distorsion de leurs étages d'amplification. Ces systèmes sont en général incapable d'atteindre les niveaux de linéarité requis par l'amplification de signaux GSM sauf à utiliser des composants trop onéreux pour ces applications et d'avoir des rendements trop faibles. C'est le cas en particulier dans les applications de répéteur devant 15 respecter une spécification en IMD (distorsion d'intermodulation) inférieure à -36 dBm. Un exemple de dispositif amplificateur à pré-distorsion est décrit dans le document US 8498591 Bl. Seuls les systèmes à amplificateurs "feedforward", terme anglais qui peut 20 se traduire par amplificateurs à correction par anticipation, sont capable à l'heure actuelle d'atteindre ces spécifications de manière commercialement acceptable. Ces systèmes qui comportent un système de contrôle fournissant une modélisation et une compensation mathématiques a priori des défauts de la chaîne d'amplification ont toutefois un rendement très limité de l'ordre de 10%. 25 Des exemples d'amplificateurs feedforward sont donnés par exemple dans les documents US 20080252371 A1 et US 6326845 B1. Brève description de rinvention Afin d'améliorer le rendement dans de telles circonstances, la présente invention propose un système d'amplification radiofréquence comportant les deux corrections c'est à dire un système comportant une addition de pré-distorsion et muni d'un dispositif feedforward. Plus précisément la présente invention propose un système d'amplification radiofréquence numérique comportant une voie d'amplification principale et des moyens de correction de distorsion pour lequel les moyens de correction de distorsion comportent un circuit de correction de type correction par anticipation dit circuit de correction feedforward et un circuit de correction par pré-distorsion. Le circuit de correction par pré-distorsion comporte préférablement une boucle de retour munie d'un premier moyen de prélèvement d'un signal représentatif de la sortie de l'amplificateur principal pour adapter la pré-distorsion et minimiser l'erreur en sortie de l'amplificateur principal. La voie d'amplification principale est avantageusement alimentée par un signal combinant un signal utile pur et un signal de pré-distorsion, le circuit de correction feedforward comportant une première voie de correction alimentée par un signal de référence et le transformant en un premier signal de correction, ladite voie de correction constituant avec ladite voie d'amplification principale une première boucle qui comporte en outre un coupleur double adapté à effectuer un prélèvement d'un signal de sortie de la voie d'amplification principale et une combinaison de ce signal de sortie avec le premier signal de correction pour réaliser un second signal de correction. Le prélèvement de signal de la boucle de retour du circuit de correction par 25 pré-distorsion est avantageusement fait en aval du coupleur double de la première boucle du circuit de correction feedforward. Le second signal de correction est préférablement injecté dans une seconde voie de correction, la seconde voie de correction formant avec une voie de mise en forme prolongeant la voie d'amplification principale une seconde 30 boucle comportant un coupleur de sortie au niveau d'une sortie générale du système d'amplification. La seconde voie de correction peut notamment comporter des moyens déphaseurs et des moyens d'amplification dudit second signal de correction pour générer un signal de correction final, le coupleur de sortie étant conçu en sorte de réinjecter le signal de correction final au niveau de ladite sortie générale de l'amplificateur, ledit signal de correction final étant combiné au signal de sortie au niveau du coupleur pour générer un signal de sortie nettoyé. La voie de mise en forme comporte avantageusement un isolateur et une ligne à retard. Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, le signal pur, le signal de pré-distorsion et le signal de référence sont générés au sein d'un calculateur en fonction d'une entrée de données, de tables de modélisation de 10 l'amplificateur principal et des signaux issus de la boucle de retour. Le signal utile pur combiné à la pré-distorsion peut notamment être issu d'un premier convertisseur numérique/analogique. Le signal de référence peut être issu d'un second convertisseur numérique/analogique. 15 La boucle de retour comporte avantageusement un convertisseur analogique numérique. Les signaux transitant par l'amplificateur, le circuit de correction feedforward et la boucle de retour du circuit de correction par pré-distorsion sont avantageusement modulés en entrée de l'amplificateur et du dispositif feedforward 20 par une porteuse au moyen d'un premier et d'un deuxième mélangeurs. Le signal de la boucle de retour est dans ce cas préférablement démodulé par une porteuse au niveau d'un troisième mélangeur. Le système comporte avantageusement un deuxième moyen de prélèvement du signal de sortie générale. 25 Le système peut comporter un troisième moyen de prélèvement du second signal de correction. Selon un mode de réalisation particulier, un interrupteur trois voies piloté par un module de commande est adapté à sélectionner l'un ou l'autre des premier, deuxième ou troisième moyens de sélection et le mettre en liaison avec la boucle 30 de retour, la boucle de retour étant ainsi adaptée à servir de moyen de mesure de paramètres de fonctionnement de l'ensemble des moyens de correction du système. Le module de commande pilote avantageusement des moyens de réglage de gain et de phase d'au moins une voie du système. Avantageusement, le module de commande fait partie du calculateur qui comporte un bloc de traitement de signal, un bloc de génération de pré-distorsion, 5 un bloc de pilotage de la boucle feedforward, le module de commande pilotant lesdits blocs du calculateur. Le circuit de correction par pré-distorsion avec sa boucle de rétroaction permet une première correction du signal dans l'amplificateur de sorte que les produits d'intermodulation en sortie de l'amplificateur principal sont grandement 10 réduits. Le système feedforward assure quant à lui une deuxième étape de correction permettant d'arriver à un très haut niveau de linéarité. Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront apparents à la 15 lecture de la description qui suit d'un exemple non limitatif de réalisation de l'invention en référence aux dessins qui représentent: en figure 1: une vue schématique d'un système à correction de type feedforward de l'art antérieur; en figure 2: une vue schématique d'un système de l'invention combinant 20 pré-distorsion et feedforward; en figure 3: la vue de la figure 2 avec représentation des spectres des signaux à différents points du schéma; en figure 4: la vue de la figure 2 avec représentation du système de calcul pilotant les deux boucles de l'amplificateur. 25 Description détaillée de modes de réalisation de l'invention La figure 1 représente schématiquement un système d'amplification feedforward de l'art antérieur qui comporte une première boucle 1 munie d'une entrée signal E, d'un coupleur diviseur 18 alimentant une première voie ou voie d'amplification comportant un réglage de phase 3, un étage d'amplification à gain 30 variable 4 et des étages d'amplification de puissance 5, 6 . A la sortie de puissance de la voie d'amplification se retrouve un signal Si représenté selon son spectre 13 comportant le signal d'entrée amplifié Ea et une composante de distorsion d'intermodulation d. Cette sortie est connectée à un circulateur 7 isolant la sortie Si d'une sortie antenne S. Derrière l'isolateur 7 se trouve une ligne à retard 8 d'adaptation de phase et un coupleur 20 qui injecte un signal d'erreur issu d'une seconde boucle 2. La première boucle 1 comporte une seconde voie propageant le signal E de spectre 15 au travers d'une ligne à retard ou déphaseur 9, qui va produire un déphasage identique à celui introduit par l'amplificateur de la voie d'amplification, jusqu'à un coupleur double 19 qui prélève une partie du signal de sortie Si de voie d'amplification pour le soustraire au signal E remis en phase en sorte d'éliminer la composante de signal E et de générer le signal d'erreur eR 16. Ce signal d'erreur entre dans la seconde boucle 2 et est amplifié par des étages d'amplification 10 à gain réglable et 12 à gain fixe, déphasé par un dispositif de réglage de phase 11 pour se retrouver en fin de seconde boucle 2 amplifié et déphasé avec le spectre 17 en opposition de phase avec le signal de sortie de l'amplificateur au niveau du coupleur de sortie 20 de sorte qu'il y ait annulation des produits d'intermodulation au niveau de la sortie antenne, le spectre 14 du signal de sortie S étant ainsi nettoyé de la distorsion. La figure 2 représente schématiquement un dispositif de l'invention qui améliore le dispositif de la figure 1 en ajoutant une pré-distorsion numérique (Digital pre-distortion DPD D1). Selon ce schéma, un premier convertisseur numérique analogique 100 génère un signal d'entrée Su+D1 constitué par le signal utile Su combiné avec une pré-distorsion D1 calculée par un calculateur 200. Ce signal est mélangé avec une porteuse 107 au niveau d'un mélangeur 101 puis amplifié par les étages d'amplification 102 à gain variable et 103, 104 à gain fixe pour donner un signal amplifié Si. Comme dans la figure 1, une voie d'une première boucle 1' traite un signal de référence SREF ici généré par un second convertisseur numérique analogique 108, mélangé avec la porteuse 107 au niveau d'un second mélangeur puis amplifié par un étage d'amplification 111 pour être recombiné avec un prélèvement du signal de sortie S au moyen d'un coupleur double 110 en sorte de générer un signal d'erreur eR qui va comme dans la figure 1 être traité dans un déphaseur 113 et des étages d'amplification 112, 114 pour être recombiné au moyen d'un coupleur 130 en sortie antenne du système avec le signal Si isolé par un isolateur 105 et retardé par une ligne à retard 106. La pré-distorsion numérique est ici pilotée par une boucle de retour 140 qui prélève une fraction du signal Si de sortie d'amplificateur, l'amplifie ou adapte son 5 impédance au moyen d'un étage d'amplification 115 puis le démodule avec le mélangeur 117 recevant la porteuse 116 pour ensuite le convertir en signal numérique au moyen du convertisseur analogique/numérique 118. Ce signal est analysé par le calculateur 200 pour adapter les paramètres de la pré-distorsion numérique en fonction du signal de sortie de l'amplificateur et de sa plage 10 d'utilisation. Cette correction permet d'assurer que les non linéarités de l'amplificateur ont été correctement compensées dans la première boucle 1' et qu'il n'y a plus à traiter que les produits d'intermodulation dans la seconde boucle 2'. Pour ce qui concerne la pré-distorsion numérique, le convertisseur 15 numérique/analogique D/A 100 sert à générer le signal utile en bande de base pré-distordu Su+D1 qui va être amplifié et va linéariser l'amplificateur principal. Le convertisseur analogique numérique A/D 118 dans la boucle de retour 140 fournit des données de correction utilisées pour réaliser une adaptation dynamique de la pré-distorsion en fonction du signal de sortie de l'amplificateur et 20 améliorer cette première correction. Pour ce qui concerne le système feedforward, le signal de référence SREF, utilisé pour être soustrait au signal utile en sortie d'amplificateur principal en sorte de générer le signal d'erreur dans la seconde boucle, est piloté numériquement en phase et en amplitude pour éliminer le signal utile en entrée de la seconde boucle. 25 Le signal d'erreur eR est, après amplification et remise en opposition de phase, soustrait au signal de sortie RF de l'amplificateur complet. Au plan pratique, les coupleurs d'annulation font entre 7 et 12dB d'atténuation de couplage, ceux de prélèvement entre 20 et 30dB d'atténuation et les divers étages sont conçus pour compenser ces atténuations et remettre les 30 signaux à l'échelle. Toujours selon la figure 2, le système est piloté par un calculateur réalisé par exemple sous forme de composant FPGA et la première boucle du feedforward est entièrement numérique, le réglage du niveau du signal de référence et de sa phase relative avec le signal pré-distordu est réalisé à l'intérieur du FPGA de façon numérique. La figure 3 représente une variante du système de la figure 2 qui comporte le premier moyen 120 de prélèvement du signal de sortie de l'amplificateur principal et qui comporte en outre un deuxième moyen 122 de prélèvement du signal de sortie générale et un troisième moyen 121 de prélèvement du second signal de correction eR. Un interrupteur trois voies 142 piloté par un module de commande 201 représenté en figure 4 est adapté à sélectionner l'un ou l'autre des premier, 10 deuxième ou troisième moyens de sélection et le mettre en liaison avec la boucle de retour 141, la boucle de retour étant ainsi adaptée à servir de moyen de mesure de paramètres de fonctionnement de l'ensemble des moyens de correction du système. Selon l'exemple, le convertisseur analogique numérique A/D 118 dans la 15 boucle de retour est aussi utilisé pour réaliser la convergence de la première et seconde boucle du système feedforward en permettant l'analyse du signal présent en sortie de l'amplificateur principal, à l'entrée de la seconde boucle de correction d'erreur et à la sortie générale de l'amplificateur. Pour réaliser le traitement numérique du feedforward, deux convertisseurs, 20 l'un délivrant un signal utile combiné à un signal de pré-distorsion numérique, l'autre délivrant un signal de référence sont utilisés. Le prélèvement par le troisième moyen 121 au niveau de l'entrée de la second boucle de correction d'erreur sert ici à vérifier que ce signal présente un minimum de corrélation avec le signal de référence SREF afin d'ajuster au mieux 25 l'alignement du signal de référence et du signal en sortie de l'amplificateur principal. En effet, seuls les produits d'intermodulation doivent être présents à l'entrée de l'amplificateur d'erreur et le signal présente donc un minimum de corrélation lorsque le signal utile est entièrement soustrait du signal de sortie. Une méthode de vérification peut consister à analyser le spectre du signal 30 d'entrée de l'amplificateur et celui de l'entrée de la seconde boucle de correction d'erreur pour vérifier l'absence des porteuses dans le second de ces signaux. Le prélèvement par le deuxième moyen 122 permet de mesurer le signal de sortie après corrections. La convergence de la seconde boucle est réalisée en réglant la phase et le gain de l'amplificateur d'erreur au niveau du déphaseur 113 et de l'étage d'amplification à gain réglable 112. Pour optimiser ce résultat on analyse la sortie de l'amplificateur et deux méthodes peuvent être utilisées, la première est une 5 analyse en fréquence du signal de sortie afin de contrôler le niveau de l'intermodulation, la seconde consiste à maximiser la corrélation entre le signal de référence et celui des sortie ce qui correspond à un minimum d'intermodulation. L'interrupteur trois voies 142 est adapté à sélectionner l'un ou l'autre des premier, deuxième ou troisième moyens de sélection et le mettre en liaison avec 10 la boucle de retour 141 qui sert de moyen de mesure de paramètres de fonctionnement de l'ensemble des moyens de correction du système. - la position 1 de l'interrupteur pour laquelle la voie de retour est reliée au moyen de prélèvement 120 sert à observer la linéarisation de l'amplificateur principal et à faire converger l'algorithme de pré-distorsion numérique, 15 - la position 2 pour laquelle la voie de retour est reliée au moyen de prélèvement 121 sert à analyser l'entrée de la boucle d'erreur et de vérifier ainsi qu'il ne reste plus de signal utile et qu'il ne reste plus que les produits d'intermodulations. Ceci est réalisé par l'alignement en gain et en phase des deux branches de la première boucle, ces réglages sont faits à l'intérieur du processeur 20 de signal avant le convertisseur numérique analogique de référence. - la position 3 pour laquelle la voie de retour est reliée au moyen de prélèvement 122 sert à analyser le signal de sortie de l'amplificateur final afin de vérifier la correction du système feedforward. Cette correction est obtenue en réglant l'alignement en gain et phase de la seconde boucle à l'aide des 25 déphaseurs atténuateurs présent dans cette-dernière. Ces trois actions peuvent se faire de manière séquentielle ou être mises en oeuvre selon des conditions de fonctionnement données de l'amplificateur. Sur la figure 3 sont représentés les spectre des signaux. Sont représentés notamment les signaux 30 - en entrée d'amplificateur principal 501 où le signal comporte les raies centrales du signal utile et les raies latérales de pré-distorsion; - en entrée de la voie de la première boucle de correction feedforward 502 où seules les raies centrales du signal utile de référence sont présentes; - en sortie de la voie d'amplification principale 503 où les raies latérales ne comportent plus que la distorsion d'intermodulation; - en sortie d'amplificateur; en entrée de la voie de correction de la seconde boucle feedforward 505 où les raies du signal utile sont supprimées lors du 5 couplage du signal de référence avec le signal de sortie d'amplificateur pour ne laisser subsister que les raies du signal de distorsion d'intermodulation; - en fin de la voie de correction de la seconde boucle 506 où la distorsion d'intermodulation a été mise en forme pour être soustraite en sortie du système et; - en sortie du système 507 où seules les raies du signal utile amplifié sont 10 présentes. La figure 4 représente le système complet avec son calculateur de pilotage 200 détaillé. Le calculateur 200 comporte plusieurs blocs ou fonctions de calcul qui vont générer les données nécessaires pour générer le signal pur Su, le signal de pré- 15 distorsion D1 et le signal de référence SREF en fonction d'une entrée de données D à émettre, de tables de modélisation de l'amplificateur principal et des signaux issus de la boucle de retour 141. Le calculateur selon l'exemple comporte notamment un bloc de traitement de signal SP (signal processing) 202, un bloc de génération de pré-distorsion DPD 20 (digital pre-distortion) 203, un bloc de pilotage de la boucle feedforward F.FWD CONTROL 204. Ces blocs génèrent les données destinées à être converties pour générer les signaux ci-dessus. Le calculateur pilote en outre l'interrupteur trois voies 142 au travers d'un module de commande MASTER 201 adapté à sélectionner l'un ou l'autre des 25 premier, deuxième ou troisième moyens de sélection et le mettre en liaison avec la boucle de retour 141. Le module de commande 201 pilote en outre le moyen de réglage de gain 102 de la voie principale et les moyens de réglage de gain 112 et de phase 113 de la voie de correction d'erreur de la seconde boucle feedforward. 30 Le pilotage des moyens de réglage peut se faire au moyen de convertisseurs numériques analogiques et de sorties analogiques du calculateur pilotées par le module de commande. Le module de commande201 pilote en outre selon l'exemple l'ensemble des blocs du calculateur et les porteuses 108, 116. Le système est donc vu de l'utilisateur un bloc amplificateur auquel on apporte des données D à émettre, le calculateur se chargeant de gérer l'ensemble 5 des paramètres de fonctionnement de l'amplificateur de l'émetteur. Le calculateur peut être réalisé à partir d'un microcontrôleur associé à des convertisseurs numériques/analogiques N/A et analogique/numérique A/N intégrés ou discrets mais une solution préférée est d'intégrer l'ensemble calculateur convertisseurs et voies de commande dans un composant de type 10 FPGA (field programmable gate array) ou réseau logique programmable dédié comportant des blocs câblés pour traitements DSP, un coeur de microprocesseur enfoui, un ou plusieurs blocs de synthèse et/ou synchronisation d'horloges, des blocs de conversion A/N et NIA, des entrées/sorties à impédances contrôlées de la mémoire et d'autres ressources nécessaires au pilotage de l'amplificateur et à la 15 transmission des données. L'invention permet notamment d'utiliser un amplificateur peu linéaire mais à fort rendement, par exemple un amplificateur du type « Doherty ». L'invention n'est pas limitée aux exemples représentés et notamment le fait de partir d'un signal numérique traité par un calculateur de gestion de 20 l'amplificateur permet d'ajouter d'autres traitements du signal numériques soit par des blocs de calcul soit par logiciel au sein du calculateur tel qu'une réduction de facteur de crête ce qui améliore encore l'efficacité global du système. REVENDICATIONS1 - Système d'amplification radiofréquence numérique comportant un une voie d'amplification principale (102, 103, 104) et des moyens de correction de distorsion caractérisé en ce que les moyens de correction de distorsion comportent un circuit de correction de type correction par anticipation, dit circuit de correction feedforward, (1', 2') et un circuit de correction par pré-distorsion, le circuit de correction par pré-distorsion comportant une boucle de retour (140, 141) munie d'un premier moyen de prélèvement (120) d'un signal représentatif de la sortie de l'amplificateur principal pour adapter la pré-distorsion et minimiser l'erreur en sortie de l'amplificateur principal, la voie d'amplification principale (102, 103, 104) étant alimentée par un signal (Su+D1) combinant un signal utile pur (Su) et un signal de pré-distorsion (D1), le circuit de correction feedforward comportant une première voie de correction alimentée par un signal de référence (SREF) et le transformant en un premier signal de correction, ladite voie de correction constituant avec ladite voie d'amplification principale une première boucle (1') qui comporte en outre un coupleur double (110) adapté à effectuer un prélèvement d'un signal de sortie (S1) de la voie d'amplification principale et une combinaison de ce signal de sortie avec le premier signal de correction (Sc) pour réaliser un second signal de correction (eR). 2 - Système d'amplification radiofréquence numérique selon la revendication 1 pour lequel le prélèvement de signal de la boucle de retour (140) du circuit de correction par pré-distorsion est fait en aval du coupleur double (110) de la première boucle (1') du circuit de correction feedforward. 3 - Système d'amplification radiofréquence numérique selon la revendication 1 ou 2 comportant une seconde voie de correction dans laquelle le second signal de correction (eR) est injecté, ladite seconde voie de correction formant une seconde boucle (2') avec une voie de mise en forme (105, 106) prolongeant la voie d'amplification principale, ladite seconde boucle (2') comportant un coupleur de sortie (130) au niveau d'une sortie générale SG du système d'amplification. 4 - Système d'amplification radiofréquence numérique selon la revendication 3 pour lequel la seconde voie de correction comporte des moyensdéphaseurs (113) et des moyens d'amplification (112, 114) dudit second signal de correction pour générer un signal de correction final (eR'), le coupleur de sortie (20) étant conçu en sorte de réinjecter le signal de correction final (eR') au niveau de ladite sortie générale de l'amplificateur, ledit signal de correction final (eR') étant combiné au signal de sortie (S2) au niveau du coupleur pour générer un signal de sortie S nettoyé. 5 - Système d'amplification radiofréquence numérique selon la revendication 3 ou 4 pour lequel la voie de mise en forme comporte un isolateur (105) et une ligne à retard (106). 6 - Système d'amplification radiofréquence numérique selon l'une quelconque des revendications précédentes pour lequel le signal pur (Su), le signal de pré-distorsion (D1) et le signal de référence (SREF) sont générés au sein d'un calculateur (200) en fonction d'une entrée de données (D), de tables de modélisation de l'amplificateur principal et des signaux issus de la boucle de retour (140, 141). 7 - Système d'amplification radiofréquence numérique selon la revendication 6 pour lequel le signal utile pur combiné à la pré-distorsion (Su+D1) est issu d'un premier convertisseur numérique/analogique (100). 8 - Système d'amplification radiofréquence numérique selon la revendication 6 ou 7 pour lequel le signal de référence (SREF) est issu d'un second convertisseur numérique/analogique (108). 9 - Système d'amplification radiofréquence selon l'une quelconque des revendications précédentes pour lequel la boucle de retour comporte un convertisseur analogique numérique (118). 10 - Système d'amplification radiofréquence selon l'une quelconque des revendications précédentes pour lequel les signaux transitant par l'amplificateur, le circuit de correction feedforward et la boucle de retour du circuit de correction par pré-distorsion sont modulés en entrée de l'amplificateur et du dispositif feedforward par une porteuse (107) au moyen d'un premier et d'un deuxième mélangeurs (101, 109). 11 - Système d'amplification radiofréquence selon la revendication 10 pour lequel le signal de la boucle de retour est démodulé par une porteuse (116) au niveau d'un troisième mélangeur (117). 12 - Système d'amplification radiofréquence selon l'une quelconque des revendications précédentes comportant un deuxième moyen (122) de prélèvement du signal de sortie générale. 13 - Système d'amplification radiofréquence selon l'une quelconque des 5 revendications précédentes comportant un troisième moyen (121) de prélèvement du second signal de correction (eR). 14 - Système d'amplification radiofréquence selon les revendications 1, 12 et 13 pour lequel un interrupteur trois voies (142) piloté par un module de commande (201) est adapté à sélectionner l'un ou l'autre des premier, deuxième 10 ou troisième moyens de sélection et le mettre en liaison avec la boucle de retour (141), la boucle de retour étant ainsi adaptée à servir de moyen de mesure de paramètres de fonctionnement de l'ensemble des moyens de correction du système. _ 15 - Système d'amplification radiofréquence selon la revendication 14 15 pour lequel le module de commande (201) pilote des moyens de réglage de gain et de phase (102, 112, 113) d'au moins une voie du système. 16 - Système d'amplification radiofréquence selon les revendications 6 et 15 pour lequel le module de commande fait partie du calculateur qui comporte un bloc de traitement de signal (202), un bloc de génération de pré-distorsion (203), 20 un bloc de pilotage de la boucle feedforward (204), le module de commande (201) pilotant lesdits blocs du calculateur.