Les modulations multiporteuses apparaissent aujourd'hui comme une technologie éprouvée pour la transmission de données à haut-débits sur des canaux pouvant être très perturbés. L'OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) a d'ailleurs été choisie dans plusieurs normes de télécommunications (ADSL, Wi-Max, IEEE 802.11a/g/n, LTE, DVB,...). Cependant un des inconvénients de ce type de modulation est la forte variation de la puissance instantanée à transmettre. Cette propriété rend ces modulations très sensibles aux non-linéarités des composants analogiques, en particulier celles de l'amplificateur de puissance à l'émission. Or l'amplificateur de puissance est un élément déterminant dans une chaîne de communication dans la mesure où il a une influence prépondérante sur le bilan global de la transmission en termes de puissance, de rendement et de distorsion. Plus l'on souhaite que l'impact de ses non linéarités soit faible et plus son rendement est faible, et inversement. Il est donc nécessaire d'effectuer un compromis linéarité/rendement.L'objectif de la thèse est d'éviter cette détérioration du rendement tout en conservant de bonnes performances de linéarité, de surcroit pour des signaux OFDM. Pour ce faire nous proposons d'utiliser conjointement des méthodes de linéarisation (prédistorsion numérique en bande de base) et d'amélioration du rendement (envelope tracking) de l'amplificateur de puissance ainsi qu'une méthode de réduction de la dynamique du signal (active constellation extension). La prédistorsion numérique classique échouant aux fortes puissances, nous proposons une méthode d'amélioration de cette technique à ces puissances. Nos résultats sont validés par des mesures sur un amplificateur de puissance 50W. Nous proposons également une association des méthodes permettant d'améliorer simultanément les performances en terme de linéarité hors bande et de rendement en minimisant les dégradations des performances de taux d'erreur binaire. / Multi-carrier modulations appear as a well-tried technology for high-speed data transmission on potentially disrupted channels. OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) has been chosen for that matter in several telecommunication standards (ADSL, Wi-Max, IEEE 802.11a/g/n, LTE, DVB,...). However one of the drawbacks of this modulation type is its high variation of the instantaneous power to transmit. This property makes these modulations very sensitive to the non-linearities of analog components, especially those related to power amplifiers. Yet the power amplifiers are critical elements in the communication chain as they have a major influence on the global assessment in terms of power, efficiency and distortion. More we want its non linearity impact is weak, more its efficiency is weak too. It is therefore necessary to make a trade-off between linearity and efficiency.The purpose of the thesis is to avoid this efficiency damage keeping at the same time the good linearity performance, moreover for OFDM signals. In this way we propose to jointly use a linearization technique (the base band digital predistortion) and a technique of efficiency improvement (the envelope tracking) for the power amplifier, together with a technique of signal dynamic reduction (the active constellation extension). The classic predistortion failing for high powers, we propose an improvement of this technique for these powers. Our results are validated by measurements on a 50W power amplifier. We also propose an association of the techniques allowing an improvement of the performance in terms of out-of-band linearity and efficiency, with smallbit error rate damages.

Comme toutes modulations multiporteuses, l'OFDM souffre d'une forte variation d'amplitudes qui se traduit par un PAPR élevé. Cette caractéristique de l'OFDM la rend très sensible aux non-linéarités de l'amplificateur de puissance. Pour faire face à cette problématique, on peut surdimensionner l'amplificateur de puissance (solution non efficace en terme de rendement énergétique), linéariser l'amplificateur via les techniques de pré-distorsions, ou réduire le PAPR du signal avant amplification. L'objectif de cette thèse s'inscrit dans cette dernière thématique et plus particulièrement sur les techniques dites d'ajout de signal.Dans cette thèse, après une étude sur l'état de l'art des techniques de réduction du PAPR et en particulier les techniques dites d'ajout de signal, nous avons développé et proposé de nouvelles techniques de réduction du PAPR. Ces contributions s'articulent principalement autour des techniques de Clipping et de la Tone Reservation. / One of the main drawbacks of the OFDM modulation scheme is its high Peak-To-Average Power variation (PAPR) which can induce poor power efficiency at the transmitter amplifier. The digital base band pre-distortion for linearisation of power amplifier and the PAPR mitigation are the most commonly used solution in order to deals with efficiency and linearisation at the high power amplifier. This thesis is focused on the PAPR mitigation solution, and particularly on the adding signal based techniques. The proposed solutions in this report are about improving the Tone Reservation method which is the most popular adding signal based technique for PAPR mitigation, and also the classical clipping method which is the most simple method (in terms of computational complexity) actually.

Comme toutes modulations multiporteuses, l'OFDM souffre d'une forte variation d'amplitudes qui se traduit par un PAPR élevé. Cette caractéristique de l'OFDM la rend très sensible aux non-linéarités de l'amplificateur de puissance. Pour faire face à cette problématique, on peut surdimensionner l'amplificateur de puissance (solution non efficace en terme de rendement énergétique), linéariser l'amplificateur via les techniques de pré-distorsions, ou réduire le PAPR du signal avant amplification. L'objectif de cette thèse s'inscrit dans cette dernière thématique et plus particulièrement sur les techniques dites d'ajout de signal.Dans cette thèse, après une étude sur l'état de l'art des techniques de réduction du PAPR et en particulier les techniques dites d'ajout de signal, nous avons développé et proposé de nouvelles techniques de réduction du PAPR. Ces contributions s'articulent principalement autour des techniques de Clipping et de la Tone Reservation. / One of the main drawbacks of the OFDM modulation scheme is its high Peak-To-Average Power variation (PAPR) which can induce poor power efficiency at the transmitter amplifier. The digital base band pre-distortion for linearisation of power amplifier and the PAPR mitigation are the most commonly used solution in order to deals with efficiency and linearisation at the high power amplifier. This thesis is focused on the PAPR mitigation solution, and particularly on the adding signal based techniques. The proposed solutions in this report are about improving the Tone Reservation method which is the most popular adding signal based technique for PAPR mitigation, and also the classical clipping method which is the most simple method (in terms of computational complexity) actually.

Les amplificateurs de puissance sont au centre des systèmes actuels de télécommunications. Leur linéarité (pour préserver la qualité des données transmises) et leur rendement énergétique (pour faire des économies d’énergie) sont très importants et constituent les préoccupations majeures des concepteurs. Cependant, ce sont des composants analogiques intrinsèquement non-linéaires et leur utilisation avec des signaux à enveloppes non-constantes génèrent des distorsions à savoir des remontées spectrales hors-bandes et une dégradation du taux d’erreurs. Les signaux OFDM à la base de nombreux standards comme le Wifi, le Wi-Max, la télévision numérique, le LTE, etc. ont de fortes variations de puissance encore appelées PAPR (Peak-to-Average Power Ratio) qui aggravent ces problèmes de non-linéarité de l’amplificateur et réduit son rendement. Le traitement conjoint des non-linéarités et l’amélioration du rendement de l’amplificateur est l’objectif de cette thèse.Pour cela, l’accent est mis sur une approche conjointe de la linéarisation et de la réduction du PAPR. Ces deux méthodes jusqu’à présent abordées séparément dans la littérature sont en fait complémentaires et interdépendantes. Cela a été prouvé grâce à une étude analytique que nous avons menée. Grâce à l’approche conjointe, on peut simplement les associer, on parle dans ce cas d’approche non-collaborative ou leur permettre en plus d’échanger des informations et de s’adapter l’une par rapport à l’autre et/ou vice versa. Ce dernier cas est l’approche collaborative. Nous avons ensuite proposé des algorithmes d’approche conjointe collaborative basés sur les techniques d’ajout de signal. La réduction du PAPR et la prédistorsion (choisie comme méthode de linéarisation) sont fusionnées sous une seule formulation d’ajout de signal. Un signal additionnel conjoint est alors généré pour à la fois compenser les non-linéarités de l’amplificateur de puissance et réduire la dynamique du signal à amplifier. / Power amplifiers are key components of current telecommunications systems. Their linearity (to preserve the quality of the data) and efficiency (for power savings) are the primary concerns of designers. However, they are non-linear analog components in nature that cause spectral leakage, warping and clustering of the constellation. The overall consequences of this are out-of-band interferences and Bit Error Rate (BER) degradation at the receiver.OFDM’s modulation used in many standards such as Wi-Fi, WiMAX, digital TV, LTE, etc. generates temporal signals with high power fluctuations also termed as Peak-to-average Power Ratio (PAPR). High PAPRs aggravate the non-linearity problem of the amplifier and reduce its efficiency. The objective of this thesis is to jointly increase the linearity and the efficiency of the power amplifier.For this, we focus on a joint approach of linearization and PAPR reduction. These two methods so far discussed separately in the literature are complementary and interdependent. This has been proven through an analytical study that we conducted. Through the joint approach, the two methods can be simply associated; in this case we speak of non-collaborative approach, or allowed to exchange some information in order to adapt each other. This latter case is collaborative approach. Then, we proposed algorithms of collaborative approach based on adding signal techniques. PAPR reduction and predistortion (chosen as linearization’s method) are merged into one global adding signal formulation. A joint additional signal is then generated to compensate at the same time the non-linearities introduced by the power amplifier and reduce the dynamic range of the signal to be amplified.

<p>DVB (Digital video broadcasting) is the television digital system. It's however much more than a simple replacement for existing analogue television transmission, this system has many advantages such as picture quality and allows you a range of new features and services including subtitling, multiple audio tracks, interactive content, multimedia content... </p><p>The system is based in the OFDM technology, which allows DVB system to exploit the spectrum frequencies in a better way, saving spectrum, but OFDM has an important drawback that is the peak to average power ratio problem. OFDM is based on the FFT algorithms generating several orthogonal subcarriers. This thesis talks about the improvement of the PAPR problem using the clipping method. </p><p>The simulation has been developed in Simulink® and Matlab®. With all the information presented in this thesis, any user can simulate the system. Thus, this thesis can be improved using other using other techniques to solve the PAPR problem.</p>

DVB (Digital video broadcasting) is the television digital system. It's however much more than a simple replacement for existing analogue television transmission, this system has many advantages such as picture quality and allows you a range of new features and services including subtitling, multiple audio tracks, interactive content, multimedia content... The system is based in the OFDM technology, which allows DVB system to exploit the spectrum frequencies in a better way, saving spectrum, but OFDM has an important drawback that is the peak to average power ratio problem. OFDM is based on the FFT algorithms generating several orthogonal subcarriers. This thesis talks about the improvement of the PAPR problem using the clipping method. The simulation has been developed in Simulink® and Matlab®. With all the information presented in this thesis, any user can simulate the system. Thus, this thesis can be improved using other using other techniques to solve the PAPR problem.

Recently, orthogonal frequency-division multiplexing (OFDM) has been adopted for high-speed wireless communications due to its robustness against multipath fading. However, one of the main fundamental drawbacks of OFDM systems is the high peak-to-average-power ratio (PAPR). Several techniques have been proposed for PAPR reduction. Most of these techniques require transmitter-based (pre-compensated) processing. On the other hand, receiver-based alternatives would save the power and reduce the transmitter complexity. By keeping this in mind, a possible approach is to limit the amplitude of the OFDM signal to a predetermined threshold and equivalently a sparse clipping signal is added. Then, estimating this clipping signal at the receiver to recover the original signal. In this work, we propose a Bayesian receiver-based low-complexity clipping signal recovery method for PAPR reduction. The method is able to i) effectively reduce the PAPR via simple clipping scheme at the transmitter side, ii) use Bayesian recovery algorithm to reconstruct the clipping signal at the receiver side by measuring part of subcarriers, iii) perform well in the absence of statistical information about the signal (e.g. clipping level) and the noise (e.g. noise variance), and at the same time iv is energy efficient due to its low complexity. Specifically, the proposed recovery technique is implemented in data-aided based. The data-aided method collects clipping information by measuring reliable 
data subcarriers, thus makes full use of spectrum for data transmission without the need for tone reservation. The study is extended further to discuss how to improve the recovery of the clipping signal utilizing some features of practical OFDM systems i.e., the oversampling and the presence of multiple receivers. Simulation results demonstrate the superiority of the proposed technique over other recovery algorithms. The overall objective is to show that the receiver-based Bayesian technique is highly recommended to be an effective and practical alternative to state-of-art PAPR reduction techniques.

Main goal of this dissertation is read over principal and properties of the OFDM modulation. Onward we become acquainted with basic methods for PAPR dynamics reduction in OFDM such as Clipping or Interleaving. Simulation of reduction methods will be realized in Scilab environment, in which are made basic functions for OFDM modulator and demodulator. Furthermore there are created functions for PAPR reduction methods. All established functions are implemented in the GUI.

An important component of the cost of a radio base station comes from to the Power Amplifier driving the array of antennas. The cost can be split in Capital and Operational expenditure, due to the high design and realization costs and low energy efficiency of the Power Amplifier respectively. Both these cost components are related to the Crest Factor of the input signal. In order to reduce both costs, it would be possible to lower the average power level of the transmitting signal, whereas in order to obtain a more efficient transmission, a more energized signal would allow the receiver to better distinguish the message from the noise and interferences. These opposed needs motivate the research and development of solutions aiming at reducing the excursion of the signal without the need of sacrificing its average power level. One of the algorithms addressing this problem is the Peak Cancellation Crest Factor Reduction. This work documents the design of a hardware implementation of such method, targeting a possible future ASIC for Ericsson AB. SystemVerilog is the Hardware Description Language used for both the design and the verification of the project, together with a MATLAB model used for both exploring some design choices and to validate the design against the output of the simulation. The two main goals of the design have been the efficient hardware exploitation, aiming to a smaller area footprint on the integrated circuit, and the adoption of some innovative design solutions in the controlling part of the design, for example the managing of the cancelling pulse coefficients and the use of a time-division multiplexing strategy to further save area on the chip. For the contexts where both the solutions could compete, the proposed one shows better results in terms of area and delay compared to the current methods in use at Ericsson and also provides innovative suggestions and ideas for further improvements. / En komponent som det är viktigt att ta hänsyn till när det kommer till en radiobasstations kostnad är förstärkaren som används för att driva antennerna. Kostnaden för förstärkaren kan delas upp i en initial kostnad relaterad till utveckling och tillverkning av kretsen, samt en löpande kostnad som är relaterad till kretsens energieffektivitet. Båda kostnaderna är kopplade till en egenskap hos förstärkarens insignal, vilken är kvoten mellan signalens maximala effekt och dess medeleffekt, såkallad toppfaktor. För att reducera dessa kostnader så är det möjligt att minska signalens medeleffekt, men en hög medeleffekt förbättrar radioöverföringen eftersom det är lättare för mottagaren att skilja en signal med hög energi från brus och interferens. Dessa två motsatta krav motiverar forskning och utveckling av lösningar för att minska signalens maximala värde utan att minska dess medeleffekt. En algoritm som kan användas för att minska signalens toppfaktor är Peak Cancellation. Den här rapporten presenterar design och hårdvaruimplementering av Peak Cancellation med avsikt att kunna användas av Ericsson AB i framtida integrerade kretsar. Det hårdvarubeskrivande språket SystemVerilog användes för både design och testning i projektet. MATLAB användes för att utforska designalternativ samt för att modellera algoritmen och jämföra utdata med hårdvaruimplementationen i simuleringar. De två huvudmålen med designen var att utnyttja hårdvaran effektivt för att nå en så liten kretsyta som möjligt och att använda en rad innovativa lösningar för kontrolldelen av designen. Exempel på innovativa designlösningar som användes är hur koefficienter för pulserna, som används för reducera toppar i signalen, hanteras och användning av tidsmultiplex för att ytterligare minska kretsytan. I användningsscenarion där båda lösningarna kan konkurrera, visar den föreslagna lösningen bättre resultat när det kommer till kretsyta och latens än nuvarande lösningar som används av Ericsson. Ges också förslag på ytterligare framtida förbättringar av implementationen.

Dans le cadre des applications sans fil à 60GHz, l’amplificateur de puissance reste un des composants les plus compliqués à implémenter en technologie CMOS. Des modulations à enveloppe non constante obligent à concevoir des circuits hautement linéaires, conduisant à une consommation statique importante. La recherche de topologies et de techniques de linéarisation viables aux fréquences millimétriques fait l’objet de cette thèse. Dans un premier temps, un état de l’art des différents amplificateurs de puissance à 60GHz est dressé, afin d’en extraire l’ensemble des verrous technologiques limitant leurs performances. Suite à l’analyse des phénomènes physiques impactant les composants passifs, plusieurs structures d’amplificateurs élémentaires sont conçues dans les technologies 65nm et 28nm Bulk. Les topologies les plus pertinentes sont déduites de cette étude. Enfin, deux amplificateurs intégrant des techniques de combinaison de puissance et de linéarisation sont implémentés dans les technologies 65nm et 28nm FD-SOI. Ces deux circuits présentent les plus hauts facteurs de mérite ITRS publiés à ce jour. Le circuit en 28nm FD-SOI atteint en outre le meilleur compromis linéarité/consommation de l’état de l’art. / The CMOS 60GHz power amplifier (PA) remains one of the most design-challenging components. Indeed, a high linearity associated with a large back-off range are required due to complex modulated signals.In this context, this work focuses on the design of architectures and linearization techniques which are usable at millimeter-wave frequencies. First, a CMOS PA state of the art is presented to define all bottlenecks. Then, the physical phenomena impacting on passive device performances are described. Elementary PAs are implemented in CMOS 65nm and 28nm Bulk and the most suitable topologies are selected. Finally, two highly linear circuits are designed in 65nm Bulk and 28nm FD-SOI. They achieve the highest ITRS figures of merit reported to this day. In addition, the 28nm FD-SOI PA exhibits the best linearity/consumption tradeoff.