KR100558105B1 - Ｒｆ 전력 증폭기의 동적 바이어스 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전력 제어 신호에 응답하여 RF 송신기 증폭기의 동작 바이어스를 동적으로 조정하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 본 발명은 이용가능한 전원이 제한되어 있는 분야에 고효율의 RF 전력 증폭을 제공한다. 본 발명은 동적 증폭기 동작 바이어스를 충족하도록 검출기 및 전압-전류 변환기를 구비한 무선 통신 시스템 구조에 내재하는 전력 제어 신호를 사용한다.

Description

ＲＦ 전력 증폭기의 동적 바이어스 시스템 및 방법{DYNAMIC BIAS FOR RF POWER AMPLIFIERS}
본 발명은 일반적으로 무선 디지털 통신 시스템에 관한 것이고, 더 구체적으로는, 무선 통신을 전송하기 위해 사용되는 무선 주파수(Radio Frequency; RF) 전력 증폭기를 동적으로 바이어스하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
전형적으로, 디지털 통신 시스템은 진폭, 주파수 또는 위상이 변화하는 변조 기술에 의해 연속 주파수 반송파를 이용하여 정보 또는 데이터를 전송한다. 변조 후에, 신호가 증폭되고 통신 매체를 통하여 전송된다.
다중 접속 통신 시스템은 정보를 전송 또는 수신하기 위하여 다수의 가입자 유닛이 동일한 통신 매체에 접근할 수 있게 한다. 통신 매체는 일반적으로 통신 채널이라고 부르며, 정보를 하나의 위치로부터 다른 위치로 이송한다. RF 통신에 있어서, 채널은 수 kHz의 저주파수로부터 수 MHz의 단파, 수백 MHz까지 신장하는 고주파수 및 초고주파수, 그 다음에 대략 1 GHz에서 시작하는 마이크로파 영역까지 신장하는 전자기 주파수 스펙트럼이다.
종래의 다중 접속 통신 시스템은 도 1에 도시되어 있다. 주파수 분할 다중 접속(FDMA), 시분할 다중 접속(TDMA), 반송파 감지 다중 접속(CSMA), 코드 분할 다 중 접속(CDMA) 등과 같은 통신 기술은 하나 이상의 가입자 유닛이 동일한 통신 매체에 접속하는 것을 가능하게 한다. 이 기술들은 함께 혼합되어 다중 접속 방식의 하이브리드 변종(hybrid variety)을 생성한다. 예를 들어, 제안된 제3세대 무선 프로토콜의 시분할 듀플렉스(TDD) 모드는 TDMA와 CDMA의 합성체이다.
종래의 CDMA 무선 통신 시스템의 일예는 도 2에 도시되어 있다. 통신 데이터는 의사 잡음(PN) 신호로 전송될 데이터를 변조함으로써 광역화 대역(확산 스펙트럼)으로 전송된다. 전송될 데이터 신호는 수백만 헤르쯔일 수 있는 주파주 대역상에 분포된 단지 수천 헤르쯔의 대역폭을 가질 수 있다. 통신 채널은 복수개의 독립 서브채널(subchannel)에 의해 동시에 사용된다. 각각의 서브채널에 대하여 다른 모든 서브채널들은 간섭으로써 나타난다.
도시되어 있는 바와 같이, 주어진 대역폭의 단일 서브 채널은 광대역폭 PN 시퀀스 발생기에 의해 발생된 소정의 패턴을 반복하는 독특한 확산 코드와 혼합된다. 상기 독특한 확산 코드는 확산 코드간의 교차 상관이 제로에 가깝게 되도록 서로에 대해 일반적으로 의사 직교(pseudo-orthogonal)한다. 데이터 신호는 PN 시퀀스로 변조되어 디지털 확산 스펙트럼 신호를 생성한다. 그 다음에, 반송파 신호는 디지털 확산 스펙트럼 신호로 변조되어 전송된다. 수신기는 전송 신호를 복조하여 디지털 확산 스펙트럼 신호를 추출한다. 전송된 데이터는 정합 PN 시퀀스와의 상관 후에 재생된다. 확산 코드가 서로에 대해 직교할 때, 수신된 신호는 특수한 확산 코드에 관련된 소망의 가입자 유닛 신호만이 강화되고 다른 모든 가입자 유닛용의 다른 신호들은 강화되지 않도록 특수한 확산 코드에 관련된 특수한 가입자 유닛 신 호와 상관될 수 있다.
CDMA 시스템 내의 많은 서브채널들이 동일한 대역폭을 공유하기 때문에, 종래의 대부분의 무선 통신 시스템들은 하나의 서브채널이 다른 서브채널을 방해(jamming)하지 않도록 소정 형태의 적응성 전송 전력 제어(TPC)를 이용한다. 가입자 유닛 또는 기지국이 특정 신호를 수신하면, 모든 다른 서브채널 또는 가입자 유닛의 신호들은 잡음으로써 나타난다. 그러므로, 하나의 가입자 유닛의 신호의 출력 레벨을 증가시키면 다른 모든 가입자 유닛에 나타나는 잡음이 증가한다.
종래의 CDMA 통신 시스템에 있어서, 기지국은 통신 신호를 다운링크를 통해 특정 가입자 유닛에 전송한다. 통신 신호를 수신하면 정성(qualitative) 신호 측정이 행하여지고 비교된다. 그 비교에 기초하여, TPC 신호가 업링크를 통해 기지국으로 보내져서 기지국이 상기 특정 가입자 유닛에 보내는 전송 전력을 증가시키거나 또는 감소시키게 한다. 이러한 방법은 순방향 채널 전력 제어라고 알려져 있다. 이와 반대로, 가입자 유닛으로부터 기지국으로 보내지는 전송을 위한 전력 제어는 역방향 채널 전력 제어라고 알려져 있다.
전송을 위한 신호 출력의 전력 레벨은, 전치 구동기단, 가변 이득 증폭기, 감쇠기 등을 이용하여 TPC 신호로 RF 증폭기에 입력되는 신호 진폭을 조정함으로써 영향을 받는다. 그러나, 증폭기의 이득 및 바이어스는 그대로 고정되어 있다. 따라서, 전송된 신호의 진폭이 증가되거나 감소되는 경우에도 증폭기의 동작점은 일정하다.
제안된 제3세대 무선 프로토콜은 광대역폭의 고속 데이터 전송 통신을 제공 한다. 제안된 대역폭은 5∼10 MHz 통신 채널이다. 그러나, 대략 10∼15 dB의 빠른 페이딩이 발생하는 것으로 알려져 있다. 예를 들어, 휴대용 가입자 유닛이 규정된 셀의 경계에 위치하고 최대 전력으로 전송하는 경우에는 순간 시간 증가에 대하여 10∼15 dB의 전송 출력 전력 마진이 필요하다. 그러한 조건이 도 3에서 시간(초) 대 가입자 유닛 출력 전력(dB)의 형태로 그래프적으로 도시되어 있다. 평균 전송 출력 전력 범위는 12∼17 dB이다. 평균 전송 전력 이상의 과도 피크(transient peak)의 발생은 도 3에 도시된 16초의 시간 분포 샘플에서 약 1∼10 %의 양을 갖는다. 이것은 높은 전송 전력이 필요한 제한된 기간을 나타낸다.
데이터 신호를 변조하는 가장 통상적인 방법은 입력 신호에 따라 미리 규정된 반송파 주파수의 진폭 및 위상을 변화시키는 직교 진폭 변조(QAM) 방법이다. 그 이유는, 진폭 정보를 거의 또는 전혀 포함하지 않는 주파수 변조(FM), 주파수 편이 변조(FSK), 위상 편이 변조(PSK), 또는 이진 위상 편이 변조(BPSK)와는 다르게, 많은 종류의 QAM(64QAM, 256QAM 등) 및 직교 위상 편이 변조(QPSK)는 진폭 정보를 변조의 일부로서 포함시킴으로써 이용가능한 대역폭을 더 효율적으로 사용하기 때문이다. 신호를 적절하게 증폭하기 위하여, 송신기 전력 증폭기는 선형 모드로 동작하여야 한다. 변조기 포트에서 입력 신호의 동적 범위는 매우 커질 수 있다. 예를 들어, 제3세대 무선 프로토콜에서 입력 신호의 정점 대 평균 비율은 10 dB 이상일 수 있다.
큰 과도 피크는 좋지 않다. 전송 출력 전력이 3 dB 증가할 때마다, 2배의 베이스 RF 증폭 전력(와트)이 필요하고, 이것은 증폭기를 그 응답 곡선의 비선형 동 작 영역으로 들어가게 할 수 있다. 그 결과 대역외 방사를 증가시키고 증폭기 효율을 저하시킨다. 또한, 증폭기의 전원은 예상되는 최대 과도값보다 더 큰 용량을 가져야 한다. 이것은 배터리로 동작하는 휴대용 장치에 있어서 특히 좋지 않다. 높은 과도값에 대응하는 고전력 레벨용으로 설계하기 위해서는 더 복잡한 증폭기 회로가 필요하다. 그렇지 않으면, 증폭기 이득과 배터리 수명과 통신 시간 사이에서 타협이 이루어질 것이다.
종래의 기술에는 사전 왜곡 발생기, 엔벨로프 피드백 보정 및 피드 포워드 오차 보정과 같은 RF 전력 증폭기의 효율을 증가시키기 위한 많은 기술들이 공지되어 있다. 그러나, RF 전력 증폭기 효율을 증가시키기 위하여 종래에 사용되었던 방법들은 기존의 설계 문제를 악화시킨다.
따라서, 종래 기술과 관련된 문제점들을 해결할 수 있는 RF 증폭기의 필요성이 존재한다.
본 발명은 전송 전력 제어(TPC) 신호에 응답하여 RF 송신기 증폭기의 동작 바이어스를 동적으로 조정하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 본 발명은 이용가능한 전원이 제한되어 있는 분야에 고효율의 RF 전력 증폭을 제공한다. 본 발명은 전송 전력 수요에 직접 대응하는 증폭기 동작 바이어스를 충족하도록 검출기 및 전압-전류 변환기를 구비한 임의의 통신 구조에 내재하는 TPC 신호를 사용한다.
따라서, 본 발명은 신호 증폭 요구에 따라서 RF 증폭기의 동작 바이어스를 동적으로 조정하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 시스템 및 방법의 기타 목적 및 장점들은 당업자라면 양호한 실시예에 관한 이하의 상세한 설명으로부터 명확히 알 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 다중 접속 통신 시스템의 체계를 간단히 나타낸 도.
도 2는 종래의 무선 통신 시스템의 체계를 간단히 나타낸 도.
도 3은 단기간 피크 전력 수요를 나타낸 도.
도 4는 본 발명의 체계도.
도 5는 본 발명의 입력 전력 대 출력 전력 관계를 나타낸 도.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도면 전체에 있어서 동일한 부호는 동일한 구성 요소를 나타낸다.
도 4에는 가입자 유닛 내에 통합된 본 발명의 동적 바이어스 증폭 시스템(10)이 도시되어 있다. 그러나, 당업자라면 이 시스템이 기지국의 일부로써 통합될 수도 있다는 것을 알 것이다. 상기 시스템(10)은 통신 신호 입력단(20), 증폭기(12), 검출기(14), 전력 제어 신호 입력단(22), 전압-전류 변환기(16), 전류 미러(18) 및 출력단(24)을 포함한다. 편의상, 본 발명을 설명함에 있어서, TPC 신호를 사용하는 무선 통신 시스템을 참조하여 설명한다. 그러나, 본 기술 분야의 당업자라면 본 발명이 전력 제어 신호를 사용하는 어떠한 종류의 통신 시스템에도 활용될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
통신 신호 입력단(20)은 전송 준비가 완료된 입력 무선 통신 신호(32)를 제 공한다. 이 입력 무선 통신 신호(32)는 음성, 데이터, 또는 무선 통신 시스템에 의해 전송될 수 있는 어떤 다른 종류의 무선 신호도 포함할 수 있다.
RF 증폭기(12)는 입력 신호(32)를 수신하고 그 입력 신호(32)의 전력을 선형으로 증가시켜 더 큰 전력 레벨의 출력 신호(38)를 제공한다. RF 증폭기(12)는 한개 또는 복수개의 이득단, 상기 각 이득단용의 한개 또는 복수개의 바이어스 조정 수단, 입력 스케일링 등을 포함할 수 있다. RF 증폭기(12)의 회로 토폴로지는 여기에서의 설명의 범위를 벗어난다.
검출기(14)는 확산 통신 신호에서 변조 성분을 제거하고 시간에 따라 천천히 변화하는 DC 전압 출력 신호(28)를 제공한다. 검출기(14)의 출력은 전압-전류 변환기(16)의 제1 입력에 결합된다.
제어 입력단(22)은 TPC 신호(26)를 제공한다. TPC 신호(26)의 발생 및/또는 TPC 처리에 관한 상세한 내용은 여기에서의 설명의 범위를 벗어난다. 그러나, 일반적으로, TPC 신호(26)는 기지국(또는 가입자 유닛)으로부터 유도되고, 가입자 유닛(또는 기지국)(즉, 대응하는 통신 엔티티)의 전송 전력의 정성 측정을 수행한다. 기지국 또는 가입자 유닛은 대응하는 통신 엔티티에 TPC 신호(26)를 전송하여 상기 대응하는 통신 엔티티가 기지국 또는 가입자 유닛에 의해 수행된 계산에 따라 그 전력을 증가시키거나 감소시키게 한다.
전압-전류 변환기(16)는 2개의 입력을 수신하며, 그 입력을 스케일링하고 합성하여 전류 출력 신호(30)를 발생한다. 그 제1 입력은 검출기 출력 신호(28)이고, 제2 입력은 TPC 신호(26)이다. 전압-전류 변환기(16)는 상기 입력들(26, 28)을 수 신하여 그 입력들(26, 28)을 스케일링 즉 가중하고, 이하(수학식 1)의 미리 정해진 공식에 따라 그 입력들(26, 28)을 합성하여 전류 출력 신호(30)를 형성한다.
Figure 112002031691253-pct00001
여기에서 P는 검출기 출력 신호(28)이고, V는 TPC 신호(26)이며, W1과 W2는 동적 전력 제어 범위, 파형의 피크 대 평균 비율 및 사용된 전력 증폭기의 구조의 함수인 설계 특성 상수이다.
전류 출력 신호(30)는 전류 미러(18)의 하나의 입력에 결합된다. RF 증폭기(12)의 출력(38)으로부터의 피드백 라인(36)은 전류 미러(18)의 제2 입력에 결합된다. 전류 미러(18)는 상기 2개의 입력 신호(30, 36)를 비교하여 바이어스 전류 신호(34)를 출력한다. 도시되어 있는 바와 같이, 출력 바이어스 전류 신호(34)는 TPC 신호(26)와 증폭기(12)의 출력(38) 모두에 관련된다. 예를 들어, TPC 신호(26)가 하이일 때, 이것은 기지국이 가입자 유닛으로부터 더 큰 전송 전력을 요구한다는 것을 나타낸다. 종래 기술에서 설명된 것처럼, TPC 신호(26)는 가입자 유닛에 의해 전송되는 신호의 전력을 적절히 증가시키거나 감소시킨다. 2개의 입력 신호(30, 36)는 비교를 위해 스케일링된다. 전류 출력 신호(30)가 RF 증폭기(12)의 출력(38)보다 더 높으면, 전류 미러(18)는 바이어스 전류 신호(34)를 증가시킨다. 유사하게, 전류 출력 신호(30)가 RF 증폭기(12)의 출력(38)보다 더 낮으면, 전류 미러(18)는 바이어스 전류 신호(34)를 감소시킨다.
비교 처리를 통하여, 전류 미러(18)는 더 크거나 더 작은 바이어스 전류를 생성하고, 이것에 의해 RF 증폭기(12)의 선형 동작 영역에 영향을 미친다. 이것은 RF 증폭기(12)가 선형 동작 영역에 유지되고 있는 동안 부가적인 헤드룸(headroom)을 제공한다. TPC 신호(26)가 감소하면, RF 증폭기(12)는 높은 바이어스가 더 높은 전력 소모를 야기하므로 큰 바이어스 전류를 요구하지 않는다. 따라서, 바이어스 전류가 저하되어 전력 소모를 감소시킨다.
도 5는 증폭기 입력 전력(Pin) 대 증폭기 출력 전력(Pout)의 비와 동일한 증폭기 이득을 나타내는 도이다. 1 dB 압축 지점(P1dB)은 증폭기 이득이 비선형으로 되는 지점이다. 바이어스 2에 대한 1 dB 압축 지점(지점 A)은 바이어스 1에 대한 1 dB 압축 지점(지점 B)보다 낮은 출력 전력에서 발생한다. 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명에 의해 유도된 동적 바이어싱 값은 증폭기의 선형 동작 영역을 확장한다. 따라서, 출력 전력이 감소하면 바이어스 전류가 그에 따라 감소하지만, 선형 증폭 동작을 여전히 제공한다. 입력 전력이 증가하면 바이어스 전류 레벨이 증가하여 선형 동작을 유지한다.
본 발명은 통계적으로 종래의 보상 기술보다 우수하다. 송신기에 의해 요구되는 최대 전력이 전체 전송 시간의 수 %에 불과하므로, TPC 신호를 동적으로 추적함으로써, 본 발명의 동적으로 바이어스된 RF 전력 증폭기는 전력 소모를 크게 개선한다.
지금까지 본 발명을 양호한 실시예에 따라 설명하였지만, 이하의 특허 청구 범위에서 규정하는 발명의 범위 내에서 다른 변형이 이루어질 수 있음은 명백하다.

Claims (10)

  1. 통신 신호를 수신하기 위한 제1 신호 입력단과 신호 출력단 및 바이어스 입력단을 구비하고 통신 신호를 증폭하는 RF 전력 증폭기를 동적으로 바이어스하는 시스템에 있어서,
    상기 통신 신호를 수신하고 상기 통신 신호로부터 변조 성분을 제거하여 검출기 출력 신호를 제공하는 검출기와;
    TPC 신호를 제공하기 위한 제2 신호 입력단과;
    상기 검출기 및 상기 제2 신호 입력단에 결합되고 상기 TPC 신호 및 상기 검출기 출력 신호를 스케일링 및 합성하여 전류 신호를 생성하는 변환기와;
    상기 증폭기 출력단 및 상기 변환기에 결합되고 상기 신호 출력과 상기 전류 신호를 비교하여 바이어스 신호를 생성하는 전류 미러를 포함하며;
    상기 바이어스 입력단이 상기 바이어스 신호를 수신하여 상기 증폭기의 바이어스 지점을 동적으로 조정하는 것인 RF 전력 증폭기의 동적 바이어스 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 변환기는 상기 TPC 신호 및 상기 검출기 출력 신호를 둘다 가중하고, 그 다음에 상기 TPC 신호와 상기 검출기 출력 신호를 합성함으로써 상기 처리를 수행하는 것인 RF 전력 증폭기의 동적 바이어스 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전류 미러는 상기 비교를 행하기 전에 상기 전류 신호와 상기 피드백 신호를 스케일링하는 동작을 더 수행하는 것인 RF 전력 증폭기의 동적 바이어스 시스템.
  4. 제2항에 있어서, 상기 전류 미러는 상기 비교를 행하기 전에 상기 전류 신호와 상기 피드백 신호를 스케일링하는 동작을 더 수행하는 것인 RF 전력 증폭기의 동적 바이어스 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 통신 신호는 CDMA 신호인 것인 RF 전력 증폭기의 동적 바이어스 시스템.
  6. 통신 신호를 수신하기 위한 제1 신호 입력단과 신호 출력단 및 바이어스 입력단을 구비하고 통신 신호를 증폭하는 RF 전력 증폭기를 동적으로 바이어스하는 방법에 있어서,
    상기 통신 신호를 수신하고 상기 통신 신호로부터 변조 성분을 제거하여 검출기 출력 신호를 제공하는 단계와;
    TPC 신호를 제공하는 단계와;
    전류 신호를 발생하기 위해 상기 TPC 신호 및 상기 검출기 출력 신호를 처리하는 단계와;
    바이어스 신호를 생성하기 위해 상기 전류 신호와 상기 RF 전력 증폭기 출력 으로부터의 피드백 신호를 수신하고 상기 전류 신호와 상기 피드백 신호를 비교하는 단계와;
    상기 바이어스 신호를 이용하여 상기 증폭기의 바이어스 지점을 동적으로 조정하는 단계를 포함하는 RF 전력 증폭기의 동적 바이어스 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 처리 단계는 상기 TPC 신호 및 상기 검출기 출력 신호를 둘다 가중하고, 그 다음에 상기 TPC 신호와 상기 검출기 출력 신호를 합성하는 단계를 포함하는 것인 RF 전력 증폭기의 동적 바이어스 방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 비교 단계는 상기 비교를 행하기 전에 상기 전류 신호와 상기 피드백 신호를 스케일링하는 단계를 더 포함하는 것인 RF 전력 증폭기의 동적 바이어스 방법.
  9. 제7항에 있어서, 상기 비교 단계는 상기 비교를 행하기 전에 상기 전류 신호와 상기 피드백 신호를 스케일링하는 단계를 더 포함하는 것인 RF 전력 증폭기의 동적 바이어스 방법.
  10. 제6항에 있어서, 상기 통신 신호는 CDMA 신호인 것인 RF 전력 증폭기의 동적 바이어스 방법.
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