KR100806427B1 - 무선 주파수 신호를 발생시키는 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 사전왜곡에 의하여 무선 주파수(RF) 전력 증폭기(5)를 선형화하는 것에 관한 것이다. 증폭기 왜곡을 보상하기 위하여 수신된 디지털화된 기저-대역 입력 신호에 대해 디지털 사전왜곡이 수행된다. 결과적인 신호는 두 개의 D/A 변환기(2)를 통하여 아날로그 신호로 변환되고, 그 후에, 무선 주파수(RF) 신호를 얻기 위하여 상기 아날로그 신호에 대해 아날로그 주파수 변환이 수행된다(3). 이 무선 주파수 신호는 아날로그 사전왜곡기(4)로 노출되고 나서, 전력 증폭기에 의해 증폭된다.

무선 주파수, 전력 증폭기, 주파수 변환, D/A 변환기, 기저 대역 입력 신호

Description

무선 주파수 신호를 발생시키는 방법 및 장치 {METHOD AND APPARATUS FOR GENERATING RADIO FREQUENCY SIGNAL}

본 발명은 무선 주파수(RF) 신호를 발생시키는 방법 및 장치에 관한 것이며, 특히 무선 주파수 신호를 선형 증폭하는 것에 관한 것이다.

무선 기지국에서, 기지국에 의해 커버된 셀의 외부 경계에 도달하는데 충분한 전력을 각각의 무선 채널에 제공하기 위하여 전송기 섹션 내에 고전력 증폭기가 필요로 된다.

여러 반송파로 변조된 몇 가지 정보 신호를 동시에 증폭하기 위하여 동일한 증폭기를 사용할 때, 또는 QAM(직교 진폭 변조)와 같은 선형 변조를 사용할 때, 높은 증폭기 선형성이 필요로 된다. 이것은 이 경우에, 증폭에 관련된 신호 성분의 모든 위상 및 진폭 위치를 유지하는 것이 필수적이기 때문이다. 그렇지 않은 경우, 신호 성분들 간의 상호변조가 발생되며 증폭된 신호의 스펙트럼이 넓어질 것이다. 상호변조 왜곡은 다른 채널 상의 신호에 간섭할 것이다. 높은 선형성이 필요로 되는 시스템의 예는 CDMA와 같이 몇 개의 결합된 협대역 신호 또는 광대역 신호가 증폭될 필요가 있는 시스템이다.

RF 전력 증폭기는 본래 비-선형 장치인데, 그 이유는 이들이 증폭된 출력 신호가 입력 신호와 다르고 별개인 의사 신호로서 나타나는 바람직하지 않은 상호변조 결과를 발생시키기 때문이다. RF 증폭기에 의해 초래된 왜곡으로 인해, 증폭기의 증폭된 출력 신호의 위상 및 진폭이 입력 신호의 위상 및 진폭을 각각 벗어나게 된다.

증폭기를 선형화하는 여러 방법이 존재한다. 등급 A의 백-오프(back-off), 피드포워드, 벡터 합, 피드백 및 사전왜곡 선형화(predistortion linearisation)를 포함하는 선형화 방법의 개요 및 참조 목록은 "Linearisation of RF Power Amplifiers" by Markk. A. Briffa, department of Electrical and Electronic Engineering, Victoria University of Technology, December 1996, Australia에 제시되어 있다.

사전왜곡은 전력 증폭기로의 원래 입력 신호를 변경하여 전력 증폭기의 왜곡 특성을 보완하도록 하는 방법이다. 그러므로, 보완적인 사전왜곡 및 증폭기 왜곡의 캐스케이딩된 응답은 선형 응답이 되어야 한다. 통상적으로, 보완적인 왜곡 기능은 전력 및 볼테라 시리즈(power and voltera series)에 의해 모델링된 (그렇지 않은 경우, AM/AM 및 AM/PM으로 공지된) 증폭기의 근사값을 토대로 한다. 그러나, 보완적인 사전왜곡 기능은 또한 트랜지스터의 열 특성 및/또는 바이어스 및 정합 회로에 기인한 주파수 의존 특성과 같은 보다 높은 차수의 특성을 포함할 수 있다. 무선 또는 중간 주파수에서 아날로그 사전왜곡으로 공지된 사전왜곡이 인가될 수 있고, 기저대역에서 디지털 사전왜곡으로 공지된 사전왜곡이 인가될 수 있다. 부가적으로, 우수한 선형성을 달성하기 위하여, 온도, 소자의 노화에 기인한 변화를 방지하도록 사전왜곡 수단을 적응시키는 것이 필요로 된다.

사전왜곡 메커니즘은 RF 증폭기의 출력에서 에러 왜곡 신호 성분을 추출하여 증폭기의 출력에서 왜곡을 효율적이고 지속적으로 최소화시키기 위해 실시간 동작 동안 RF 증폭기의 추출된 에러 동작에 따라서 사전왜곡 수단을 조절함으로써 적응형으로 될 수 있다. 디지털 사전왜곡 적응형 수단의 양호한 개요는 J. K..Cavers, "Amplifier linearisation by adaptive predistortion", US patent 5,049,832에 제시되어 있다. 국제 특허 출원(WO 99/45638 및 WO 99 45640)은 아날로그 사전왜곡 적응형 방법의 예를 제공한다.

아날로그 사전왜곡으로 양호한 결과를 달성하기 위하여, 보완적인 사전왜곡 기능 및 증폭기 왜곡 기능을 신중하게 정합시키는 것이 필요로 된다. 그러나, 우수한 정합 특성을 갖는 아날로그 요소는 생성하기가 매우 어렵고 비용이 많이 든다. 아날로그 사전왜곡이 통상적으로 제한된 동적 (동작) 범위를 가지므로 단지 제한된 성능만을 개선시킬 수 있다. 그러나, 아날로그 사전왜곡은 큰 대역폭에 걸쳐 동작할 수 있다.

다른 한편, 적응형 디지털 사전왜곡은 이론적으로, 선형성에서 상당한 개선을 달성하기 위해 필요로 되는 우수한 정합 특성을 발생시킬 수 있다. 그러나, 사전왜곡이 기저대역에서 발생되기 때문에, 증폭되기 전에 무선 주파수로 변환되는 것이 필요로 된다. 그러나, 주파수 변환은 아날로그 도메인에서 발생되는데, 이로 인해, 본래 디지털 도메인의 완전한 정합 성능이 파괴된다. 그 결과로, 디지털 사전왜곡이 또한 아날로그에 비교하여 성능 및 대역폭 면에서 제한된다.

아날로그 주파수 변환 공정의 주파수 의존 특성, 즉 진폭 리플 및 위상 리플은 디지털 도메인의 정합 품질을 파괴시키는 기본적인 메커니즘이다. 이러한 양 둘 다는 달성될 수 있는 성능 개선의 양에 직접 연관된다. 진폭 및 위상 리플 양이 증가할 때, 양호하게 정합된 보완적인 기능이 디지털 도메인 내에 어떻게 존재하는지에 관계없이 달성 가능한 선형성 성능 개선이 감소된다.

아날로그 및 디지털 사전왜곡 선형화는 그 두 해결책이 구현을 위한 상이한 구조를 필요로 한다는 사실에 기인한 실제 구현 문제 때문에, 통상적으로 자립형 기술로 구현된다. 이것은 다음의 두 가지 예에서 가장 잘 설명되어 있다. 종종 주파수 변환 회로와 함께 통상적인 대형 기지국 내에 포함된 전력 증폭기(PA)는 랙(rack)의 한 부분에 맞춰지는 모듈이다. 디지털 기저 대역 처리 회로는 물리적으로 랙의 다른 부분에 존재한다. 이러한 두 요소는 물리적으로 분리되며 신호는 동축 케이블을 통하여 통신된다. 기둥(mast)이 장착된 안테나 에플리케이션에서, PA는 기둥의 최상부에 존재하며 기저 대역 처리부는 기둥의 베이스에 존재한다. 두 가지 예에서, 디지털 기저대역 처리부 및 PA 모듈은 물리적으로 분리되는데, 이로 인해 실제 구현 문제가 초래된다.

그러나, 결합된 선형화 해결책의 몇 가지 예가 존재한다. 예를 들어, 디지털 사전왜곡을 피드포워드와 결합하는 것이 WO 98/12800에서 제공된다. 피드포워드 구조는 부가적인 신호 경로 및 두 개의 결합기를 필요로 하는데, 하나는 전력 증폭기(PA)의 신호 출력을 포착하기 위한 것이며 다른 하나는 남아있는 PA 왜곡을 감산하기 위한 것이다. 최종적인 결합기는 삽입 손실을 초래한다. 이로 인해, 두 가지 방법이 결합될 때, 전체 효율이 저하된다. 상기 해결책은 또한 매우 복잡하고, 상당히 많은 요소를 필요로 하며, 구현하기가 어렵다.

RF 사전왜곡을 피드포워드와 결합하는 다른 예는 기술 백서('Multi-Carrier Power Amplifiers join the Digital Revolution' Yuval Shalom, Fall 1999 issue of Site management and Technology Magazine, Intertec Publishing)에 서술되어 있다. 이것은 피드포워드 증폭기의 DC-RF 효율이 세 가지 요인으로 인해 대략 6-8%로 제한된다는 것을 나타낸다.

1) 다중반송파 (광대역) 신호의 큰 피크 대 평균비에 기인한 큰 백오프. 전력 증폭기에 공급된 DC 전력은 P_DCamp로 제공되며, 상기 증폭기로부터의 RF 출력은 P_RF로 제공된다.

2) 전력 증폭기 이후의 지연 라인 및 결합기와 같은 부가적인 하드웨어가 삽입 (전력) 손실을 초래한다. 전력 손실은 손실 이후에 남아 있는 전체 전력의 부분으로 규정될 수 있는데, 통상적으로 0.8, 즉, 전력의 20%(1dB)가 손실되는 것으로 규정된다.

3) 피드포워드 시스템의 다른 부분, 즉 에러 증폭기, 제어 회로에 의해 소비된 DC 전력(P_DCother)

DC-RF 효율 식은 결합된 피드포워드 및 RF 사전왜곡 시스템에 대하여 DC-RF 효율 = 0.8 * P_RF/(P_DCother + P_dcamp)로 근사화될 수 있다.

사전왜곡 시스템만 존재하는 경우에, 피드포워드 시스템에서 손실을 초래하는 부가적인 하드웨어가 필요로 되지 않는다. 피드포워드 시스템의 다른 부분을 고려할 때, 이것은 복잡성을 감소시켜서 DC-RF 효율이 사전왜곡에 대한 DC-RF 효율 식으로 아래:
DC-RF 효율 = P_RF/P_Dcamp > 0.8 * P_RF/(P_DCother + P_dcamp)에 제시된 바와 같이 증가된다.

광대역 에플리케이션은 부분적으로는 여러 문제 때문에, 협대역 해결책의 에플레케이션과는 상이한 구조와 해결책으로 디자인되어야 한다.

사전왜곡은 폐쇄 루프 시스템에 반대되는 바와 같은 의사-폐쇄 루프 전력 증폭 시스템이다. 폐쇄 루프 시스템은 피드백, 즉, 데카르트 피드백(cartesian feedback), 인벨롭 피드백(envelope feedback), 폴라 피드백(polar feedback)을 토대로 한다.

의사-폐쇄 루프 시스템의 장점은 10 MHz 정도의 크기의 협대역 및 광대역 시스템 둘 다가 사용될 수 있다는 것이다. 이와 반대로, 폐쇄 시스템은 자신이 통상적으로 의사-폐쇄 루프 시스템보다 고 레벨의 선형성을 달성할 수 있을지라도, 실제 안정성 때문에 100 KHz 정도의 크기의 협대역 신호로 제한된다.

의사-폐쇄 및 폐쇄 루프 시스템 이외에, 광대역 신호의 투과율 및 선형성의 레벨 둘 다를 높게 할 수 있는 피드포워드 증폭이 사용될 수 있다. 사전왜곡 방법과 비교하여, 이것은 루프를 균형으로 유지하기 위하여 다소 복잡한 이득 및 위상 추적 메커니즘을 필요로 하여 전력 효율이 낮아진다. 피드포워드 구조는 광대역 무선에서 에플리케이션을 선형화하기 위해 현재 가장 광범위하게 사용되는 기술이다. 광대역 무선 에플리케이션에 대하여, 사전왜곡, 즉, 아날로그 및 디지털 방법 둘 다는 이들이 피드포워드보다 선형성 성능이 낮을지라도, 일반적으로 피드포워드 방법을 사용하는 것과 비교하여 전력 효율이 양호한 것을 특징으로 한다.

디지털 사전왜곡은 디지털 신호 처리가 상대적으로 저속이고 정확도가 제한되었기 때문에, 초기에 충분한 성능으로 광대역 신호를 위하여 사용하는 것이 기술적으로 불가능했다. 그러나, 예를 들어, 디지털 회로 제조 방법의 도입에 의한 고속의 디지털 신호 처리의 발전 및 DAC(디지털 대 아날로그 변환기) 기술에서의 진보로 인해 이 문제점이 개선되었다.

그러나, 광대역 시스템에서 디지털 사전왜곡 기술을 사용하는 것은 기저 대역 신호의 무선 신호로의 상향변환과 관련하여 나타나는 문제점을 부각시키는데, 그 이유는 아날로그 주파수 변환 공정의 주파수 의존 특성으로 인해 성능 개선이 제한되기 때문이다.

아날로그 주파수 상향변환 공정은 통상적으로 주파수와 무관한 동일한 전달함수, 즉, Y = fⁿ(X)를 갖는 것으로 가정되는데, 여기서 Y는 출력 신호이며, 입력 신호(X)의 함수이다. 통상적으로, 주파수 변환 회로는 Y가 X에 선형적으로 관련되도록 디자인되며, 이 가정은 협대역 신호에 관련된다. 광대역 신호 에플리케이션에서, 주파수 상향변환 공정은 보다 많이 주파수에 보다 많이 의존하게 된다: Y = fⁿ(X, frequency)

이 주파수 의존성으로 인해 완전 디지털 사전왜곡 정합 특성이 파괴되므로 선형화의 양이 제한된다. 광 대역폭에 걸쳐 진폭 및 위상 리플이 매우 낮게 디자인하는 것은 주파수에 대한 의존성이 감소될 수 있지만, 비용이 많이 들고, 비실용적이다. 즉, 진폭 및 위상 리플이 충분히 낮으면은 디지털 사전왜곡이 바람직한 레벨의 선형성을 달성할 수 있다. 주파수 상향변환기의 주파수 의존성을 상쇄시키기 위하여 디지털 주파수 등화기가 사용될 수 있다. 그러나, 선형화의 양을 제한하는 어떤 잔여 주파수 의존성이 항상 존재할 것이며, 이로 인해, 상기 해결책의 복잡성이 또한 증가될 것이다.

본 발명의 목적은 광대역 및 협대역 에플레케이션 둘 다에서 디지털 사전왜곡을 사용함으로써 개선된 선형화 방법을 제공하는 것이며, 이 방법은 디지털 사전왜곡과 관련된 주파수 변환 문제를 극복할 것이다.

사전왜곡에 의해 무선 주파수(RF) 전력 증폭기를 선형화하는 본 발명의 방법은 상기 RF 전력 증폭기에 의해 증폭될 디지털화된 기저-대역 입력 신호를 수신하는 단계, 증폭기 왜곡을 보상하기 위하여 상기 신호의 디지털 사전왜곡을 수행하는 단계, 상기 신호를 두 개의 D/A 변환기를 통하여 아날로그 신호로 변환하는 단계, 무선 주파수(RF) 신호를 얻기 위하여 아날로그 주파수 변환을 수행하는 단계, 상기 RF 신호의 아날로그 사전왜곡을 수행하는 단계, 및 상기 RF 전력 증폭기에 의해 아날로그 사전왜곡 신호를 증폭하는 단계를 포함한다.

본 발명의 전력 증폭기는 본 발명의 상기 단계를 수행하는 수단을 특징으로 한다. 대안적으로, 디지털로 사전왜곡된 신호는 본 발명의 전력 증폭기 및 방법에서 낮은 디지털 중간 주파수로 변환될 수 있고, 그 후에, 상기 신호는 단지 하나의 D/A 변환기만을 사용하여 아날로그 신호로 변환될 수 있다. 이러한 해결책 둘 다가 또한 본 발명의 이와 같은 다른 구조에서 사용될 수 있는데, 여기서 수신된 기저-대역 입력 신호는 90°위상차의 두 신호로 분리될 수 있고, 그 후에, 본 발명의 상기 방법의 나머지 단계가 상기 신호 각각에 대하여 수행된다.

본 발명의 모든 실시예에서, 사전왜곡은 적응형으로 되어 성능을 더 개선하도록 하며/하거나 온도, 소자 노화 등에 기인한 변화를 피하도록 한다.

더구나, 본 발명은 후술될 여러 구조와 관련하여 사용될 수 있다.

본 발명은 종래의 사전왜곡 해결책과 비교하여 몇 가지 장점을 갖는다. 디지털 및 아날로그 사전왜곡 사이에서 성능 요건을 분할하여 디지털 사전왜곡 공정에 기인한 상향변환 문제를 해결함으로써, 디지털 선형왜곡만과 비교하여 선형성이 개선된다. 본 발명의 해결책은 또한 특히, 광대역 시스템에 대하여 피드포워드 선형화 기술에 비교하여 보다 높은 효율을 제공한다.

본 발명은 또한 주파수 변환 부분에 대한 요건이 감소된다는 장점을 갖는데, 그 이유는 선형화 성능이 주로 아날로그 사전왜곡 수단에 의해 처리되기 때문이다. 이로 인해, 주파수 변환 해결책이 보다 저가가 된다.

상술된 종래 기술 해결책에서 디지털 기저-대역 처리부 및 PA 모듈을 물리적으로 분리하는 것은 상기 문제중 하나를 극복하여 아날로그 및 디지털 사전왜곡의 결합이 가능해지도록 한다.

본 발명의 장점중 하나는 전체 성능 개선이 디지털 사전왜곡 및 아날로그 사전왜곡 사이에서 이를 분할함으로써 강화될 수 있다는 사실에 있다. 예를 들어, -30dBc 및 30dB 개선을 제공하는 기본적인 증폭기가 필요로 되는 경우, -60dBc의 전체 선형화 성능이 필요로 된다. 그리고 나서, 디지털 사전왜곡은 20dB의 개선을 달성할 수 있고 아날로그 사전왜곡의 10dB의 개선을 달성할 수 있다. 이로 인해, 전체 선형화 해결책이 가능해지며, 이것은 디지털 또는 아날로그 사전왜곡만으로는 달성하기가 실제로 매우 어렵거나 불가능하다. 디지털 사전왜곡만으로 달성하기 위해서는 주파수 상향변환기에 대한 엄격한 디자인 요건이 필요로되여 디자인 요건이 불가능해지며 해결책이 매우 고가가 된다. 아날로그 사전왜곡만으로 달성하기 위해서는 보완적인 사전왜곡 함수 및 증폭기 왜곡 함수를 우수하게 정합시키는 것이 필요로되며, 우수한 정합 특성을 갖는 아날로그 부분은 생성하기가 매우 어렵고 비용이 많이 든다.

본 발명의 다른 장점은 본 발명이 아날로그 및 디지털 사전왜곡의 고유의 강점을 결합시킨다는 것이다. 즉, 아날로그 사전왜곡은 큰 주파수 범위에 걸쳐 제한된 정정 능력을 갖는 반면, 디지털 사전왜곡은 보다 좁은 주파수 범위에 걸쳐 우수한 정정 능력을 갖는다. 그러므로, 그 결합은 디지털 또는 아날로그 이 둘 중 하나만의 사전왜곡 기술과 비교할 때 전체 주파수 범위에 걸쳐 개선된 정정 능력을 발생시킨다.

본 발명은 첨부 도면을 참조하여 이하에 보다 상세히 서술될 것이다.

도 1은 본 발명의 원리를 도시한 개략적인 블록도.

도 2는 종래 기술에 따른 도허티 증폭기 구조를 도시한 도면.

도 3은 도허티 구조 내에 구현된 바와 같은 본 발명의 실시예를 도시한 도시한 도면.

도 4는 본 발명의 디지털 사전왜곡 부분의 예를 상세하게 도시한 도면.

도 5는 본 발명의 아날로그 사전왜곡의 예를 보다 상세하게 도시한 도면.

도 6은 종래 기술의 디지털 사전왜곡 방법의 시뮬레이션 결과를 도시한 도면.

도 7은 본 발명의 방법의 시뮬레이션 결과를 도시한 도면.

도 1을 참조하면, 디지털화된 복소 기저대역 입력 신호(S_in)가 우선 블록(1)으로 표시된 바와 같이, 사전왜곡되어 복소 기저대역 디지털 사전왜곡된 출력 신호 (S_out)를 생성하도록 한다. 특히, 이것은 이하에 더 논의되고 블록(4 및 5)으로 표시된 아날로그 사전왜곡기 및 전력 증폭기의 결합에 대하여 보완적이도록 하는 방식으로 행해진다. 아날로그 사전왜곡기 및 전력 증폭기의 이러한 결합은 선형 전력 증폭기로 간주될 수 있다.

그리고 나서, 복소 기저대역 디지털 사전왜곡된 신호(S_out)는 두 개의 디지털 대 아날로그 변환기(DAC)에 의해 아날로그 신호로 변환된다. 대안적으로, 도 1에 도시되지는 않았을지라도, 기저대역 디지털 사전왜곡된 신호(S_out)는 단일 DAC를 통하여 아날로그 신호로 변환되기 이전에, 우선 디지털로 주파수 변환될 수 있다.

그리고 나서, DAC로부터의 출력은 블록(3)으로 표시된 주파수 변환 회로에 의해 무선 주파수 신호(RF_in)로 주파수 변환된다. 주파수 변환 회로(3)는 당업자들이 명백하게 인지하는 방식으로 배열된 혼합기, 필터, 증폭기 등으로 이루어질 수 있다. 주파수 변환 공정은 디지털 사전왜곡만으로 달성될 수 있는 선형화 능력을 부분적으로 파괴하는 주파수 의존 진폭 및 위상 리플을 초래한다. 주파수 변환된 디지털로 사전왜곡된 신호를 포함하는 신호(RF_in)는 전력 증폭기(5)에 대하여 보완적인 방식으로, 블록(4)으로 표시된 바와 같은 아날로그 사전왜곡으로 노출된다. 그리고 나서, RF 사전왜곡된 신호(RF_out)는 안테나(6)에 의해 전송되기 전에, 전력 증폭기(5)를 통과한다.

디지털 및 아날로그 사전왜곡기(1 및 4) 각각은 선택적으로 적응형으로 되어 선형 성능을 더 개선하도록 하고/하거나 온도 및 노화 등에 기인한 변화를 피하도록 한다. 종래 기술에 널리 공지된 방법으로 수행될 수 있는 적응 동작은 도 1의 블록(1 및 4)의 각 블록에서 화살표로 종료된 점선으로 표시된다.

도 2는 소위 도허티 증폭기를 개략적으로 도시한 것이다. 도허티 증폭기의 구조는 예를 들어, "RF Power Amplifiers for Wireless Communications" by Steve C. Cripps (ISBN 0-89006-989-1, Artech House, 685 Canton Street, Norwood MA 02062)에 서술되어 있다. 이 증폭기의 기본적인 개념에 따라서, 두 개의 증폭기 장치(5, 5')가 병렬로 사용되며 최종적인 최대 RF 출력 전력은 장치 둘 다의 결합된 전력에 의하여 생성된다. 도허티 증폭기는 하나의 증폭기 장치 기술과 비교하여 효율이 강화된 기술이지만, 선형화가 개선되지는 않는다. 요컨데, 블록(7)으로 표시된 바와 같이, 입력 기저 대역 신호(S_in)는 90°위상차를 갖는 두 개의 신호로 직교 분할된다. 두 개의 신호는 증폭기 장치(5, 5')에 의해 증폭되고, 블록(15)으로 표시된 바와 같이 결합되고 나서, 안테나(6)에 의해 전송된다.

도 3을 참조하면, 도허티 증폭기의 성능은 도 1과 관련하여 서술된 바와 같이, 본 발명의 해결책을 그 내에 도입함으로써 선형화에 대하여 개선될 수 있다. 블록(7)으로 표시된 바와 같이, 입력 기저 대역 신호(S_in)가 우선 입력 신호와 동일한 제 1 신호(S_in) 및 90도 위상 시프트된 제 2 신호(S_in90°)로 분할된다. 90도 위상 시프트는 소위 힐버트 변환에 의해, 또는 당업자들이 명백하게 인지하는 다른 방법에 따라서 수행될 수 있다.

두 개의 신호(S_in 및 S_in90°)는 도 1에서와 같이, 동일한 형태의 기능 블록을 포함하는 각각의 경로에서 처리될 수 있으며, 상기 경로는 블록(7)으로부터 블록 (15)으로 표시된 결합기로 병렬로 확장된다. 상부 경로 블록은 도 1에서와 같이, 1, 2, 3, 4 및 5로 넘버링되는 반면, 하부 경로는 1', 2', 3', 4' 및 5'로 넘버링된다. 원래 신호를 수신하는 상부 경로는 주 전력 증폭기(5)를 포함하는 반면, 90도 위상 시프트된 신호를 수신하는 하부 경로는 피크 또는 보조 증폭기(5')를 포함한다.

증폭기(5 및 5')로부터의 출력 신호는 상부 경로의 신호가 90도만큼 위상 시프트된 이후에, 결합기(15)에서 결합된다. 통상적으로, 상기 결합은 주 전력 증폭 기(5) 출력 이후의 1/4 파 지연으로 수행될 수 있다. 그리고 나서, 결합기(15)로부터 결합된 출력 신호는 안테나(6)에 의하여 전송된다.

상술된 바와 같이, 도허티 구조에 본 발명을 적용하면은 사용된 전력 증폭기의 선형성이 개선되며 이것이 협대역 및 광대역 무선 통신 시스템 둘 다에서 사용하는데 보다 적절하게 된다.

도 4 및 5는 이들 도면에서 증폭기가 메모리 기능이 없는 것으로 가정한 경우, 본 발명과 관련하여 사용될 수 있는 디지털 및 아날로그 사전왜곡 방법의 어떤 간단한 예를 도시한 것이다. 참조되는 것은 증폭기의 AM/AM(진폭 변조/진폭 변조), AM/PM(진폭 변조/위상) 변조 모델을 사용하는 것이다.

전력 증폭기가 전력 트랜지스터의 열 특성 및/또는 바이어스 및 정합 회로에 기인한 주파수 의존 특성에 의해 초래되는 것과 같이 메모리 효과에 노출되는 경우, 디지털 및 아날로그 사전왜곡이 또한 이러한 효과를 보상하기 위하여 메모리를 또한 필요로 할 것이라는 것을 당업자들은 명백하게 알 수 있다. 본 발명에 따른 아날로그 및 사전왜곡 방법의 결합과 관련하여 사용될 수 있는 디지털 및 아날로그 사전왜곡기의 예는 이하에 설명될 것이다.

도 4는 도 1의 블록(1)과 관련된 종류의 디지털 사전왜곡을 구현하는 방법의 예를 도시한 것이다. 이 경우에, 디지털 사전왜곡기는 메모리 기능이 없고 비-선형성인 전력 증폭기 및 아날로그 사전왜곡기의 결합을 보상하는 것으로 가정되며 데카르트 복소 이득 사전왜곡에 근거한다. 다른 메모리 기능이 없는 사전왜곡기의 예는 극의 복소 이득(polar complex gain) 또는 충분한 데카르트 맵핑(full cartesian mapping)을 포함할 수 있고, 이것의 원리는 미국 특허 5,049,832에 서술되어 있다.

도 4에서, 도 1의 복소 기저대역 입력 디지털 신호(S_in)는 어드레스 발생기 (8)에 의해 수신된다. 어드레스 발생기(8)는 상기 신호의 진폭 함수에 근거하여 어드레스를 발생시키며, 이것은 전력 증폭기의 메모리 비-선형성 가정과 일치한다. 어드레스는 통상적으로 S_in의 전력 또는 진폭이며 질문시 디지털 샘플용 정정(사전왜곡) 테이블(9)로부터 보완적인 복소 이득(S_corr)을 선택하기 위하여 사용된다. 정정 테이블(9)은 디지털 사전왜곡기(1), 아날로그 사전왜곡기(4) 및 전력 증폭기(5)의 보완적인 이득의 결합으로 인해 모든 입력 신호 크기에 대하여 이득 및 위상이 선형으로 되도록 하기 위하여 아날로그 사전왜곡기(4) 및 전력 증폭기(5)의 결합의 전체의 보완적인 복소 이득을 포함한다. 그리고 나서, 보완적인 복소 이득 샘플(S_corr) 및 원래 입력 신호 샘플(S_in)이 복소 승산기(10)에 의해 처리된다. 복소 승산기(10)의 출력(S_out)은 아날로그 사전왜곡기 및 전력 증폭기의 결합을 선형화하도록 디자인된다. 도 4에서 사용된 신호는 복소수이며, 이것은 신호 경로에서 번호 (2)로 표시되어 있다.

도 5는 도 1의 참조 번호(4)와 관련된 종류의 3차 아날로그 RF 사전왜곡을 수행하는 예를 도시한 것이다. RF로 변환된 디지털로 사전왜곡된 신호는 아날로그 사전왜곡기(4)로의 입력(RF_in)을 형성한다. 블록(11)으로 표시된 바와 같이 RF_in 신호가 지연되어 RF 신호 및 정정 신호가 승산기(13, 13')에 부합하도록 한다. 그리고 나서, 지연된 Rf_in 신호가 블록(12)으로 표시된 바와 같이, 직교 위상을 갖는 두 개의 신호로 분할된다. 즉, 두 개의 신호 사이에 90도의 위상 시프트가 존재한다.

그리고 나서, 직교 위상 신호 둘 다는 승산기(13 및 13') 각각에 의해 정정(사전왜곡) 신호(I_corr 및 Q_corr) 각각과 혼합된다. 이러한 신호(I_corr 및 Q_corr)는 증폭기의 아날로그 보완적인 복소 이득을 나타낸다. 그리고 나서, 결과적인 혼합 신호는 하이브리드 결합기(14)에서 위상 결합된다. 아날로그 사전왜곡기의 출력 (RF_out)은 전력 증폭기를 선형화하도록 디자인된다,

정정 신호(I_corr 및 Q_corr)는 자승화 기능 블록(18)로 표시된 바와 같이, 입력 신호(RF_in)를 우선 자승화하고 나서, 필터링 기능 블록(19)로 표시된 바와 같이, 상기 자승화 기능(18)에 의해 발생된 바람직하지 않은 고조파를 필터링하고, 최종적으로, 두 개의 블록(16)으로 표시된 바와 같이, 기능(19)으로부터 필터링된 신호를 두 개의 3차 계수(17, 17')와 승산함으로써 발생된다. 두 개의 3차 계수는 증폭기의 보완적인 복소 이득을 근사화한다. 증폭기의 보완적인 이득을 보다 양호하게 정합시키기 위하여 보다 높은 차수의 계수가 사용될 수 있다는 것과 아날로그 RF 사전왜곡기의 많은 다른 예가 존재한다는 것을 당업자들은 명백하게 인지할 것이며, 이 예들 중 일부는 Mark Briffa, "Linearisation of RF Power Amplifiers", PhD thesis, 1996, department of Electrical and Electronic Engineering, Victoria University of Technology, December 1996, Australia 및 국제 특허 출원(WO 99/45640 및 WO 99/45638)에 서술되어 있다.

시뮬레이션 결과

본 발명에 따른 방식으로 디지털 및 아날로그 사전왜곡 사이의 성능 요건을 분할하여 디지털 사전왜곡 공정에 기인한 주파수 변환 문제를 해결함으로써, 디지털 사전왜곡만과 비교하여, 선형성이 개선된다. 본 발명의 해결책은 또한 디지털 또는 아날로그만의 사전왜곡 기술과 비교하여, 모든 주파수 범위에 걸쳐 개선된 정정 능력을 제공한다.

이것은 대역폭이 4.096MHz인 WCDMA 신호를 사용하는 다음의 시뮬레이션 결과를 통하여 제시될 수 있다. 소정 전력 증폭기에 의한 디지털 사전왜곡 선형화만이 우선 도 6에 대하여 가정된다.

증폭기의 인접 채널 성능, 즉 선형성 성능은 하부 또는 상부 측 이 둘 중 하나에서 신호의 전력 대 인접 신호의 전력의 비로서 규정된다. 전력은 4.096MHz의 대역폭에 걸쳐 에너지를 통합함으로써 계산된다. 상기 신호에 대하여, 이것은 두 개의 수직 실선 사이의 영역으로 나타내며, 인접한 신호에 대하여, 이것은 수직 점선들 사이의 영역으로 나타낸다.

(도 6에서 점선으로 도시된) 소정 증폭기만의 인접 채널 성능은 하부 및 상부 인접 채널 각각에 대하여 35.8dBc 및 34.4dBc이다. 주파수 변환기에서 피드 대 피크 진폭 리플이 0.6dB인 완전 디지털 사전왜곡(소정 전력 증폭기의 이상적인 보완 기능)을 적용하면 인접 채널 성능(도 6에서 실선으로 도시됨)이 상부 및 하부 인접 채널 각각에 대하여 59.2dBc 및 58.8dBc로 된다. 소정의 전력 증폭기 성능은 디지털 사전왜곡기에 의해 23.4 및 24.4dB만큼 개선되지만, 주파수 변환기에서 진폭 리플에 의해 제한된다.

다음 세트의 결과에서, 소정 증폭기는 우선 RF 아날로그 사전왜곡기에 의해 사전왜곡된다. 도 7과 관련하여, 인접 채널 성능(도 7에 점선으로 도시됨)은 하부 및 상부 인접 채널에 대하여 각각 41.1 dBc 및 40.6 dBc이다. 아날로그 사전왜곡기는 소정의 전력 증폭기를 5.3 dB 및 5.2 dB만큼 개선시켰다. 아날로그 사전왜곡기가 또한 이 예에서 증폭기의 보다 높은 차수의 왜곡(보다 넓은 주파수 범위)을 개선시켰다는 것을 주의하라.

디지털 사전왜곡이 이제 아날로그 사전왜곡기 및 소정의 전력 증폭기에 인가된다. 주파수 변환기에서 0.6dB의 피크 대 피크 진폭 리플을 갖는 완전한 디지털 사전왜곡(아날로그 사전왜곡기 및 소정의 전력 증폭기의 이상적인 보완 기능)으로 인해, 인접 채널 성능(도 7에 실선으로 도시됨)이 하부 및 상부 인접 채널에 대하여 각각 63.1 dBc 및 62.8 dBc이 된다. 명백하게, 아날로그 사전왜곡기 및 소정의 전력 증폭기의 성능은 디지털 사전왜곡의 부가로 인해 22 및 22.2만큼 더 개선되었다.

두 실시예에서 디지털 사전왜곡의 전체 성능 개선이 23-24 및 22dB라는 것을 주의하라. 이러한 값의 소정 측정 허용오차는 매우 유사한 것으로 간주될 수 있다. 그러므로, 디지털 사전왜곡은 아날로그 부분의 초기 선형 성능에 관계없이, 주파수 상향변환기의 리플에 의해 성능면에서 제한된다. 부가적으로, 아날로그 및 디지털 사전왜곡 기술의 결합에 의해 발생된 전체 성능 개선은 디지털 및 아날로그 사전왜곡 둘 다가 활성인 영역에서 개별적인 개선의 합으로 제공된다. 이 영역은 도 6 및 7에 도시되어 있다. 단지 아날로그 사전왜곡만 활성인 보다 큰 주파수 범위는 도 6 및 7에 도시되어 있지 않다. 그러나, 스펙트럼 성능이 또한 보다 큰 주파수 범위에 걸쳐서 강화되지만, 도 6 및 7에 도시된 것보다 적게 확장된다.

Claims (9)

1. 사전왜곡에 의해 무선 주파수 전력 증폭기를 선형화하는 방법에 있어서,

   a) 상기 증폭기에 의해 증폭될 디지털화된 기저-대역 입력 신호를 수신하는 단계,

   b) 증폭기 왜곡을 보상하기 위하여 상기 수신된 신호에 대해 디지털 사전왜곡을 수행하는 단계,

   c) 상기 디지털 사전왜곡 신호를 낮은 중간 주파수로 변환하는 단계,

   d) 상기 낮은 중간 주파수로 변환된 신호를 D/A 변환기를 통하여 아날로그 신호로 변환하는 단계,

   e) 무선 주파수 신호를 생성하기 위하여 아날로그 주파수 변환을 수행하는 단계,

   f) 상기 무선 주파수 신호에 대하여 아날로그 사전왜곡을 수행하는 단계, 및

   g) 상기 증폭기에 의해 아날로그 사전왜곡 신호를 증폭하는 단계를 포함하는 무선 주파수 전력 증폭기 선형화 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 증폭기의 출력으로부터 에러 신호 성분을 추출하여 상기 증폭기의 에러 동작에 따라서 상기 사전왜곡된 신호를 조절하기 위하여 사용되도록 함으로써 아날로그 사전왜곡 단계를 적응형으로 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 주파수 전력 증폭기 선형화 방법.
3. 제 1 항 또는 2 항에 있어서,

   상기 증폭기의 출력으로부터 에러 신호 성분을 추출하여 실시간 동작시 상기 증폭기의 에러 동작에 따라서 상기 사전왜곡 신호를 조절함으로써 디지털 사전왜곡의 단계를 적응형으로 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 주파수 전력 증폭기 선형화 방법.
4. 무선 주파수(RF) 신호를 선형 증폭하기 위한 전력 증폭기에 있어서,

   a) 기저-대역 입력 신호를 수신하는 수단,

   b) 상기 입력 신호에 대해 디지털 사전왜곡을 수행하는 수단,

   c) 상기 디지털 사전왜곡 신호를 낮은 중간 주파수로 변환하는 수단,

   d) 단계 c)에 의해 얻어진 신호를 D/A 변환하는 수단,

   e) 무선 주파수(RF) 신호를 얻기 위하여 아날로그 주파수 변환을 수행하는 수단,

   f) 아날로그 사전왜곡을 수행하는 수단, 및

   g) 단계 f)의 신호에 대한 증폭을 수행하는 수단을 포함하는 무선 주파수 신호를 선형 증폭하기 위한 전력 증폭기.
5. 무선 주파수(RF) 신호를 선형 증폭하기 위한 전력 증폭기에 있어서,

   a) 기저-대역 입력 신호를 수신하는 수단,

   b) 상기 수신된 입력 신호를 90°위상차를 갖는 두 개의 신호로 분할하는 수단,

   c) 단계 b)에서 얻어진 두 개의 분할된 신호 중 각각의 신호를 수신하며,

   c1) 각 신호의 디지털 사전왜곡용 수단,

   c2) 상기 디지털 사전왜곡 신호를 낮은 중간 주파수로 변환하는 수단,

   c3) 단계 c2)로부터 발생된 신호를 D/A 변환하는 수단,

   c4) 무선 주파수 신호를 발생시키기 위하여 단계 c3)로부터 발생된 신호에 대해 아날로그 주파수 변환을 수행하는 수단, 및

   c5) 단계 c4)로부터 발생된 신호에 대해 아날로그 사전왜곡을 수행하는 수단을 포함하는 제 1 및 제 2 경로 수단, 및

   d) 상기 수단(a-c)에 의해 처리된 신호를 결합하는 수단을 포함하는 무선 주파수 신호를 선형 증폭하기 위한 전력 증폭기.
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