Investigation de l’approche FPMS pour la prédistorsion analogique reconfigurable des amplificateurs RF large-bande, multi-bande

Laboratoire XLIM UMR CNRS 7252

Les communications sans-fil du type 5G/6G visent à assurer des transmissions de données à très haut débit (large-bande) tout en optimisant la connectivité de diverses manières (utilisation de différentes bandes de fréquence, augmentation de l’efficacité énergétique, implémentation de fonctionnalités reconfigurables, etc.). Le déploiement de ces systèmes plus performants entraînera une amélioration de la qualité de service et une réduction de l’empreinte carbone, entre autres avantages.
C'est dans ce contexte que le développement de chaînes d'émission RF large-bande, reconfigurables en puissance et fréquence, pouvant fonctionner simultanément sur plusieurs plages de fréquences, devient un impératif. Un verrou technologique important concerne l’étage analogique d’amplification qui est fortement non-linéaire au maximum de son rendement. Actuellement, la solution de linéarisation la plus déployée est basée sur le principe de la prédistorsion numérique (DPD). Toutefois, cette solution est limitée à quelques dizaines de MHz de largeur de bande à cause des fréquences d’échantillonnages des composants numériques et des vitesses de conversion analogique et numérique, comme l’AD9375 Digital Pre-Distortion de Analog-Device qui se limite à 40MHz de correction. De plus, la DPD est souvent retreinte aux scénarios d’utilisation quasi-statiques, ce qui la rend peu adaptée aux variations du PA comme l’échauffement ou les variations du point de fonctionnement (bande, fréquence, puissance, polarisation, ...). Pour des utilisations à très grandes largeurs de bande (de l’ordre de la centaine de MHz prévue par la 5G/6G) et des montées en fréquence porteuse au-delà de la bande S, il est intéressant de mettre en œuvre des circuits de prédistorsion analogique dont la plage de correction est plus large.
Dans cette étude, il s'agira d’explorer les possibilités de concevoir des APD (Analog Predistortion) reconfigurables basées sur le nouveau concept de Field-Programmable Microwave Substrate (FPMS). Cette approche très originale permettrait en principe de réaliser tous les éléments RF nécessaires à la prédistorsion analogique (diviseur, combinateur, nonlinéarité, déphaseur, atténuateur) sur une seule carte électronique FPMS, pilotée par un logiciel préexistant. Les compromis impliqués dans ce type de montage se situent au niveau :
1) du comportement non-linéaire de la matrice FPMS de prédistorsion. A ce stade il est envisagé soit de modifier la matrice FPMS pour tirer profit de son comportement non-linéaire, soit d’insérer une non-linéarité et de contrôler son fonctionnement avec les éléments passifs de la matrice.
2) des performances RF (pertes, plage dynamique, densité des fonctions individuelles réalisables sur une matrice FPMS) et de la complexité de l’algorithme adaptatif qui permettra la convergence du dispositif. En pratique, c’est l’approche d’apprentissage direct (DLA, pour Direct Learning Architecture), qui utilise l’erreur entre les enveloppes complexes d’entrée et de sortie du système complet (APD + PA), notée « Training signal », qui sera privilégiée dans cette étude. Elle permet de meilleures performances (entre 15 et 40dB d’ACPR) avec un estimateur adaptatif en boucle fermée, où l’algorithme est exécuté directement sur les données IQ sans recherche du modèle du PA.

Le projet transversal que nous souhaitons mener vise à répondre à ces deux verrous scientifiques, et se base sur l’articulation de deux domaines de recherche apportés par XLIM et Ontario Tech :
- La conception de blocs RF capables de réaliser la fonction de prédistorsion d’un signal large-bande
dans l’environnement FPMS. Cette compétence, apportée par l’équipe de l’Ontario Tech, s’appuiera sur les études menées de 2020 à 2024 qui ont aboutie sur la démonstration d’une carte FPMS hautement reconfigurable.
- Dans ce travail de Master, il s’agira également d’évaluer les besoins en algorithmes adaptatifs afin de rendre le système reconfigurable. L’équipe d’Angoulême (SRI/SRF) de XLIM possède une forte expertise en prédistorsion analogique et numérique avec plusieurs thèses et projets autour de cette thématique. Les algorithmes d’apprentissage permettant la paramétrisation des fonctions de prédistorsion sont disponibles, ce qui facilitera le travail du stagiaire. Reste à les adapter à l’environnement et au contrôle de la matrice FPMS.
Ces expertises en carte FPMS et prédistorsion devraient permettre de converger rapidement vers un circuit de simulation capable de gérer de manière optimale un ensemble de scenarios de transmission tant en puissance, qu’en largeur de bande pour différentes fréquences de travail. Ce travail de prospection s’appuiera aussi sur le banc disponible sur Angoulême autour des transmissions LTE/5G avec un PA 10W en technologie GaN, fonctionnant dans la bande S et piloté par des USRP.
Dans le cas de l’application large-bande envisagée, ce travail a pour but de parvenir à un bon niveau de linéarité et de reconfigurabilité pour répondre aux futures spécifications liées à la 5G/6G. A l’issue de ce travail, plusieurs perspectives de publications communes et de collaboration en thèse co-tutelle avec appui du milieu industriel sont possibles, notamment pour les domaines automobiles, aéronautiques et 5G FWA terrestre/satellite dual connectivité.

Parcours conseillé : Electronique, Micro-ondes, télécommunications
Profil recherché : 
- Compétences sur le logiciel ADS Keysight
- De bonnes connaissances en circuit électronique RF