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CYCLE DE FORMATION DES INGÉNIEURS EN
TÉLÉCOMMUNICATION
OPTION:
Wireless Networks and Communications (WinCom)
RAPPORT DE PROJET DE FIN D'ÉTUDES
Étude d'une forme d'onde multiporteuses à
faibles variations de puissance
Réalise par:
Abraham Wendyida KABORE
Encadre par:
M. Jacques PALICOT ,
Professeur à SUPELEC.
M. Mohamed SIALA
, Professeur à SUPCOM
Mme. Fatma
ABDELKEFI , Maitre-assistant à SUPCOM
Travail proposé et réalisé en
collaboration avec
Année Universitaire 2011-2012
DÉDICACES
2
A ma famille, pour son soutien indefectible.
i
RÉSUMÉ
L'amplification des signaux à grande dynamique consomme
énormément d'énergie. Aussi une solution possible afin de
profiter d'un rendement maximal de l'amplificateur consiste à amplifier
des signaux à enveloppe constante. Or les signaux actuellement
proposés dans beaucoup de systèmes radio mobile sont des signaux
multiporteuses qui sont très avantageux mais qui par principe ont un
PAPR élevé.
Dans ce stage, nous avons étudié une forme
d'onde multiporteuses (pour profiter de tous les avantages inhérents
à celle-ci) ayant un PAPR faible. Il s'agit ici d'utiliser des
techniques de diminution de PAPR à l'aide de techniques d'ajout de
signal, couplées avec une nouvelle définition du signal
multiporteuses.
Le clipping par exemple, qui permet de diminuer le PAPR a
ainsi été modélisé comme une technique d'ajout de
signal, mais l'ajout du signal de clipping se fait sur certaines porteuses "
libres " qui ne sont pas utilisées pour transmettre les données.
Aussi pour ajouter le signal de clipping d'une façon plus efficace, on a
besoin d'avoir plus d'espace fréquentiel. L'idée ici est
d'utiliser un codage duobinaire sur chacune des sous-porteuses OFDM pour
réduire leur occupation spectrale de moitié. On utilise ainsi le
spectre vacant pour ajouter le signal de clipping de manière orthogonale
au signal de données.
Ensuite vient l'étude des performances de cette
nouvelle forme d'onde en termes de gain en PAPR, de complexité
(processus de réception) et d'ACPR. Cette étude a prouvé
un gain considerable issu de cette nouvelle technique qu'on propose. Elle a
l'avantage d'avoir une compexité réduite soit du point de vue
implémentation qu'au niveau calculatoire.
- ii -
Mots clés:
Éco-radio, modulations multiporteuses, radio intelligente,
PAPR, OFDM, clipping, Tone Reservation, codage duobinaire, codes à
reponse partielle.
iii
ABSTRACT
Power amplification efficiency enhancement is a critical issue
for wireless communication applications. The amplification of signals that have
a high dynamic range consumes a lot of energy. Amplifying signals with a
constant envelope is a possible solution to get a maximum performance of the
amplifier. However, the signals that are currently available in several
systems, are multi-carrier signals which are very attractive but have a high
PAPR in principle.
During this internship, we studied a multi-carrier waveform
(to enjoy all the benefits inherent in it) with a low PAPR. This is about to
use PAPR reduction techniques like "adding signal" methods, coupled with a new
definition of the multicarrier signal.
The clipping for example, has been modeled as an adding signal
technique, but the addition of the clipping signal occurs on certain free
subcarriers that are not used to transmit data. Not all the clipping signal
frequencies are used. The major problem is that the subcarriers on which the
clipping signal can be added are reduced in number. So to add the clipping
signal more efficiently we need to have more frequency space. The key idea here
is to perform the duobinary coding in each of the OFDM subcarriers. The
duobinary coding reduces the spectral occupancy by half. Thus, we can use the
vacant spectrum to add the clipping signal orthogonaly to the data signal. Then
comes the study of the performances of this new waveform in terms of gain in
PAPR, complexity (receiving process) and ACPR. This study confirm the
efficiency of the proposed technique.
Key Words:
Green communication, multi-carrier modulations, cognitive radio,
PAPR, OFDM, clipping, Tone Reservation, Duobinary coding.
- iv -
v
AVANT PROPOS ET
REMERCIEMENTS
Le présent mémoire expose mes travaux du projet
de fin d'études effectués au sein du laboratoire SCEE (Signal
Communication et Electronique Embarqué) de Supelec rennes,
spécialisé dans le traitement de signal et qui possède une
vaste expérience dans l'étude et la conception des futurs
systèmes de communication basés sur les concepts de radio
Logicielle et de radio Intelligente.
Au terme de ce travail, je tiens à remercier le
professeur Jacques Palicot responsable du laboratoire SCEE, pour
l'opportunité qui m'ai été offerte de pouvoir
réaliser ce stage sous sa direction au sein du laboratoire SCEE, et pour
son encadrement.
J'aimerai remercier aussi tous les professeurs et
post-doctorants membres du laboratoire qui m'ont aidé au cours des
différentes phases de ce travail, en répondant à mes
questions et en m'aiguillant dans mon étude.
Je remercie mes encadreurs de Tunis, madame Fatma Abdelkefi
(maitre assistant à SUP'COM) et monsieur Mohamed Siala (professeur
à SUP'COM) pour leurs suggestions et directives avant et pendant le
stage.
Enfin merci à toute l'équipe SCEE , surtout les
doctorants et stagiares qui m'ont supporté pendant ces mois de stage.
vi
TABLE DES MATIÈRES
Liste des ABRÉVIATIONS xi
Introduction Générale 1
1 Problématique du PAPR 3
1.1 Reduire la consommation énergétique des TIC.
4
1.1.1 Contribution des réseaux sans fil à la
consommation énergétique
des TIC. 4
1.1.2 Amplificateur de puissance. 6
1.2 Modulations multiporteuses 9
1.2.1 Radio intelligente 10
1.2.2 OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing 12
1.3 PAPR des signaux multiporteuses de type OFDM 15
1.3.1 Distribution du PAPR des signaux OFDM 16
1.4 Solutions possibles au problème du PAPR 18
1.4.1 Formes d'onde à PAPR très faible: GMSK
18
1.4.2 Techniques de réduction du PAPR 18
1.4.3 Recul d'entrée et de sortie de l'amplificateur
19
1.4.4 Les méthodes qui portent sur l'amplificateur 19
2 Nouvelle forme d'onde 21
2.1 Techniques de réduction du PAPR 21
2.1.1 Techniques d'ajout de signal 22
2.1.2 Tone Reservation 25
2.1.3 Tone Reservation et clipping 26
2.2 Dimunition du spectre réalisée par le codage
duobinaire 28
- vii -
2.2.1 Codes à réponse partielle: le duobinaire
28
2.3 La nouvelle forme d'onde 31
2.3.1 Réduction de spectre pour l'OFDM avec du duobinaire
sous
chaque sous-porteuse 35
3 Performances de la Nouvelle forme d'onde 38
3.1 Performances de la nouvelle forme d'onde 38
3.1.1 Taux d'erreur binaire 40
3.1.2 Performances en termes de réduction du PAPR 41
3.1.3 Dimunition de l'ACPR 50
3.1.4 Variation de la puissance moyenne 51
3.2 Implémentation et processus de réception
52
3.2.1 Complexité 52
Conclusion Générale et perspectives
56
Annexe: Décodage du signal réçu
58
viii
LISTE DES FIGURES
1.1 Répartition de la consommation d'énergie
dans les réseaux sans fil . . . 5
1.2 Répartition de la consommation d'énergie
par composants pour les sta-
tions de base. 6
1.3 Bilan de puissance de l'amplificateur. 7
1.4
Caractéristique d'un amplificateur de puissance intégrant
rendement et
non linéarités 8
1.5 Evolution de
la dynamique des signaux radio mobile aufil des générations.
9
1.6 Modulateur OFDM numérique. 14
1.7 Démodulateur OFDM numérique. 14
1.8 Caractéristique d'un amplificateur de puissance
intégrant rendement et
non linéarités 19
2.1 Distorsions engendrées par le clipping:
remontées des composantes out
of band. 24
2.2 Différentes manières d'éffectuer le
clipping 25
2.3 Schéma du principe de la Tone Reservation.
26
2.4 Clipping au seuil Lclip 27
2.5 Génération des symboles duobinaires.
29
2.6 Modulateur OFDM classique. 32
2.7 Modulateur OFDM Duobinaire 33
2.8 DSP binaire et Duobinaire pour N=64 sous-porteuses.
34
2.9 DSP binaire et Duobinaire pour N= 64 sous-porteuses zoom
35
2.10 Evolution temporelle du signal sur une seule
sous-porteuse 36
3.1 Mapping des sous-porteuses à l'entrée de
l'IFFT 39
3.2 Gain de spectre dans chaque sous-porteuse 40
- ix -
3.3 Sous-porteuses additionnelles pour le signal de
réduction du PAPR . . . 41 3.4 Calcul du gain en
réduction du PAPR à une valeur particulière de la
CCDF 42
3.5 Distribution du PAPR
théorique et simulé dans le cas d'une constella-
tion BPSK 43
3.6 Distribution du PAPR
théorique et simulé pour l'OFDM continu dans
le cas d'une constellation BPSK 44
3.7 Effet du suréchantillonnage sur le PAPR
45
3.8 Le codage duobinaire n'augmente pas le PAPR 46
3.9 Etalement temporel des symboles OFDM 47
3.10 PAPR pour un clipping à 10 dB 48
3.11 PAPR pour un clipping à 2 dB 49
3.12 Gain de PAPR de la nouvelle forme pour plusieurs taux de
clipping. . 50
3.13 Variation du rapport Py Px en fonction du niveau de
clipping. 52
3.14 Système équivalent à la nouvelle
forme d'onde à la réception 53
3.15 Génération du signal d'ajout 54
3.16 Nouvelle forme d'onde avec un seuil de clipping à
3dB et 5 itérations. 55
3.17 Suite de symboles OFDM duobinaire 58
X
LISTE DES TABLEAUX
2.1 Exemple de codage duobinaire 30
3.1 Paramètres de simulation 39
xi
- xii -
LISTE DES ABRÉVIATIONS
4G Fourth Generation
3GPP 3rd Generation Partnership Project
ACPR Adjacent Channel Power Ratio
ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line
BBAG Bruit Blanc Additif Gaussien
BTS Base Transceiver Station
BPSK Binary Phase Shift Keying
CCDF Complementary Cumulative Distrution
Function
DAB Digital Audio Broadcasting
DVB Digital Video Broadcasting
EVM Error Vector Magnitude
FDM Frequency Division Mulitplexing
FFT Fast Fourier Transform
GMSK Gaussian Minimum Shift Keying
GSM Global System for Mobile
communications
LTE Long Term Evolution
ICI Inter Carrier Interference
IEEE Institute of Electrical and Electronics
Engineers
IES Interference Entre Symboles
ISI Inter-Symbol Interference
IFFT Inverse Fast Fourier Transform
IB In Band
OFDM Orthogonal Frequency Division
Multiplexing
OOB Out Of Band
PAPR Peak to Average Power Ratio
SDR Software Define Radio
TEB Taux d'Erreur Binaire
TIC Technologies de l'Information et de la
Communication
WiFi Wireless Fidely
WIMAX Worldwide Interoperability for
Microwave Access
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