KR100445326B1 - Linear Power Amplifier using the Digital Signal Processor - Google Patents

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KR100445326B1
KR100445326B1 KR10-2002-0015229A KR20020015229A KR100445326B1 KR 100445326 B1 KR100445326 B1 KR 100445326B1 KR 20020015229 A KR20020015229 A KR 20020015229A KR 100445326 B1 KR100445326 B1 KR 100445326B1
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학교법인 한양학원
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Abstract

본 발명은 디지털 신호처리장치(DSP)를 이용한 전력증폭기의 선형화장치에 관한 것이다. 본 발명은 전치왜곡 선형화장치에 있어서, 기저대역 QAM 신호의성분을 IF로 변조하기 전에 A/D(Analog to Digital) 변환하는 제 1 AD변환기와; 전력증폭기의 출력을 직교복조기에서 직교복조한신호를 A/D 변환하는 제 2 AD변환기와; 상기 제 1 AD변환기 및 제 2 AD변환기에서 변환된 신호들이 들어가서 RLS 알고리즘을 이용하여 최적화되고 그로부터 전치왜곡 다항식의 계수를 추출하는 디지털 신호처리장치(DSP)와; 상기 디지털 신호처리장치(DSP)에서 연산된를 아날로그 신호로 변환하는 DA변환기로 구성된다.The present invention relates to an apparatus for linearizing a power amplifier using a digital signal processing device (DSP). In the predistortion linearization device, the present invention relates to a baseband QAM signal. A first AD converter for converting A / D (Analog to Digital) before modulating the component to IF; Orthogonal demodulation of the power amplifier output in an orthogonal demodulator A second AD converter for A / D converting the signal; A digital signal processing apparatus (DSP) for inputting the signals converted by the first AD converter and the second AD converter and optimizing using an RLS algorithm and extracting coefficients of the predistortion polynomial therefrom; Calculated by the digital signal processing device (DSP) It is composed of DA converter to convert the signal into an analog signal.

본 발명에 의하면, 최적화된 계수를 갖고 성능이 우수하며, 진폭오차 및 위상오차가 1% 이내로 수렴할 수 있는 선형화 장치를 제공한다.According to the present invention, there is provided a linearization apparatus having optimized coefficients, excellent performance, and capable of converging an amplitude error and a phase error within 1%.

Description

디지털 신호처리장치(DSP)를 이용한 전력증폭기의 선형화장치{Linear Power Amplifier using the Digital Signal Processor}Linear power amplifier using the digital signal processor (DSP)

본 발명은 전력증폭기의 비선형 성분에 의한 송신신호의 왜곡 성분을 상쇄시키기 위한 선형화 장치에 관한 것이다. 특히, 전력증폭기의 특성을 포화영역까지 선형화할 수 있도록 하는 디지털 신호처리장치(DSP)를 이용한 전력증폭기의 선형화장치에 관한 것이다.The present invention relates to a linearization apparatus for canceling distortion components of a transmission signal by nonlinear components of a power amplifier. In particular, the present invention relates to a linearization apparatus of a power amplifier using a digital signal processing device (DSP), which allows the characteristic of the power amplifier to be linearized to a saturated region.

일반적으로 무선통신 시스템에서 높은 대역폭 효율을 확보하고 방대한 양의 데이터를 전송하기 위해 선형변조 방법이 광범위하게 이용되고 있으며, 정보를 가지는 RF(Radio Frequency) 신호의 진폭과 위상을 동시에 변조하여 송신하게 된다. 또한 무선통신 시스템은 다른 통신 시스템 사용자에 대한 간섭을 최대한 억제해야 하므로 할당 대역폭 내에서 송수신을 유지하여야 하고 대역폭 밖으로의 에너지복사(Energy Radiation)를 최소화해야 한다. 하지만 무선통신 시스템의 성능에서 가장 중요한 전력증폭기는 일반적으로 신호를 비선형으로 왜곡시키는 특성을 갖고 있다. 이러한 비선형 특성은 입력신호 전력의 증가에 따른 출력신호 전력의 감소를 나타내는 AM/AM(Amplitude Modulation to Amplitude Modulation) 특성과 입력신호 전력의 증가에 따른 출력신호의 위상변화를 나타내는 AM/PM(Amplitude Modulation to Phase Modulation) 특성으로 표현된다. 전력증폭기의 비선형 특성으로 인해 송신신호의 왜곡이 발생하고 인접채널에 간섭을 일으키므로, 통신 시스템의 표준 규격으로 이를 엄격히 규제하고 있다. 이에 따라 여러 가지 선형화 기법이 제안되었으나 그 중 전력증폭기의 고효율과 선형성을 동시에 만족시키기 위하여 다항식형 전치왜곡기를 이용한 전치왜곡 선형화장치가 많이 이용되고 있다.In general, a linear modulation method is widely used to secure high bandwidth efficiency and transmit a large amount of data in a wireless communication system, and simultaneously modulates and transmits an amplitude and a phase of an RF signal having information. . In addition, since the wireless communication system must suppress interference to other communication system users as much as possible, transmission and reception should be maintained within the allocated bandwidth and energy radiation out of the bandwidth should be minimized. However, power amplifiers, which are most important in the performance of wireless communication systems, generally have the characteristic of nonlinearly distorting the signal. These non-linear characteristics include Amplitude Modulation to Amplitude Modulation (AM / AM), which indicates a decrease in output signal power as the input signal power increases, and AM / PM (Amplitude Modulation) as a change in phase of the output signal as the input signal power increases. to Phase Modulation). Due to the nonlinear characteristics of the power amplifier, distortion of the transmission signal and interference on adjacent channels are strictly regulated as a standard specification of the communication system. Accordingly, various linearization techniques have been proposed, but predistortion linearizers using polynomial predistorters are widely used to satisfy the high efficiency and linearity of power amplifiers.

도 1은 종래의 전치왜곡 선형화장치의 원리를 나타낸 도면이다. 도 1에 의하면, 전치왜곡기는 비선형 전력증폭기 앞단에서 전력증폭기 전달함수의 역 특성을 가지는 비선형 함수를 갖는다. 이러한 비선형 함수는 입력신호와 전력증폭기 사이에 비선형 회로를 삽입하여 구현한다. 이 비선형 회로는 전력증폭기의 IMD(Inter Modulation Distortion) 성분과위상차를 가지는 IMD 성분을 생성하여 불필요한 IMD 성분을 상쇄시킨다. 이러한 전치왜곡은 기저대역, IF(Intermediate Frequency) 또는 RF에서 구현될 수 있다.1 is a view showing the principle of a conventional predistortion linearization device. According to Fig. 1, the predistorter has a nonlinear function having the inverse of the power amplifier transfer function in front of the nonlinear power amplifier. This nonlinear function is implemented by inserting a nonlinear circuit between the input signal and the power amplifier. This nonlinear circuit combines the intermodulation distortion (IMD) component of the power amplifier. An IMD component having a phase difference is generated to cancel out unnecessary IMD components. Such predistortion may be implemented at baseband, intermediate frequency (IF) or RF.

도 2는 종래 기술에 따른 IF대역 전치왜곡 선형화장치를 이용한 전력증폭 시스템의 블럭도를 나타낸 것이다. 도 2에 의하면, 종래 기술에 따른 IF대역 전치왜곡 선형화장치의 회로는 기저대역 QAM(Quadratue Amplitude Modulator) 신호의 동위상 성분()과 직교위상 성분()을 복소 입력신호로 변환하기 위한 직교변조기(4a)와, 이들 신호를 IF대역으로 변환하기 위한 IF 국부발진기(8)와, 전치왜곡기 입력신호의 진폭을 검출하기 위한 포락선 검파기(6)와, 전치왜곡기(1)와, 전력증폭기(3)와, 전력증폭기의 출력을 기저대역의 동위상 성분()과 직교위상 성분()으로 변환하기 위한 직교복조기(4b)와, RF 국부발진기(7)와, IF 및 RF 대역의 신호를 여파하기 위한 대역통과 여파기(2)와, 전치왜곡 다항식의 계수를 추출하기 위한 오차추정기(5)로 구성된다.Figure 2 shows a block diagram of a power amplification system using the IF band predistortion linearizer according to the prior art. Referring to FIG. 2, the circuit of the IF band predistortion linearizer according to the related art is characterized by an in-phase component of a baseband quadrature amplitude modulator (QAM) signal. ) And quadrature A quadrature modulator 4a for converting the signal into a complex input signal, an IF local oscillator 8 for converting these signals into an IF band, an envelope detector 6 for detecting the amplitude of the predistorter input signal, and The outputs of the predistorter (1), power amplifier (3) and power amplifier are the baseband in-phase components ( ) And quadrature Orthogonal demodulator (4b) for converting the signal, RF local oscillator (7), bandpass filter (2) for filtering signals in IF and RF bands, and error estimator for extracting coefficients of predistortion polynomial 5) consists of.

이와 같은 종래 기술에 따른 IF대역 전치왜곡 선형화장치의 회로흐름은 다음과 같다. 기저대역 QAM(Quadratue Amplitude Modulator) 신호(9)의및 IF 국부발진기(8)를 이용하여 직교변조기(4a)에 의해 IF대역의 복소 입력신호로 변환하고, 복소 입력신호는 대역통과 여파기(2)에 의해 여파된 후, 전치왜곡기(1)의 입력신호로 된다. 전치왜곡기(1)는 전력증폭기 비선형 특성의 역 특성을 가져야 하는데 이는 다항식 함수로 구성되며 이 전치왜곡 다항식의 계수는 오차추정기(5)로부터 계수를 입력받아 갱신된다.The circuit flow of the IF band predistortion linearizer according to the prior art is as follows. Of the baseband Quadratue Amplitude Modulator (QAM) signal (9) Wow And converting the complex input signal of the IF band by the quadrature modulator 4a using the IF local oscillator 8, and the complex input signal is filtered by the bandpass filter 2, and then the predistorter 1 It becomes an input signal. The predistorter 1 should have an inverse characteristic of the power amplifier nonlinear characteristic, which is composed of a polynomial function, and the coefficient of the predistortion polynomial is updated by receiving the coefficient from the error estimator 5.

전력증폭기(3) 출력은 RF 국부발진기(7)를 이용하여 IF 대역으로 하향 변환된 후, 대역통과 여파기(2")에 의해 여파된다. 이 신호와 전치왜곡기 입력신호를 이용하여 직교복조기(4b)에서신호를 만들어낸다.The output of the power amplifier 3 is down-converted to the IF band using the RF local oscillator 7 and then filtered by a bandpass filter 2 ". Using this signal and the predistorter input signal, the quadrature demodulator ( In 4b) And Generate a signal.

포락선 검파기(6)에서는 전치왜곡기 입력신호인 복소 입력신호의 진폭을 검출하고 이 값과 상기를 이용하여 오차추정기(5)에서 입력신호 및 출력신호의 진폭오차와 위상오차를 계산하며 이로부터 전치왜곡 다항식의 계수를 추출한다.The envelope detector 6 detects the amplitude of the complex input signal which is the predistorter input signal and And The error estimator (5) calculates the amplitude and phase errors of the input and output signals and extracts the coefficients of the predistortion polynomial from them.

그러나, 이와 같은 종래 기술에 따른 전치왜곡 선형화 장치는 IF단에서 동위상 성분과 직교위상 성분을 전치왜곡하기 때문에 곱셈기, 덧셈기 및 직교변조기 및 IF 신호의 진폭을 검출하기 위해 포락선 검파기(6)가 필요하고 이 모든것을 아날로그(Analog) 회로로 구성해야 하는데, 알고리즘(Algorithm) 에서 정확한 수렴계수가 산출되어도 아날로그 회로의 불완전성에 의해신호의 전치왜곡이 부정확해질 수 있다는 단점이 있다. 실제로 아날로그 소자를 이용하여 전치왜곡 선형화 시스템을 구현할 때 그 성능은 모의실험 결과와 잘 맞지 않는 것으로 알려져 있다.However, since the predistortion linearizer according to the prior art predistorts in-phase and quadrature components in the IF stage, a multiplier, an adder and a quadrature modulator, and an envelope detector 6 are required to detect the amplitude of the IF signal. And all of these must be configured as analog circuits, and even though the algorithm can calculate the correct convergence coefficients, The disadvantage is that the predistortion of the signal can be inaccurate. In practice, the performance of a predistortion linearization system using analog devices is known to be incompatible with the simulation results.

본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로 , 아날로그 전치왜곡기와 포락선 검파기를 사용하지 않고, 모든 과정을 DSP(Digital Signal Processor)에 의해서 처리하여 DSP에서 직접 연산된를 기저대역에서 전치왜곡할 뿐만 아니라, 최적화된 계수를 갖는 전치왜곡기의 이득 다항식을 이용하여 포화영역에서의 선형화기 성능을 향상시킴으로써 전력증폭기 시스템의 선형화 성능과 전력효율을 높이는데 그 목적이 있다.The present invention has been invented to solve the problems of the prior art, and all processes are processed by the DSP (Digital Signal Processor) directly without using an analog predistorter and an envelope detector. Wow In addition to predistortion at baseband, we also improve the linearizer performance and power efficiency of the power amplifier system by improving the linearizer performance in the saturation region by using the gain polynomial of the predistorter with optimized coefficients. .

도 1은 종래의 전치왜곡 선형화장치의 원리를 나타낸 도면.1 is a view showing the principle of a conventional predistortion linearization device.

도 2는 종래기술에 따른 IF대역 전치왜곡 선형화장치를 이용한 전력증폭 시스템의 블럭도.Figure 2 is a block diagram of a power amplification system using the IF band predistortion linearization device according to the prior art.

도 3은 본 발명에 따른 기저대역 전치왜곡기를 이용한 전력증폭 시스템의 블럭도.3 is a block diagram of a power amplification system using a baseband predistorter in accordance with the present invention.

도 4는 본 발명에 따른 전치왜곡기와 후치왜곡기가 있는 DSP 연산과정의 상세도.4 is a detailed diagram of a DSP operation process with a predistorter and a postdistorter according to the present invention.

도 5는 일반 TWT 대전력 증폭기의 AM/AM 및 AM/PM 특성도.5 is an AM / AM and AM / PM characteristic diagram of a general TWT large power amplifier.

도 6은 본 발명에 따른 증폭기 출력에서의 진폭 및 위상의 정규화된 절대오차를 나타낸 도면.Figure 6 illustrates the normalized absolute error of amplitude and phase at the amplifier output according to the present invention.

도 7은 본 발명에 따른 전치왜곡기 유무에 따른 증폭기 출력의 정규화된 전력스펙트럼 밀도를 나타낸 도면.7 is a view showing normalized power spectrum density of an amplifier output with and without a predistorter according to the present invention.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ><Description of Symbols for Main Parts of Drawings>

1 : 전치왜곡기1: predistorter

2, 2', 2", 12, 12', 12" : 대역통과 여파기2, 2 ', 2 ", 12, 12', 12": bandpass filter

3, 13 : 전력증폭기 4a, 14a : 직교변조기3, 13: power amplifier 4a, 14a: quadrature modulator

4b, 14b : 직교복조기 5 : 오차추정기4b, 14b: orthogonal demodulator 5: error estimator

6 : 포락선 검파기 7, 17 : RF 국부발진기6: envelope detector 7, 17: RF local oscillator

8, 18 : IF 국부발진기 9 : 기저대역 QAM신호8, 18: IF local oscillator 9: baseband QAM signal

10 : 디지털 신호처리장치(DSP)10: Digital Signal Processing Device (DSP)

16a, 16b : AD 변환기 19 : DA 변환기16a, 16b: AD converter 19: DA converter

20 : 알고리즘20: algorithm

본 발명의 목적을 달성하기 위하여 전력증폭기의 비선형 성분에 의한 송신신호의 왜곡 성분을 상쇄시키기 위하여 전력증폭기의 특성을 포화영역까지 선형화할 수 있도록 하는 디지털 신호처리장치(DSP)를 이용한 전력증폭기의 선형화장치를 구현한다.이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다. 도 3은 본 발명에 따른 기저대역 전치왜곡기를 이용한 전력증폭 시스템의 블록도이다.본 발명은 전력증폭기의 비선형 성분에 의한 신호의 왜곡 성분을 상쇄시키기 위하여 비선형 전력증폭기 앞단에 입력신호와 전력증폭기 사이에 비선형 회로를 삽입하고, 기저대역 QAM 신호의성분을 IF로 변조하기 전에 A/D 변환하는 제 1 AD변환기와;전력증폭기의 출력을 직교복조기에서 직교복조한신호를 A/D 변환하는 제 2 AD변환기를 포함하는 전력증폭기 선형화장치에 있어서,상기 제 1 AD변환기 및 제 2 AD변환기에서 변환된 신호들이 들어가서 RLS(Recursive Least Squares) 알고리즘을 이용하여 최적화되고 그로부터 전치왜곡 다항식의 계수를 추출하는 디지털 신호처리장치(DSP)(10)와; 상기 디지털 신호처리장치(DSP)에서 연산된를 아날로그 신호로 변환하는 DA변환기(19)로 구성된다.In order to achieve the object of the present invention, the linearization of the power amplifier using a digital signal processing device (DSP) to linearize the characteristics of the power amplifier to the saturation region in order to cancel the distortion component of the transmission signal by the nonlinear components of the power amplifier The present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Figure 3 is a block diagram of a power amplification system using a baseband predistorter according to the present invention. The present invention provides a method for canceling a distortion component of a signal caused by a nonlinear component of a power amplifier between an input signal and a power amplifier in front of the nonlinear power amplifier. Insert a non-linear circuit into the baseband of the baseband QAM signal A first AD converter which performs A / D conversion before modulating the component to IF; orthogonal demodulating the output of the power amplifier in an orthogonal demodulator; A power amplifier linearization apparatus comprising a second AD converter for converting signals into A / D, wherein signals converted by the first AD converter and the second AD converter are input and optimized using a recursive least squares (RLS) algorithm. A digital signal processing device (DSP) 10 for extracting coefficients of the predistortion polynomial; Calculated by the digital signal processing device (DSP) DA converter 19 for converting the signal into an analog signal.

도 3에 의하면,,는 기저대역 QAM 신호의성분을 IF로 변조하기 전에 제 1 AD변환기(16a)에서 A/D(Analog to Digital) 변환한 것이고,는 전력증폭기의 출력을 직교복조기(14b)에서 직교복조한신호를 제 2 AD변환기(16b)에서 A/D 변환한 것이다. 이 신호들이 디지털 신호처리장치(DSP)(10)로 들어가서 RLS(Recursive Least Squares) 알고리즘(20)을 이용하여 최적화되고 그로부터 전치왜곡 다항식의 계수를 추출한다. DSP(10)에서 연산된는 DA변환기(19)에서 아날로그 신호로 변환되고, 이 신호들과 IF 국부발진기(17)의 신호를 이용하여 직교변조기(14a)에서 IF 신호로 변환한다. IF 신호는 제 1 대역통과 여파기(12)에서 여파된 후 다시 RF 국부발진기(17)와 혼합되어 RF 신호로 상향 변환된다. 이 RF 신호는 RF 대역의 제 2 대역통과 여파기(12')를 거친 후 전력증폭기(13)의 입력신호가 된다. 전력증폭기(13)의 출력은 RF 국부발진기와 혼합되어 IF 대역으로 하향 변환된 후, 제 3 대역통과 여파기(12")를 거쳐 직교복조기(14b)의 입력신호가 된다.According to FIG. 3, , Of the baseband QAM signal Analog to Digital (A / D) conversion of the first AD converter 16a before modulating the component to IF. , Is orthogonal demodulation of the output of the power amplifier in the orthogonal demodulator 14b. The signal is A / D converted by the second AD converter 16b. These signals enter the digital signal processing device (DSP) 10 and are optimized using the Recursive Least Squares (RLS) algorithm 20 and extract the coefficients of the predistortion polynomial therefrom. Computed at DSP 10 Is converted into an analog signal by the DA converter 19, and is converted into an IF signal by the quadrature modulator 14a using the signals and the signals of the IF local oscillator 17. The IF signal is filtered in the first bandpass filter 12 and then mixed with the RF local oscillator 17 and upconverted to an RF signal. The RF signal passes through the second bandpass filter 12 'of the RF band and becomes an input signal of the power amplifier 13. The output of the power amplifier 13 is mixed with the RF local oscillator and down-converted to the IF band, and then becomes the input signal of the quadrature demodulator 14b via the third band pass filter 12 ".

도 4는 본 발명에 따른 전치왜곡기와 후치왜곡기가 있는 DSP 연산과정의 상세도이다. 도 4를 참조하면, DSP에 입력된번째 연산구간의 표본값을 비선형 함수,과 복소연산한 뒤 IF 변조한다. 여기서번째 연산구간에서의의 절대치이다.,번째 연산구간에서의 전치왜곡기의 이득을 나타내는 다항식으로 다음과 같이 입력신호의 진폭에 대한 멱급수로서 표현할 수 있다.4 is a detailed diagram of a DSP operation process with a predistorter and a postdistorter according to the present invention. 4, input to the DSP Sample value of the first operation interval and Nonlinear function , Complex operation with and modulate IF. here and silver In the first operation interval Wow Is absolute. , silver It is a polynomial representing the gain of the predistorter in the first operation period and can be expressed as power series with respect to the amplitude of the input signal as follows.

………… ( 1 ) … … … … ( One )

………… ( 2 ) … … … … ( 2 )

여기서 M은 전치왜곡기 다항식의 차수(order)이고은 다항식의번째 계수이다. 전력증폭기(13) 출력은 하향 변환된 후 직교복조기(14b)를 이용하여 복조된다. 입력신호의 진폭과 출력신호의 진폭은 그림의 제곱근연산장치(SQRT : square root)에서 연산한 값들이다. 상기의 식(1)과 (2)는 종래 기술에서 전력증폭기 출력레벨을 백오프(back-off)할 때 사용하는 전치왜곡기 이득다항식이다. 하지만 전력증폭기 출력레벨을 선형영역으로 백오프하지 않고 포화점 근처까지 선형화하기 위하여 비선형 함수를 이용하는 경우,번째 연산구간에서 전치왜곡기 이득함수 다항식은 다음과 같다.Where M is the order of the predistorter polynomials and Is polynomial Second coefficient. The power amplifier 13 output is down-converted and then demodulated using an orthogonal demodulator 14b. Amplitude of input signal And amplitude of output signal Are the values calculated by the square root (SQRT) in the figure. Equations (1) and (2) above are the predistorter gain polynomials used when the power amplifier output level is back-off in the prior art. However, if a nonlinear function is used to linearize the power amplifier output level near the saturation point without backing off to the linear region, The predistorter gain function polynomial in the first operation section is

………… ( 3 ) … … … … (3)

………… ( 4 ) … … … … ( 4 )

여기서 M은 전치왜곡기 다항식의 차수(order),,,은 다항식의번째 계수,은 입력신호의 진폭이고Where M is the order of the predistorter polynomial, , and , Is polynomial Th coefficient, Is the amplitude of the input signal

이며,는 증폭기의 포화점 근처까지 인가되는 입력 진폭의 최대값이다.의 미분이 입력 진폭의 최대치, 즉일 때 무한대에 접근한다. 이 결과 전치왜곡기의의 이득함수인,역시 무한대에 접근하여 포화점 근처에서 전력증폭기가 선형화될 수 있다.Is, Is the maximum value of the input amplitude applied near the saturation point of the amplifier. The derivative of is the maximum value of the input amplitude, Approaches infinity when This results in the predistorter Wow Gain function , Again, infinity, the power amplifier can be linearized near the saturation point.

은 도 4의 연산장치(AU : Arithmetic Unit)에서 다음과 같이 연산된다. and Is calculated in the Arithmetic Unit (AU) of FIG. 4 as follows.

여기서,은 출력신호의 진폭이고은 각각 증폭기 출력신호와 전치왜곡기 입력신호의 위상이다. 또한는 수렴속도에 영향을 미치는 위상변위 상수이다.here, Is the amplitude of the output signal and Are the phases of the amplifier output signal and the predistorter input signal, respectively. Also Is the phase shift constant that affects the convergence speed.

번째 연산구간에서 후치왜곡기의 다항식은 다음과 같다. The polynomial of the post-distorter in the first operation section is

여기서,이고는 후치왜곡기 이득다항식의 계수이다.here, ego And Is the coefficient of the post-distorter gain polynomial.

번째 연산구간에서번째 연산구간의 표본으로 구성된 RLS 알고리즘 오차함수는 다음과 같다. In the first operation interval The RLS algorithm error function composed of samples of the first operation interval is as follows.

번째 연산구간에서의 비용함수는 다음 식으로 주어진다. The cost function in the first operation section is given by the following equation.

을 각각 으로 편미분하고, RLS 알고리즘을 이용하면 진폭오차 및 위상오차를 최소화할 수 있다. 진폭오차 및 위상오차가 1% 이내로 수렴할 때의 전치왜곡기 이득다항식의 계수를 구하고 이 계수를 식 (3)과 식 (4)에 대입하면 전력증폭기 비선형성의 역함수 특성을 갖는 전치왜곡기이득다항식을 구하는 셈이 된다. 이에 따라 전력증폭 시스템은 선형화가 된다. and Each and Differentiate by and use the RLS algorithm to minimize the amplitude and phase errors. Obtaining the coefficients of the predistorter gain polynomial when the amplitude error and the phase error converge within 1%, and substituting these coefficients into equations (3) and (4), the predistorter gain polynomial having the inverse function of the power amplifier nonlinearity It is to find. As a result, the power amplification system is linearized.

이하에서는 본 발명에 따른 전력증폭기 선형화 시스템의 성능을 실시예를 통해 설명하기로 한다. 도 5는 일반 TWT 대전력 증폭기의 AM/AM 및 AM/PM 특성을 나타낸 도면이다. 상기 증폭기는 이동통신 기지국에 많이 사용하고 있는 SSPA(Solid State Power Amplifier)보다 비선형성이 심하다. 입력 변조신호는 25% 레이즈드 코싸인 휠터(raised cosine filter)를 거친 16 QAM 랜덤(random) 변조신호를 사용하고, 직교복조기는 완벽하다고 가정한다. 또한 전력증폭기의 포화영역에서의 선형성을 평가하기 위해피크(peak) 신호 전력에 대해 포화점에서 각각 0dB 입력 백오프를 가정한다.Hereinafter, the performance of the power amplifier linearization system according to the present invention will be described by examples. 5 is a diagram illustrating AM / AM and AM / PM characteristics of a general TWT large power amplifier. The amplifier has a higher nonlinearity than the solid state power amplifier (SSPA), which is widely used in mobile communication base stations. The input modulated signal uses a 16 QAM random modulated signal passed through a 25% raised cosine filter, and the quadrature demodulator is assumed to be perfect. Also, to evaluate the linearity in the saturation region of the power amplifier Assume 0 dB input backoff at the saturation point for peak signal power, respectively.

모의실험에 사용된 전치왜곡기 이득함수 다항식은 다음과 같다.The predistorter gain function polynomial used in the simulation is

전치왜곡기 다항식의 계수와 후치왜곡기 다항식의 계수 벡터는 각각 다음과 같이 초기화한다.The coefficients of the predistorter polynomial and the coefficient vectors of the postdistorter polynomial are initialized as follows.

이 알고리즘에서 사용한 위상변위 상수()는이고 전치왜곡기의 수렴 후 다항식의 계수들은 다음과 같다.The phase shift constant used in this algorithm ( ) The coefficients of the polynomial after convergence of the predistorter are

도 6은 본 발명에 따른 증폭기 출력에서의 진폭 및 위상의 정규화된 절대오차를 나타낸 도면이다. 도 6은 오차의 최대치로 정규화된 입,출력 진폭 및 위상오차를 보여주고 있다. 증폭기의 출력 진폭오차는 51번째 연산구간에서, 위상오차는 48번째 연산구간에서 각각 1% 이내로 수렴한다.Figure 6 shows the normalized absolute error of amplitude and phase at the amplifier output according to the present invention. Figure 6 shows the input and output amplitudes and phase errors normalized to the maximum of the error. The amplifier's output amplitude error converges within the 51st operation period and the phase error within 1% of the 48th operation period.

도 7은 본 발명에 따른 전치왜곡기의 유무에 따른 증폭기 출력의 전력 스펙트럼 밀도를 데시벨(dB)로 나타낸 것이다. 점선은 휠터링된 16 QAM 입력신호를 나타내고, 실선은 전치왜곡기가 없을 때 전력증폭기의 비선형성으로 인한 스펙트럼 재성장(spectral regrowth) 특성을 나타내고 있다. 증폭대역 가장자리에서 약 65dB의 스펙트럼 재성장 특성을 보이고 있다. 일점쇄선은 식 (1)과 식 (2)를 이용한 기존의 7차 다항식형 전치왜곡기를 사용했을 때 약 27dB의 개선효과를 보인다. 따라서 기존의 방법과 같이 7차 다항식형 전치왜곡기로는 포화영역에서 선형화 성능이 우수하지 않음을 뜻한다. 대쉬(dash)로 표기된 것은 본 발명에서 제안한 장치와 기술로 모의실험 했을 때의 선형화 성능을 보여주고 있다. 증폭대역의 가장자리에서 약 63dB의 스펙트럼 개선효과가 있음을 알 수 있다. 따라서 본 발명에서와 같이 최적화된 계수를 갖는 전치왜곡 이득 다항식을 이용함으로써 증폭기를 포화점 근처에서 동작시킬 때에도 증폭기의 선형성을 크게 개선할 수 있다.Figure 7 shows the power spectral density in decibels (dB) of the amplifier output with or without a predistorter according to the present invention. The dotted line represents the filtered 16 QAM input signal, and the solid line represents the spectral regrowth characteristics due to the nonlinearity of the power amplifier in the absence of the predistorter. At the edge of the amplification band, it exhibits about 65dB of spectral regrowth. The single-dot chain line uses the existing 7th order polynomial predistorter using equations (1) and (2). The improvement is about 27dB. Therefore, like the conventional method, the 7th-order polynomial predistorter does not have good linearization performance in the saturation region. The dashes show the linearization performance when simulated with the proposed device and technique. It can be seen that there is a spectral improvement effect of about 63 dB at the edge of the amplification band. Therefore, by using the predistortion gain polynomial having an optimized coefficient as in the present invention, the linearity of the amplifier can be greatly improved even when the amplifier is operated near the saturation point.

또한, 기존의 다항식형 전치왜곡기에서는 증폭기가 포화영역 근처에서 동작할 때, 선형화기의 성능은 현저하게 감소하는데 이는 포화영역 근처에서 증폭기의 역 비선형 특성을 다항식으로는 근사화 할 수 없기 때문이다. 본 발명에서는 이 문제를 해결하기 위하여 다항식형 전치왜곡 선형화기에서 포화영역 근처까지 전력증폭기의 특성을 선형화 할 수 있도록 전치왜곡기 이득 다항식의 계수를 최적화하였다. 이 최적화된 계수를 이용하면 시스템의 전치왜곡 이득함수가 포화점 근처에서도 전력증폭기의 비선형 특성을 충분히 보상할 수 있다. 따라서, 전력증폭기의 입력레벌을 백오프하지 않고 포화영역 주변의 선형화가 가능하며 전력증폭기는 포화영역에서 동작시킬 때 전력효율이 가장 우수하므로 본 발명에서와 같은 전력증폭 시스템은 높은 선형성, 최적 효율 및 높은 출력전력을 얻을 수 있다.In addition, in the conventional polynomial predistorter, when the amplifier operates near the saturation region, the performance of the linearizer is significantly reduced because the inverse nonlinear characteristics of the amplifier near the saturation region cannot be approximated by the polynomial. In order to solve this problem, the coefficient of the predistorter gain polynomial is optimized to linearize the characteristics of the power amplifier from the polynomial predistortion linearizer to near the saturation region. Using this optimized coefficient, the system's predistortion gain function can sufficiently compensate for the nonlinear characteristics of the power amplifier even near the saturation point. Therefore, it is possible to linearize around the saturation region without backing off the input level of the power amplifier. Since the power amplifier has the best power efficiency when operating in the saturation region, the power amplifier system as in the present invention has high linearity, optimum efficiency and High output power can be obtained.

또한 기저대역에서 전치왜곡하므로써 안정된 특성을 얻을 수 있으며 GSM(Global System for Mobile Communications)과 같은 협대역(narrow band) 시스템이나 그 외의 많은 경우들에서도 대역 외의 ACPR은 -71dB 이하이면 충분하므로, 연산시간을 줄이기 위해 전치왜곡기의 이득함수 중 몇 개의 항은 생략할 수 있다.In addition, a stable characteristic can be obtained by predistorting at baseband, and in a narrow band system such as GSM (Global System for Mobile Communications) or in many other cases, out-of-band ACPR is sufficient to be below -71dB, so that the computation time Some of the gain functions of the predistorter can be omitted to reduce the

이상의 설명에서와 같이, 본 발명에 의하면 기저대역에서 전치왜곡하는 구조를채택하고 최적화된 계수를 갖는 전치왜곡기의 이득 다항식을 이용하므로써 포화영역에서의 선형화기 성능을 향상시킬 수 있다. 종래에는 IF로 변조된 QAM 신호를 아날로그 소자를 사용하여 전치왜곡 하였지만, 본 발명에서는 기저대역 QAM 신호의 동위상 성분과 직교위상 성분을 DSP 연산을 통하여 전치왜곡 한 뒤 변조하는 방식을 채택하였으며, 아날로그 전치왜곡기와 포락선 검파기를 가진 회로는 제작과 튜닝(tuning)에 어려움이 있고 그 특성이 불안정하므로 본 발명에서는 전치왜곡을 포함한 대부분의 연산이 DSP로 이루어지도록 함으로써 시스템의 구현이 보다 간단하고 선형성이 향상되는 효과가 있다.본 발명에 따르면 TWT 증폭기와 같은 비선형성이 강한 증폭 시스템 뿐만 아니라 이동통신 시스템에서 많이 사용하고 있는 SSPA와 같은 증폭기에도 도입하여 선형화 성능 및 전력효율을 크게 개선할 수 있는 장점이 있다.As described above, according to the present invention, the linearizer performance in the saturation region can be improved by adopting a predistortion structure at baseband and using a gain polynomial of a predistorter having an optimized coefficient. Conventionally, the QAM signal modulated by IF is predistorted using an analog device. However, in the present invention, a method of pre-distorting the in-phase component and quadrature component of the baseband QAM signal through DSP operation is adopted. Since the circuit with the predistorter and the envelope detector has difficulty in fabrication and tuning and its characteristics are unstable, in the present invention, the implementation of the system is simpler and the linearity is improved by allowing most operations including the predistortion to be performed by the DSP. According to the present invention, the linearization performance and power efficiency can be greatly improved by introducing not only a nonlinear amplification system such as a TWT amplifier but also an amplifier such as SSPA which is widely used in a mobile communication system. .

Claims (4)

전력증폭기의 비선형 성분에 의한 신호의 왜곡 성분을 상쇄시키기 위하여 비선형 전력증폭기 앞단에 입력신호와 전력증폭기 사이에 비선형 회로를 삽입하고, 기저대역 QAM 신호의성분을 IF로 변조하기 전에 A/D 변환하는 제 1 AD변환기와;A nonlinear circuit is inserted between the input signal and the power amplifier in front of the nonlinear power amplifier in order to cancel the distortion component of the signal caused by the nonlinear component of the power amplifier. A first AD converter for A / D converting the component before modulating the IF; 전력증폭기의 출력을 직교복조기에서 직교복조한신호를 A/D 변환하는 제 2 AD변환기를 포함하는 전력증폭기 선형화장치에 있어서,전력증폭기의 비선형 성분에 의한 신호의 왜곡 성분을 상쇄시키기 위한 통상의 전력증폭기 선형화장치에 있어서,Orthogonal demodulation of the power amplifier output in an orthogonal demodulator A power amplifier linearization device comprising a second AD converter for A / D converting a signal, the conventional power amplifier linearization device for canceling a distortion component of a signal by a nonlinear component of the power amplifier, 상기 제 1 AD변환기 및 제 2 AD변환기에서 변환된 신호들이 들어가서 RLS 알고리즘을 이용하여 최적화하고 그로부터 전치왜곡 다항식의 계수를 추출하는 디지털 신호처리장치(DSP)와;A digital signal processing device (DSP) for inputting the signals converted by the first AD converter and the second AD converter, optimizing using an RLS algorithm, and extracting coefficients of the predistortion polynomial therefrom; 상기 디지털 신호처리장치(DSP)에서 연산된를 아날로그 신호로 변환하는 DA변환기를 포함한 것을 특징으로 하는 디지털 신호처리장치(DSP)를 이용한 전력증폭기의 선형화장치.Calculated by the digital signal processing device (DSP) Linear amplifier of the power amplifier using a digital signal processing device (DSP), characterized in that it comprises a DA converter for converting the analog signal. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 디지털 신호처리장치(DSP)에서 임의의번째 연산구간에서의 기저대역 전치왜곡기의 이득은 다음의 다항식에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 디지털 신호처리장치(DSP)를 이용한 전력증폭기의 선형화장치.Anything in the digital signal processing device (DSP) The gain of the baseband predistorter in the second operation section is a linearizer of the power amplifier using a digital signal processing device (DSP), characterized in that calculated by the following polynomial. (여기서은 전치왜곡기 다항식의 차수(order)이고,,,은 다항식의번째 계수이며,은 입력신호의 진폭이며, 상기 다항식에서(here Is the order of the predistorter polynomial, , and , Is polynomial Th coefficient, Is the amplitude of the input signal, in the polynomial 이며 이때,는 증폭기의 포화점 근처까지 인가되는 입력 진폭의 최대값이다 )Where Is the maximum input amplitude applied near the amplifier's saturation point. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 디지털 신호처리장치(DSP)에서 임의의n번째 연산구간에서의 기저대역 후치왜곡기의 이득은 다음의 다항식에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 디지털 신호처리장치(DSP)를 이용한 전력증폭기의 선형화장치.In the digital signal processing apparatus (DSP), the gain of the baseband post-distorter in any n- th operation period is calculated by the following polynomial, and the linearization device of the power amplifier using the digital signal processing apparatus (DSP) . ( 여기서,이고는 후치왜곡기 이득다항식의 계수이며, 상기 다항식에서( here, ego And Is the coefficient of the post-distorter gain polynomial, 이고 이때은 출력신호의 진폭이고,은 증폭기 출력신호의 위상이고,은 전치왜곡기 입력신호의 위상이고,는 수렴속도에 영향을 미치는 위상변위 상수이다)Where Is the amplitude of the output signal, Is the phase of the amplifier output signal, Is the phase of the predistorter input signal, Is the phase shift constant that affects the speed of convergence) 제 2항 또는 제 3항에 있어서,The method of claim 2 or 3, 번째 연산구간에서번째 연산구간의 표본으로 구성된 RLS 알고리즘 오차함수가 In the first operation interval RLS Algorithm Error Function 의 수식에 의해 계산되며,Calculated by the formula of, 번째 연산구간에서의 비용함수는 The cost function in the first operation section is 의 수식에 의해 계산되며,을 각각 으로 편미분하고, 알고리즘을 이용하여 진폭오차 및 위상오차를 최소화하는 것을 특징으로 하는 디지털 신호처리장치(DSP)를 이용한 전력증폭기의 선형화장치.Calculated by the formula of, and Each and A linearization device of a power amplifier using a digital signal processing device (DSP), characterized in that the partial differential, and to minimize the amplitude error and phase error using an algorithm.
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