Magnitude modulation for peak power control in single carrier communication systems

Abstract

Peak-to-average power ratio (PAPR) reduction is of major concern in most telecommunication systems whose transmission capacity is limited by the transmitter’s non-linear high-power amplifier (HPA). A high PAPR puts stringent linearity requirements on the HPA, which badly degrades the system’s power efficiency. In addition it also complicates the design of other components of the system, e.g. the digital-to-analog converter (DAC), thereby increasing the overall cost of the system. This thesis discusses the problem of controlling the envelope’s power peak of single-carrier (SC) modulated signals, band limited by Nyquist pulse shaping filters, usually achieved with root-raised cosine (RRC) filters. Our main aim is to lower the signal’s PAPR in order to reduce the power amplifier back-off for small satellite communication terminals (VSAT). Following original work by Miller et al. and Tomlinson et al. on the PAPR controlling of SC signals we have focused on the concept of magnitude modulation (MM). The MM technique is presented as a very efficient solution to the PAPR problem. This thesis contributes two highly efficient MM algorithms that control the envelope’s power peak: an improved LUT-based approach where constellation and RRC symmetries are explored, and a novel multistage polyphase magnitude modulation (MPMM) approach. The increased sensitivity to noise due to MM is also addressed, with two effective techniques being proposed for improving the detection of MM signals. Another major contribution is an analytical model for statistically characterizing and analyzing the performance of the MM procedure.

A redução da relação entre potência de pico e a potência média (PAPR) de um sinal é motivo de preocupação no projecto da grande maioria de sistemas de telecomunicações, cuja capacidade de transmissão é limitada pela não linearidade do amplificador de potência (HPA) usado no emissor. Um elevado PAPR coloca elevados requisitos de linearidade no HPA, com consequente perda de eficiência de potência. Para além disso, dificulta igualmente o projecto de outros componentes do sistema, tais como o conversor digital-analógico (DAC), contribuindo para o aumento de custo global do sistema. Esta tese aborda o problema de controlo da potência de pico da envolvente de sinais modulados em portadora única e com largura de banda espectral limitada com recurso a um filtro de Nyquist (tipicamente um filtro RRC). O nosso principal objectivo é minimizar o PAPR do sinal a transmitir, com vista a reduzir a necessidade de back-off em sistemas VSAT. Dando continuidade ao trabalho de Miller et al. e Tomlinson et al., concentramonos no estudo do conceito de modulação de magnitude (MM). A técnica de MM é apresentada como uma solução muito eficiente para a resolução do problema associado a um elevado PAPR. Este trabalho contribui com dois algorítmos de MM com elevado desempenho no controlo da potência de pico da envolvente do sinal a transmitir, sendo proposta uma versão melhorada do método de MM baseada em LUT’s, bem como uma nova técnica polifásica de modulação de magnitude (MPMM). O problema de aumento de sensibilidade ao ruído, devido ao uso de técnicas de MM, é também abordado. Assim, este trabalho propõe duas novas técnicas que melhoram eficazmente a detecção do sinal modulado em magnitude. Outra contribuição muito importante é o desenvolvimento de um modelo analítico para caracterização e análise estatística do desempenho do método de MM.