This paper investigates the statistical behavior of a sequential adaptive gradient search algorithm for identifying an unknown Wiener-Hammerstein (1958) system (WHS) with Gaussian inputs. The WHS nonlinearity is assumed to be expandable in a series of orthogonal Hermite polynomials. The sequential procedure uses (1) a gradient search for the unknown coefficients of the Hermite polynomials, (2) an LMS adaptive filter to partially identify the input and output linear filters of the WHS, and (3) the higher order terms in the Hermite expansion to identify each of the linear filters. The third step requires the iterative solution of a set of coupled nonlinear equations in the linear filter coefficients. An alternative scheme is presented if the two filters are known a priori to be exponentially shaped. The mean behavior of the various gradient recursions are analyzed using small step-size approximations (slow learning) and yield very good agreement with Monte Carlo simulations. Several examples demonstrate that the scheme provides good estimates of the WHS parameters for the cases studied.

Analysis of Stochastic Gradient Identification of Wiener-Hammerstein Systems for Nonlinearities with Hermite Polynomial Expansions

Les travaux developpes ici traitent de la mise en Suvre de techniques de protection et de linearisation permettant aux modules d'amplification de puissance de repondre a toutes les contraintes de la telephonie mobile que sont la robustesse, la linearite, une tres faible consommation, la miniaturisation et le cout. Dans une premiere partie, nous traitons de l'amelioration de la robustesse des amplificateurs de puissance RF vis-a-vis des desadaptations d'impedance induites par les variations d'environnement de l'antenne du telephone portable. L'analyse des mecanismes de defaillance, des transistors HBT GaAs et HBT SiGe, nous mene a conclure a la necessaire limitation du courant de l'etage final. Nous avons alors concu un circuit de protection original, base sur la detection precise du courant collecteur des transistors de puissance. De tres faibles dimensions et monolithiquement integrable, ce circuit n'altere ni la puissance de sortie, ni le rendement en puissance ajoutee lorsque l'amplificateur est nominalement charge sur 50 Ohms. Un amplificateur de puissance RF integrant ce dispositif a supporte tous les tests de robustesse jusqu'a des valeurs de VSWR superieures a dix et pour des tensions de batterie superieures a cinq volts. La simplicite et l'efficacite du circuit de detection de courant nous a conduit, dans un second temps, a envisager la conception d'un circuit de linearisation monolithiquement integrable sur un amplificateur de puissance RF, pour les standards EDGE et WCDMA. Le principe de linearisation par injection d'enveloppe a alors ete mis en Suvre grâce a une nouvelle topologie pour la detection de l'enveloppe du signal module. En raison de la tres faible consommation en courant du dispositif innovant de linearisation, il devient possible de s'affranchir du compromis linearite/rendement en puissance ajoutee, intervenant generalement. Ce dispositif a ete implemente sur un amplificateur de puissance en technologie HBT SiGe. La Linearite de l'amplificate ur a ainsi ete amelioree de 12 dB a la puissance de sortie nominale, tout en maintenant constant le rendement en puissance ajoutee de l'amplificateur, meme pour les faibles puissances de sortie (low power mode).

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Circuits de protection et de linéarisation à très basse consommation pour amplificateurs de puissance RF monolithiques à fort rendement et haute linéarité

Ce travail de these concerne la modelisation comportementale d’amplificateurs de puissance. Le formalisme choisi, les parametres S fort-signal, offre a la fois une representation efficace pour des variations importantes de l’impedance de charge et une procedure d’extraction simple et rapide a mettre en oeuvre. L’integration de ce modele dans un environnement de simulation circuit (A. D. S. ) a permis la validation de ce principe grâce a des resultats tres probants. Puis son implementation dans un simulateur systeme (Scilab/Scicos) finalise la validation de ce modele “boite noire” dans un environnement de simulation temporel. Dans la derniere partie, un nouveau concept de modelisation comportementale, dite topologique, a ete etabli. Cette approche est basee sur le design des amplificateurs de puissance, en appliquant un traitement separe entre les parties actives et passives de l’amplificateur. Ce modele sera capable a terme de prendre en compte simultanement les desadaptations de charge mais aussi les effets memoire haute frequence et thermique presents au sein des amplificateurs de puissance.

Modélisation comportementale d’amplificateurs de puissance pour les applications radars

With the emergence of mass-market applications, such as Wireless-HD, low-cost CMOS technologies are requested to democratize the use of mmW frequencies. However, before being commercialized, mmW transmitters have to ensure sufficient reliability. One major reliability issue lies in the impedance mismatch between the power amplifier (PA) and the antenna, which can result from wave propagation obstacles in the close vicinity of the antenna. Such impedance mismatch generates standing waves, which can cause irreversible damage on the power amplifier. This thesis aims to propose an innovating regulation architecture that could protect the power amplifier from such deterioration and optimize its performance. By integrating several power detectors between the PA and the antenna, the impedance mismatch can be evaluated. Using this information, a digital regulation loop could then elaborate a complete strategy in order to optimize the PA performance. This thesis notably investigates the power detection circuits, which should sense the antenna impedance mismatch. A circuit realization in 65nm CMOS process from STMicroelectronics shows that the power detector provides 25dB dynamic range at 60GHz and is able to detect up to 3:1 VSWR. A second circuit realization integrates a power amplifier, the power detection circuits and data converters (ADC & DAC). The regulation loop acts on the power amplifier gain to keep a constant PA output power whatever the antenna impedance is. A second loop is also integrated, which protects the PA from destruction. This thesis also covers two alternative projects developed simultaneously to the VSWR-regulated PA architecture. First, a novel architecture of Logarithmic-Analog-to-Digital-Converter is proposed, which is based on the progressive compression architecture of logarithmic amplifier. Then the simulation aspect of the VSWR-regulated PA is investigated through an ADS co-simulation of an RF/mmW PA with its mixed-signal regulation loop.

Regulation of power amplifiers under VSWR conditions in CMOS 65nm for 60GHz WLAN applications

Ces travaux portent sur la caracterisation de transistors de puissance bipolaires a hetero-jonction Si/SiGe:C, issus des fonderies de STMicroelectronics Crolles, destines aux applications de radiocommunications mobiles. Un historique des principales evolutions technologiques du transistor bipolaire est propose. Les simulations CW, utilisant le modele HICUM, ont mis en evidence l’influence du point de polarisation et des impedances de charge sur l’optimisation en rendement. Les simulations 2-tons et multi-tons ont confirme le compromis rendement/linearite. Une resolution originale pour tester la robustesse des transistors est ensuite exposee. Puis, les mesures realisees sur le banc load-pull actif du laboratoire Xlim ont montre une bonne coherence avec les simulations CW. Les comparaisons 2-tons sont prometteuses. Enfin, cette these a permis d’identifier le probleme d’etalonnage du banc load-pull passif de STMicroelectonics. La resolution proposee a ete approuvee par Focus Microwaves.

Analyse et caractérisation des performances en puissance de transistors bipolaires à hétéro-jonction SiGe:C pour des applications de radiocommunications portables

L'amplificateur de puissance est le module le plus critique dans les equipements de communication radio. Il determine la qualite de la liaison par sa linearite et a une contribution consequente dans la consommation de l'emetteur ; environ 60% de l'energie consommee est consacre a l'amplification. Il est donc crucial de le faire fonctionner avec un rendement energetique eleve. Cependant, ces deux specifications principales de l'amplificateur que sont la linearite et le rendement energetique sont antagoniques. Par consequent, la conception d'un module d'amplification de puissance suppose de trouver un compromis entre la linearite et le rendement. L'optimisation de ce compromis est la raison d'etre des techniques de linearisation d'amplificateurs et d'amelioration du rendement, parmi lesquelles la predistorsion numerique (DPD) et les techniques de reduction du PAPR du signal (CFR).Le cœur de cette these est la linearisation d'amplificateurs RF haute-puissance et large-bande par predistorsion numerique (DPD). Dans ces travaux, nous abordons trois problematiques liees a la predistorsion et qui constituent des verrous technologiques importants. Le premier aspect concerne l'implementation de la predistorsion numerique dans un contexte multi-bande ou le signal a lineariser comporte plusieurs formes d'ondes, situees a des frequences differentes. La seconde problematique est l'utilisation conjointe de la predistorsion avec une technique de CFR. Dans la majorite des applications haute-puissance, les techniques de DPD et de CFR sont presentes de maniere complementaire, cependant elles sont utilisees de facon autonome et disjointe. Celles-ci gagneraient en performances de linearisation en etant implementees de maniere plus concertee. . Le dernier theme aborde par cette these est l'effet des desadaptations d'impedance de l'antenne sur le mode de fonctionnement de l'amplificateur. La variation de l'impedance d'antenne entraine des reflexions de signal vers l'amplificateur qui modifient ses specifications de linearite et de rendement. Nous ameliorons la linearite du systeme DPD + AP, lorsque l'amplificateur est soumis a des variations de l'impedance a sa charge, grâce a une correction adaptative de gain

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Amadou Mbaye

Papers

Linéarisation des amplificateurs de puissance large-bande pour des applications de communications tactiques et de diffusion audio ou vidéo numérique