The World today is deeply transformed by the advancement in wireless technology. The envision of a smart society where interactions between physical and virtual dimensions of life are intertwined and where human interaction is mediated by machines, e.g., smart phones, demands increasingly more data traffic. This continual increase in data traffic requires re-designing of the wireless technologies for increased system capacity and flexibility. In this thesis, aspects related to behavioral modeling, characterization, and linearization of multi-channel/band power amplifiers (PAs) are discussed.

When building a model of any system, it is advantageous to take into account the knowledge of the physics of the system and include into the model. This approach could help to improve the model performance. In this context, three novel behavioral models and DPD schemes for nonlinear MIMO transmitters are proposed.

To model and compensate distortions in GaN based RF PAs in presence of long-term memory effects, novel models for SISO and concurrent dual-band PAs are proposed. These models are based on a fixed pole expansion technique and have infinite impulse response. They show substantial performance improvement. A behavioral model based on the physical knowledge of the concurrent dual-band PA is derived, and its performance is investigated both for behavioral modeling and compensation of nonlinear distortions.

Two-tone characterization is a fingerprint method for the characterization of memory effects in dynamic nonlinear systems. In this context, two novel techniques are proposed. The first technique is a dual two-tone characterization technique to characterize the memory effects of self- and cross-modulation products in concurrent dual-band transmitter. The second technique is for the characterization and analysis of self- and cross-Volterra kernels of nonlinear 3x3 MIMO systems using three-tone signals.

Världen av idag har omvandlats starkt av framsteg inom trådlos teknik. Framtidens smarta samhalle där samspelet mellan fysiska och virtuella dimensioner i livet är sammanflätade och där mansklig växelverkan mer ofta än inte sker med eller formedlas av maskiner - exempelvis smarta telefoner - kräver allt mer datatrafik. Denna ständigt ökande datatrafik kraver i sin tur utformning av trådlös teknik som kan rymma flera kanaler och flera frekvensband för att öka systements kapactitet och flexibilitet. I denna avhandling diskuteras aspekter relaterade till beteendemodellering, karakterisering, och kompensering av ickelinjär distortion i radiofrekvens (RF) effektforstarkare (PA) för multipla-insignaler-multipla-utsignaler (MIMO) och samtidiga signaler i dubbla frekvensband.

När man gör en modell av ett system är det fordelaktigt att ta hänsyn till kunskap om det fysikaliska systemet och använda denna information i modellen. Denna strategi skulle kunna bidra till att forbattra modellens prestanda och minska antalet modellparametrar. I detta sammanhang föreslås tre nya beteende- och DPD-modeller för ickelinjära MIMO sändare. Olika typer av överhörning i MIMO-sändare undersöks för att härleda enkla och kraftfulla modeller. Effekter av koherent och partiellt koherent signalgenerering på DPD-prestanda utvärderas också. För att modellera och kompensera ickelinjär distortion i galliumnitridbaserade (GaN) RF PA med langtidsminneseffekter föreslås två nya modeller for RF PA med en in- och en utsignal (SISO) tre nya modeller för RF PA för samtidiga signaler i olika frekvensband. Dessa modeller är baserade på teknik med expansion runt fasta polvärden och har oändligt minnesdjup. Modellerna visar betydande resultatförbättring i jämforelse med dem med ändliga impulssvar. En beteendemodell baserad på en fysikalisk modell av förstärkaren föreslås för en PA för samtidiga signaler i olika frekvensband. Dess prestanda undersöks som beteendemodell och för utjämning av ickelinjär distortion.

Tvåtonskarakterisering är som ett fingeravtryck vid karakterisering av minneseffekter i dynamiska ickelinjära system. I detta sammanhang föreslås två nya tekniker för karakterisering av sändare för samtidiga signaler med olika frekvens och och MIMO-sändare. Den första tekniken är en dubbel tvåtonskarakterisering för de individuella minneseffekterna i egen- och korsmoduleringsprodukter i sändare med samtidiga signaler i olika frekvensband. Den andra tekniken är för karakterisering och analys av egen- och korsvolterrakärnor hos ett ickelinjärt 3×3 MIMO-system med hjalp av tre-tonssignaler. I den föreslagna tekniken analyseras egen- och korskänor längs linjer i en frekvensrymd för att fastställa blockstrukturer hos det underliggande systemet. Den kunskap som erhållits med hjälp av denna karakeriseringsteknik har kunnat användas för att modifiera tidigare publicerade beteendemodeller.

Wireless systems have become an inevitable part of modern technologies serving humankind. The rapid growth towards large dimensional systems, e.g. 5th generation (5G) technologies, incurs needs for improving the performance of the systems and considering aspects to make them as far as possible environmentally friendly in terms of power efficiency, cost, and so on. One of the key parts of every wireless communication system is the radio frequency (RF) power amplifier (PA), which consumes the largest percentage of the total energy. Hence, accurate models of RF PAs can be used to optimize their design and to compensate for signal distortions. This thesis starts with two methods for frequency-domain characterisation to analyse the dynamic behaviour of PAs in 3rd-order non-linear systems. Firstly, two-tone signals superimposed on large-signals are used to analyse the frequency-domain symmetry properties of inter-modulation (IM) distortions and Volterra kernels in different dynamic regions of RF PAs in a single-input single-output (SISO) system. Secondly, three-tone signals are used to characterise the 3rd-order self- and cross-Volterra kernels of RF PAs in a 3 × 3 multiple-input multiple-output (MIMO) system. The main block structures of the models are determined by analysing the frequency-domain symmetry properties of the Volterra kernels in different three-dimensional (3D) frequency spaces. This approach significantly simplifies the structure of the 3rd-order non-linear MIMO model.

The following parts of the thesis investigate techniques for behavioural modelling and linearising RF PAs. A piece-wise modelling technique is proposed to characterise the dynamic behaviour and to mitigate the impairments of non-linear RF PAs at different operating points (regions). A set of thresholds decompose the input signal into several sub-signals that drive the RF PAs at different operating points. At each operating point, the PAs are modelled by one sub-model, and hence, the complete model consists of several sub-models. The proposed technique reduces the model errors compared to conventional piece-wise modelling techniques.

A block structure modelling technique is proposed for RF PAs in a MIMO system based on the results of the three-tone characterisation technique. The main structures of the 3rd- and higher-order systems are formulated based on the frequency dependence of each block. Hence, the model can describe more relevant interconnections between the inputs and outputs than conventional polynomial-type models.

This thesis studies the behavioural modelling and compensation techniques in both the time and the frequency domains for RF PAs in a 3 × 3MIMO system. The 3D time-domain technique is an extension of conventional 2D generalised memory polynomial (GMP) techniques. To reduce the computational complexity, a frequency-domain technique is proposed that is efficient and feasible for systems with long memory effects. In this technique, the parameters of the model are estimated within narrow sub-bands. Each sub-band requires only a few parameters, and hence the size of the model for each sub-band is reduced.