KR100311518B1 - 입력 신호의 위상 제어를 이용한 왜곡된 신호의 보상 방법 및장치. - Google Patents

Abstract

본 발명은 통신 시스템에 관한 것으로 통신 시스템에서 사용되는 고출력 증폭기에 입력되는 신호의 위상차이를 조정하여 입력신호의 변화에도 항상 일정한 이득과 위상을 유지하도록 한 입력 신호의 위상 제어를 이용한 왜곡된 신호의 보상 방법 및 장치에 관한 것이다. 이와 같은 본 발명에 따르면, 증폭기를 통해 입력된 제 1 입력 신호 및 제 2 입력 신호 각각을 동위상인 두 개의 신호로 각각 분리되는 단계와, 각각의 신호 검출기를 통해 상기 각 입력 신호에서 분리된 두 개 신호의 차이를 검출하는 단계와, 상기 검출된 신호의 차이에 따라 신호감쇄율을 조정하는 단계와, 상기 분리된 각 신호를 제 1 위상조정부에 입력하여 상기 두 신호가 소정 레벨의 위상 차이가 되도록 조정하는 단계와, 상기 분리된 신호를 제 2 위상조정부에서 위상 차이를 비교하는 단계와, 상기 비교 결과에 따라 상기 두 신호가 상쇄 또는 출력되어 일정한 위상차이를 유지하므로서, 고출력 증폭기가 조정할 부분이 종래의 방법에 비하여 상당히 줄었으며, 이에 따른 시간 지연 소자를 통한 손실을 줄이는 효과가 있다.

Description

입력 신호의 위상 제어를 이용한 왜곡된 신호의 보상 방법 및 장치.{Method and Device for compensation of Distortion Signal by Input Signal Phase Control}

본 발명은 통신 시스템에 관한 것으로서, 이동 통신용 기지국 대전력 증폭기에 적당하도록 한 입력 신호의 위상 제어를 이용한 왜곡된 신호의 보상 방법 및 장치에 관한 것이다.

일반적으로 종래의 디지털 이동 통신 시스템에 관련된 규격을 만족시키는 RF 고출력 증폭기(High Power Amplifier)를 만들기 위해서 증폭기의 비선형성을 개선시키는 여러 가지방법의 선형화기술과 알고리즘이 제안되어왔다.

그중에서 대표적인 선형화 방법으로는 피이드포워드(Feedward), 프리디스토션(Predistortion), 극 포락선 보정(Polar Envelope correction), 바이어스 보상(Bias Compensation)등이 있다.

이와 같은 다양한 선형화 방법에 대해서 설명하면 다음과 같다.

먼저, 프리디스토션(Predistortion)방식을 이용한 선형화 방법이다.

이 방법은 일반적으로 입력되는 신호의 크기에 따라 이득과 위상이 비선형적으로 변화하는 AM to AM(AM : Amplitude Modulation) 과 AM to PM(PM: Phase Modulation)왜곡이 고출력증폭기의 스펙트럼 증가(Spectral Regrowth)의 주요 원인이라고 할 수 있다.

따라서, 주증폭기(Main Amplifier)의 입력신호에 따른 이득과 위상특성이 특정방향으로 왜곡될 경우에 주증폭기의 전단에 위치한 프리디스토터(Predistortor)를 이와 반대의 특성을 갖도록 하여 전체증폭기의 특성이 입력신호와 거의 동일하게 유지되도록 하여서 비선형성이 개선된 출력을 얻을 수 있게 된다.

다음으로 극 포락선 보정(Polar Envelope Correction)방식 선형화방법이 있다. 이 방법은 고속 위상-크기 비교기(Fast Phase-Amplitude Controller)의 입력된 R 신호와 M 신호의 크기와 위상을 비교하고, 그 차이만큼 고속 이득/위상 조정기(High Speed Gain/Phase Adjuster)를 조정하여 크기와 위상이 일정하도록 한다.

따라서, 전체 증폭기의 크기와 위상이 입력신호의 크기에 따라 항상 일정하게 유지되므로 AM-AM(AM : Amplitude Modulation)과 AM-PM(PM: Phase Modulation)의 왜곡을 줄일 수 있다.

다음으로 바이어스 보상 방식의 선형화방법이 있다.

바이어스 보상(Bias Compensation)방식은 일정한 드레인 전압(V_DS )에 대하여 V_GS 가 더 큰 음의 전압일수록 3차 상호변조곱(Intermodulation)은 감소한다. 상호변조곱이 최소인 음의 게이트 전압을 V_GMS이라고 하면, V_GS 값이 더 큰 음의 값일수록 증폭기의 이득은 감소한다. 그러나 상호변조곱이 감소하는 V_GS범위 내에서 상호변조곱은 이득보다 훨씬 빠르게 감소하므로 결과적으로 증폭기의 왜곡은 줄어들게 된다. 즉, 입력신호의 크기가 증가함에 따라 V_GS 의 값을 더 큰 음수 값이 되도록 하여 증폭기의 이득과 상호변조곱을 줄어들게 함으로써 왜곡을 감소시킬수 있게 된다.

다음으로는 피이드 포워드(Feed Forward) 방식이 있는데 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 종래의 피드포워드(Feedfoward)방식 선형화기의 동작 과정을 나타낸 블록 구성도이다.

도 1을 참조하면, 입력 신호는 전치증폭기(115)에서 증폭되어 신호분배기(101)에 의해서 두 개의 신호로 분리되어 출력된다. 이 신호 중 하나는 주증폭부(102)로 입력되어 증폭되고 또 다른 하나의 신호는 시간지연소자(106)로 입력된다.

이 중 주증폭부(102)로 입력된 신호는 실제의 주증폭기(105)에서 원래의 신호가 증폭되고 이에 따른 하모닉(Harmonic)(왜곡된 고조파 성분)성분들이 출력된다.

이 때, 주증폭부(102)에서 증폭된 신호들은 다시 신호분배기(108)에 입력되어 신호의 아주 일부분만이 다른 신호결합기(107)로 입력되고 대부분의 다른 신호 성분들은 다른 시간지연소자(109)로 입력된다.

그리고, 신호분배기(108)에서 출력된 신호는 다시 신호결합기(107)에서 원래의 신호중 제일 처음의 신호분배기(108)로부터 시간지연소자(109)를 거쳐 출력된 신호와 만나게 된다. 이 때의 신호는 서로 같은 시간지연이 되도록 조정해준다. 이와 함께 신호결합기(107)에서 합성되어 출력된 신호는 오류증폭부(110)에서 증폭된다. 증폭된 신호는 신호결합기(114)에서 시간지연소자(109)에서 출력된 신호와 서로 결합된다. 이 때의 신호결합은 시간지연소자(109)로부터 출력된하모닉(Harmonic)이 많은 성분과 오류증폭부(110)에서 하모닉(Harmonics)만을 증폭시킨 신호가 서로 합쳐진다. 이 때, 오류증폭부(110)에서 출력된 증폭 신호는 신호결합기(114)에서 합성되며 이곳에서 하모닉(Harmonic) 성분들의 위상은 180°가 되어 서로 상쇄되고 원래의 입력 신호와 유사한 하모닉(Harmonic)이 없는 신호만이 출력된다.

그러나 기존에 사용된 피이드 포워드(Feed Foward)방식을 이용한 선형화 방법을 사용하면 다음과 같은 단점이 있다.

첫째, 증폭기를 통하여 출력되는 신호에 따라 파생되는 하모닉(Harmonic)성분을 제거하기 위해서는 각각의 주증폭부와, 오류증폭부를 통과하여 발생하는 시간 지연과 시간 지연 소자의 시간 지연이 정확히 일치시키거나, 가변 감쇄기 및 가변 위상 변위기의 정확한 통제를 통해 역위상(180도)를 얻어야 하지만, 이러한 각 성분들의 제어과정에서 생기는 측정오차로 인해 통제하기가 어려운 단점이 있다.

둘째, 증폭기(Amp)의 크기가 상당히 커지므로 소요비용이 많아지며 시간지연소자에서의 손실이 발생하기 때문에 증폭 효율이 저하되는 단점이 있다.

본 발명의 목적은 상기와 같이 언급한 단점을 감안하여 안출한 것으로서, 통신 시스템에서 사용되는 고출력 증폭기에 입력되는 신호의 위상차이를 조정하여 입력신호의 변화에도 항상 일정한 이득과 위상을 유지하도록 한 입력 신호의 위상 제어를 이용한 왜곡된 신호의 보상 방법 및 장치를 제공하기 위한 것이다.

상기에서 언급한 본 발명에 따르면, 증폭기를 통해 입력된 제 1 입력 신호및 제 2 입력 신호 각각을 동위상인 두 개의 신호로 각각 분리되는 단계와, 각각의 신호 검출기를 통해 상기 각 입력 신호에서 분리된 두 개 신호의 차이를 검출하는 단계와, 상기 검출된 신호의 차이에 따라 신호감쇄율을 조정하는 단계와, 상기 분리된 각 신호를 제 1 위상조정부에 입력하여 상기 두 신호가 소정 레벨의 위상 차이가 되도록 조정하는 단계와, 상기 분리된 신호를 제 2 위상조정부에서 위상 차이를 비교하는 단계와, 상기 비교 결과에 따라 상기 두 신호가 상쇄 또는 출력되어 일정한 위상차이를 유지한다.

바람직하게는, 상기 위상 차이를 조정하는 단계는 상기 입력된 신호가 같은 크기를 갖고 위상 차이가 90 °가 되도록 조정하여 상기 제 2 위상조정부의 출력 신호의 위상차가 180°가 되도록 유도한다.

또한, 상기 위상 차이를 비교한 결과는 상기 두 신호의 위상 차이가 180°일때는 서로 상쇄되고, 위상 차이가 0°이면 신호가 합쳐져서 출력되어 왜곡된 고조파 성분의 발생을 억제한다.

도 1은 종래의 피이드포워드(Feed Forward)방식의 선형화 방법을 설명하기 위한 블록 구성도.

도 2는 본 발명에 따른 위상의 측정과 제어를 수행하는 선형화기의 구조를 설명하기 위한 블록 구성도.

도 3은 도 2에 도시한 선형화기에서 비교부(Comparator)를 설명하기 위한 블록 구성도.

도 4는 본 발명에 따른 90도 하이브리드 결합기(Hybrid Coupler)를 설명하기 위한 블록 구성도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

201 : 전치증폭기 202, 210, 306 : 90°3dB 하이브리드

203 : 가변감쇄기 204, 217 : 가변위상변위기

205, 208 : 주증폭기 207 : 시간지연소자

211, 214 : 신호분배기 213 : 비교부

218 : 주증폭부 301, 302 : 양방향 분배기

303, 304, 308 : 신호검출기 305, 307 : 차동증폭기

이하 본 발명에 대한 바람직한 일실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명에 따른 위상의 측정과 제어를 수행하는 선형화기의 구조를 설명하기 위한 블록 구성도이다.

도 2를 참조하면, 입력포트로부터 입력된 신호는 신호분배기(214)에서 신호의 일부분만을 비교부(213)으로 출력하고 대부분의 신호는 신호감쇄기(203)와 가변위상 변위기(204)로 입력되어 전치증폭기(201)에서 증폭된다.

이와 같이 전치증폭기(201)에서 증폭된 신호는 주증폭부(218)로 입력되어 하모닉(Harmonic)성분이 포함된 신호로 증폭된다.

이처럼 주증폭부(218)로 입력된 신호는 90도 3dB 하이브리드(Hybrid)(202)로 입력된다. 이에 따라 입력된 신호는 크기가 같고 위상이 90도 차이가 나는 두 개의 신호로 분리된다.

여기서, 위의 두 경로 중 하나의 신호는 위상이 0도인 부분이고, 또다른 하나의 신호는 위상이 -90도가 된다.

따라서, 경로의 위상이 0 도인 신호는 제 1 주증폭기(205)에서 큰 신호로 증폭되고 또 다른 위상 -90도인 신호는 제 2 주증폭기(208)에서 증폭된다.

각각 증폭된 신호들은 90도 3dB 하이브리드(Hybrid)(210)에서 하나로 합하여져 출력된다. 이 때, 90도 3dB 하이브리드(Hybrid)(202, 210)에서 위상차이가 정확히 나고 제 1 주증폭기(205)와 제 2 주증폭기(208)의 이득차이가 항상 일치한다면 주증폭부(218)는 항상 일정한 이득값을 가지게 된다. 또한 입력 전력의 변화에 대하여 항상 일정한 이득값을 가지게 되면 하모닉(Harmonic)성분의 발생도 줄게 된다. 즉, 하모닉(Harmonic)성분의 발생은 각종 증폭소자에서의 입력전력의 변화에 따른 이득의 변화와 위상(Phase)의 변화에 기인하기 때문이다.

따라서, 본 발명에서는 입력전력의 변화에 따른 증폭기의 이득과 위상의 변화를 일정하게 유지함으로써 선형화를 구현할 수 있다. 이와 같은 선형화를 구현하기 위해 본 발명에서는 간단한 비교기(Comparator)가 필요하다. 즉,신호분배기(214)에서 출력되는 신호의 일부신호를 제 1 입력이라 하고, 주증폭부(218)에서 출력되는 신호의 성분을 제 2 입력이라 한다면, 이를 간단한 비교기(Comparator)를 사용하여 입력과 출력에서의 일정한 이득과 위상을 얻을 수 있게 된다.

도 3은 도 2에 도시한 선형화기에서 비교부(Comparator)를 설명하기 위한 블록 구성도이다.

도 3을 참조하면, 실제의 고출력증폭기(High Power Amplifier)에서 입력된 신호인 제 1 입력과 제 2입력은 양방향 분배기(2-way spiltter)(301, 302)에 입력되어 신호의 크기는 반으로 줄고 위상은 서로 일치하는 두 개의 신호로 분리된다.

이 두 개의 분리된 신호 중 한 개는 신호검출기(303, 304)를 지나면서 각각의 신호의 크기가 직류(DC)형태로 출력된다.

이 신호는 차동증폭기(305)에 입력되어서 두 개의 신호 성분의 차이만큼 증폭된다. 즉, 두 개의 신호검출기(305)에서 출력된 신호의 차이가 크면 클수록 제 1 출력으로 나오는 신호도 커지게 된다.

또한 제 1 출력으로 나온 신호는 도 2의 조정기(212)로 입력되어 도 2의 신호감쇄기(203)를 조정한 뒤 두 개의 신호의 차이가 크면 클수록 더욱 높은 정도의 감쇄를 시키게 된다.

여기서 실제로 원하는 이득만큼을 가질 때는 두 개의 신호의 차이가 거의 없어서 신호감쇄기(203)가 작동하지 않으며, 만약에 입력 전력의 변화에 따른 출력 전력이 균일하지 않을 때는 두 개의 신호차이가 발생하여 신호감쇄기(203)를 조정하게 된다.

즉, 신호감쇄기(203)는 자체 변화 범위의 중간에 위치하며 제 1 입력과 제 2 입력의 신호가 일정하면 원래의 조정에서 변화가 없게 된다.

그러나 제 2 입력의 신호가 더욱 커지게 되면 이 두 신호의 차이가 증폭되기 때문에 얻어지는 이득이 균일하지 않게 된다. 따라서, 신호감쇄기(203)로 두 신호 세기의 차이를 균일하게 조정하기 위해서 더욱 감쇄가 큰 방향으로 설정하게 한다.

이와 반대로 제 2 입력의 신호가 제 1 입력의 신호보다 작게되면 이와는 반대의 작용이 일어나서 신호감쇄기(203)는 반대로 감쇄가 적어지는 방향으로 작동하게 된다.

또한, 양방향 분배기(2-way spiltter)(301, 302)에서 나누어진 신호는 각각 90도 3dB 하이브리드(Hybrid)(306)로 입력된 후 서로 합해지게 된다.

90도 3dB 하이브리드(Hybrid)(306)는 도 4에 도시한 것처럼 입력된 신호를 같은 크기를 가지고 서로의 위상 차이가 90도가 되도록 조정한다.

도 4는 본 발명에 따른 90도 하이브리드 결합기(Hybrid Coupler)를 설명하기 위한 블록 구성도이다.

도 4를 참조하면, 양방향분배기에서 나뉘어진 두 개의 신호가 같은 90도 3dB 하이브리드(Hybrid)(306)에 입력되면 두 개 신호의 위상차이가 'Isol' 이라 표기된 곳에서는 180도의 위상차가 되므로 신호는 서로 상쇄된다.

반면에, Sum이라고 표기된 곳에서는 두 개 신호의 위상차가 0이므로 신호가 합성되어 출력된다.

따라서, 각각의 제 1 입력과 제 2 입력에서 들어온 신호는 90도 3dB 하이브리드(Hybrid)(306)로 입력되어 일정한 양의 위상 차이를 가지게 된다.

이 때의 신호를 90도 3dB 하이브리드(Hybrid)(306)에 입력시키면 이 신호는 Sum이나 Isol중의 하나의 상태를 가지게 될 것이다. 그러나 이 신호중 출력쪽의 신호를 미리 조정하여 위상 차이가 90 도가 발생하도록 한다면 90도 3dB 하이브리드(Hybrid)(306)의 출력을 Isol 포트로 유도할 수 있을 것이다.

이 신호와 접지(Gnd)를 비교한 신호를 차동증폭기(307)에 입력시켜서 이 신호를 제 2 출력으로 이용하여 도 2의 가변위상변위기(204)를 조정하게 된다.

즉, 이와 같은 과정을 거쳐서 위상과 이득을 조정하게 되면 입력전력의 변화에도 불구하고 항상 일정한 이득과 위상을 가지는 선형화 증폭기가 되는 것이다.

상기에서 언급한 본 발명에 따르면, 본 발명은 종래의 피이드포워드(Feed Forward)를 사용한 선형화 기법보다 상당히 간편한 방법을 사용하여 선형화를 구현하였기 때문에 주증폭기의 수가 1개로 줄어들어서 전력의 효율면에서 우수한 특성을 가지는 효과가 있다.

따라서, 이로인해 전체 고출력증폭기의 크기가 작아지기 때문에 소요되는 비용이 절감되는 부수적인 효과도 누릴 수 있다.

또한, 이 고출력증폭기가 조정할부분이 종래의 방법에 비하여 상당히 줄었으며, 이에 따른 시간지연소자를 통한 손실을 줄이는 효과가 파생된다고 할 수 있다.

Claims (5)

1. 증폭기를 통해 입력된 제 1 입력 신호 및 제 2 입력 신호 각각을 동위상인 두 개의 신호로 각각 분리되는 단계와,

   각각의 신호 검출기를 통해 상기 각 입력 신호에서 분리된 두 개 신호의 차이를 검출하는 단계와,

   상기 검출된 신호의 차이에 따라 신호감쇄율을 조정하는 단계와,

   상기 분리된 각 신호를 제 1 위상조정부에 입력하여 상기 두 신호가 소정 레벨의 위상 차이가 되도록 조정하는 단계와,

   상기 분리된 신호를 제 2 위상조정부에서 위상 차이를 비교하는 단계와,

   상기 비교 결과에 따라 상기 두 신호가 상쇄 또는 출력되어 일정한 위상차이를 유지하게 되는 것을 특징으로 하는 입력 신호의 위상 제어를 이용한 왜곡된 신호의 보상 방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 위상 차이를 조정하는 단계는 상기 입력된 신호가 같은 크기를 갖고 위상 차이가 90 °가 되도록 조정하여 상기 제 2 위상조정부의 출력 신호의 위상차가 180°가 되도록 유도하는 것을 특징으로 하는 입력 신호의 위상 제어를 이용한 왜곡된 신호의 보상 방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 위상 차이를 비교한 결과는 상기 두 신호의 위상 차이가 180°일때는 서로 상쇄되고, 위상 차이가 0°이면 신호가 합쳐져서 출력되어 왜곡된 고조파 성분의 발생을 억제하는 것을 특징으로 하는 입력 신호의 위상 제어를 이용한 왜곡된 신호의 보상 방법.
4. 제 1항에 있어서 상기 신호감쇄율을 조정하는 단계는 상기 제 2 입력신호의 크기가 제 1 입력 신호보다 클 경우에는 높은 신호 감쇄를 시키고, 상기 제 2 입력 신호가 제 1 입력 신호보다 작을 경우에는 신호 감쇄가 작은 방향으로 조정하여 두 신호의 세기 차이를 균일하게 하는 것을 특징으로 하는 입력 신호의 위상 제어를 이용한 왜곡된 신호의 보상 방법.
5. 입력신호의 위상을 제어하기 위한 고출력증폭기에서,

   증폭기를 통해 입력된 제 1 입력 신호 및 제 2 입력 신호를 크기가 다르고 동위상인 두 개의 신호로 각각 분리하는 신호분리부와,

   상기 신호분리부에서 분리된 두 개의 신호의 크기를 검출하는 검출부와,

   상기 검출된 신호의 크기를 비교하여 신호감쇄율을 조정하는 신호감쇄부와,

   상기 검출된 각 신호를 입력하여 소정 레벨의 위상 차이가 되도록 조정하는제 1 위상조정부와,

   상기 제 1 위상조정부에서 조정된 각 신호의 위상차이를 비교하는 제 2 위상조정부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 입력 신호의 위상 제어를 이용한 왜곡된 신호의 보상 장치.