Comparative study of digital predistortion algorithms for baseband outphasing amplifiers

High-efficiency RF power amplifiers are a key enabling technology for modern wireless communication systems, where increasingly complex modulation schemes impose stringent requirements in terms of linearity, spectral containment, and power efficiency. Among the available transmitter architectures, outphasing amplification represents a promising solution to overcome the trade-off between efficiency and linearity by exploiting nonlinear, high-efficiency power amplifiers driven by constant-envelope signals. This thesis focuses on the modeling, simulation, and linearization of an outphasing power amplifier for quadrature amplitude modulated (QAM) signals. A comprehensive theoreti- cal analysis of the outphasing principle is first presented, highlighting the impact of ampli- tude and phase mismatches between the two amplifier branches on the recombined signal. Closed-form expressions are derived to quantify the resulting AM/AM and AM/PM dis- tortions, providing insight into their dependence on the instantaneous outphasing angle and signal envelope. A behavioral Simulink model of the outphasing transmitter is then developed, starting from an almost-ideal gray-box representation and progressively introducing realistic im- pairments, including gain and phase mismatches. The performance degradation caused by these imperfections is evaluated through standard linearity metrics such as error vector magnitude (EVM) and adjacent channel interference (ACI). To mitigate the effects of branch mismatches, two distinct digital correction techniques are investigated and compared. The first approach utilizes a hybrid strategy combining power-based estimation for gain mismatch and an adaptive gradient-descent algorithm for phase alignment. The second method employs a fully adaptive architecture acting on complex coefficients to simultaneously correct both impairments. The comparative anal- ysis reveals that, while the fully adaptive method is effective for soft-saturating amplifier models, it limits the correction of gain errors when applied to strictly switching-mode power amplifiers due to their hard-limiting nature. The proposed solutions demonstrate a significant improvement in linearity, restoring the performance of the outphasing trans- mitter close to the ideal case, while preserving its inherent efficiency advantages. The results presented in this work confirm that, when combined with suitable digital predistortion schemes, outphasing amplification can represent an effective and viable ar- chitecture for future high-efficiency and high-linearity wireless transmitters.

Gli amplificatori di potenza a radiofrequenza ad alta efficienza rappresentano un ele- mento fondamentale nei moderni sistemi di comunicazione wireless, nei quali l’adozione di formati di modulazione sempre più complessi impone requisiti stringenti in termini di linearità, contenimento spettrale ed efficienza energetica. Tra le architetture di trasmis- sione disponibili, il metodo outphasing costituisce una soluzione promettente per superare il compromesso tra efficienza e linearità, sfruttando amplificatori non lineari ad alta effi- cienza pilotati da segnali a inviluppo costante. Questa tesi è dedicata alla modellazione, simulazione e linearizzazione di un amplificatore outphasing per segnali modulati in ampiezza e fase (QAM). In una prima fase viene presentata un’analisi teorica approfondita del principio di funzionamento dell’outphasing, con particolare attenzione all’effetto dei mismatch di ampiezza e di fase tra i due rami di amplificazione sul segnale ricombinato. Vengono derivate espressioni analitiche per quantificare le distorsioni AM/AM e AM/PM introdotte da tali imperfezioni hardware, in funzione dell’angolo di outphasing e dell’inviluppo del segnale. Successivamente viene sviluppato un modello comportamentale in ambiente Simulink dell’intero trasmettitore outphasing, partendo da una rappresentazione quasi ideale e introducendo progressivamente effetti non ideali realistici, quali mismatch di guadagno e di fase. Il degrado prestazionale risultante viene valutato mediante metriche di linearità standard, tra cui l’error vector magnitude (EVM) e l’adjacent channel interference (ACI). Al fine di compensare le distorsioni introdotte dai mismatch tra i rami, vengono studi- ate e confrontate due diverse tecniche di predistorsione digitale. Il primo approccio si basa su una strategia ibrida che combina una stima della potenza per il mismatch di guadagno e un algoritmo adattivo a discesa del gradiente per l’allineamento di fase. Il secondo metodo impiega un’architettura completamente adattiva per correggere simul- taneamente entrambe le imperfezioni. L’analisi comparativa evidenzia che, sebbene il metodo totalmente adattivo risulti efficace con modelli di amplificatori polinomiali, esso presenta limitazioni nella correzione degli errori di guadagno quando applicato ad am- plificatori a commutazione ideale, a causa della loro natura saturata. I risultati ottenuti mostrano un significativo miglioramento della linearità del sistema, consentendo di recu- perare prestazioni prossime al caso ideale senza compromettere i vantaggi di efficienza tipici dell’architettura outphasing. I risultati di questo lavoro confermano che l’amplificazione outphasing, se opportunamente combinata con tecniche di predistorsione digitale, rappresenta una soluzione efficace e concreta per trasmettitori wireless ad alta efficienza e alta linearità.