KR100584321B1 - 카르테시안 피드백 루프 회로를 포함하는 ｔｄｍａ 방식송수신 장치 - Google Patents

카르테시안 피드백 루프 회로를 포함하는 ｔｄｍａ 방식송수신 장치 Download PDF

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본 발명은 TDMA 방식 이동통신단말기의 송수신 장치에 있어서, 안테나를 통해 송신할 신호를 변조하고 증폭하는 송신부와, 안테나를 통해 신호를 수신하여 복조하는 수신부와, 상기 송신부의 출력 신호를 상기 수신부의 입력단에 결합시키고 상기 수신부의 출력 신호를 상기 송신부의 입력단으로 결합시켜, 상기 송신부 동작시 송신 신호를 상기 수신부를 통해 피드백하여 선형화하기 위한 피드백부를 포함한다.
카르테시안 피드백 루프, 전력 증폭기, 선형화기, TDMA 단말기, TDD

Description

카르테시안 피드백 루프 회로를 포함하는 ＴＤＭＡ 방식 송수신 장치{TDMA TYPE TRANSCEIVER HAVING CARTESIAN FEEDBACK LOOP CIRCUIT}
도 1은 GSM 타입의 이동통신시스템의 구성도,
도 2는 카르테시안 피드백 루프 회로를 설명하기 위한 도면,
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따라 단일밴드 GSM 단말기에서 카르테시안 피드백 루프 회로를 구현한 송수신 장치를 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따라 이중밴드 GSM 단말기에서 카르테시안 피드백 루프 회로를 구현한 송수신 장치를 도시한 도면.
본 발명은 시분할다중접속(time division multiple access, TDMA) 방식의 송수신 장치에 관한 것이다.
제2세대 이동통신시스템은 음성 중심의 서비스 뿐만 아니라 패킷 데이터 전송 서비스도 제공하는데, GSM(global system for mobile communications)에서는 이 를 위하여 GPRS(general packet radio service)를 도입하여 GSM 네트워크를 통해 최대 171 kbit/s 까지 데이터 전송이 가능하다.
최근 늘어나는 패킷 전송 수요를 충족시키기 위하여 도입된 EDGE(enhanced data rates for GSM evolution)에서는 변조 방식을 기존의 GMSK(gaussian minimum shift keying)에서 3pi/8 8-PSK(phase shift keying)로 변경하여 최대 473kbit/s의 전송 서비스를 제공할 수 있다.
그러나 이렇게 3pi/8 8-PSK로 변조된 신호는 포락선(envelope)이 시간에 따라 변하므로, 기존의 constant envelope 환경에서와 같이 비선형 전력 증폭기를 사용할 수 없다.
송신기(주로 전력 증폭기)의 비선형성은 전송되는 신호 스펙트럼을 인접 채널로 확장시키는 ACI(adjacent channel interference)를 초래한다. 선형 증폭을 달성하기 위한 가능한 해결책(solution)은 적절한 백오프(appropriate back-off)로 포화 영역 이하에서 동작하는 전력 증폭기를 사용하는 것이다. 그러나, 이러한 전력 증폭기는 낮은 전력 효율을 가지며, 그에 따라 제한된 배터리 용량을 요구하는 단말기에는 적합하지 않다. 이 문제는 전력 증폭기의 선형화 처리에 의해 해결될 수 있다.
즉, 전력 증폭기의 효율은 포화 영역 근처에서 최대가 되고 선형성과는 반비례하여, EDGE에서와 같이 전력 증폭기를 선형 영역에서 동작시키면 효율이 급격하게 떨어지게 단점이 있다. 따라서 이동통신 단말기와 같이 배터리의 사용 시간이 중요한 변수인 경우, 적절한 선형화 기법을 사용하여 선형성과 효율을 동시에 개선 하여야 한다. 종래에 카르테시안 피드백 루프(Cartesian feedback loop)가 전력 증폭기에 의한 비선형성을 보상하기 위해 사용되고 있다.
이와 같이, EDGE를 위한 이동통신단말기에서 선형성을 위해 카르테시안 피드백 루프는 필수적인 구성요소이지만 카르테시안 피드백 루프를 구성하기 위해서는 많은 회로 소자가 필요하므로, 단말기와 같이 제한된 면적에 적용하기에는 부적합하다.
따라서 본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 이동통신단말기에 용이하게 구현될 수 있는 카르테시안 피드백 루프 회로를 포함하는 TDMA 방식 송수신 장치를 제공함에 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, TDMA 방식 이동통신단말기의 송수신 장치에 있어서, 안테나를 통해 송신할 신호를 변조하고 증폭하는 송신부와, 안테나를 통해 신호를 수신하여 복조하는 수신부와, 상기 송신부의 출력 신호를 상기 수신부의 입력단에 결합시키고 상기 수신부의 출력 신호를 상기 송신부의 입력단으로 결합시켜, 상기 송신부 동작시 송신 신호를 상기 수신부를 통해 피드백하여 선형화하기 위한 피드백부를 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다. 이하 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 GSM 타입의 이동통신시스템의 구성도이다. 이동 통신 시스템은 기지국(BTS: Base transceiver station)들(20,22)을 포함한다. 기지국들(20,22)은 기지국 제어기(BSC : Base Station Controller)(30)에 연결되어 있다. 그리고 기지국들(20,22)은 해당 셀 영역(C1,C2)의 이동통신단말기(MS: Mobile Station)(10,12)와 무선 연결되어 이동 통신 서비스를 제공한다. 기지국 제어기(30)는 이동 통신 교환기(Mobile Telephone Switching Center)(40)에 연결되어 있다. 서비스 노드(SN: Service Node)(50)는 이동통신교환기(40)에 연결되어 이동통신시스템에 대하여 소정의 서비스를 지원한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 이동통신단말기(10)는 셀 C1에 위치하므로 시분할 다중 접속 방식(TDMA: Time division Multiple Access concept)에 따라 소정 무선 채널에 대하여 기지국 BTS(20)에 의해 이동통신 서비스가 제공된다. 물리적 무선 인터페이스는 TDMA 구조에 따라 분배되는데(divided) 즉, 무선 반송파는 타임 슬롯으로 분배된다. 프레임은 복수개의 연속적인 타임 슬롯으로 이루어지고 접속이 이루어지면 이동통신단말기는 각 업링크 및 다운링크에 대하여 프레임당 하나의 타임 슬롯으로 구성된 물리 채널을 사용한다.
이러한 GSM의 duplex 방식은 FDD(frequency division duplex) 방식으로, 업링크(uplink)와 다운링크(downlink)로 할당되는 채널은 정해진 주파수 간격(예를 들면, GSM900의 경우 45 MHz)을 두고 존재한다. 그런데 단말기와 기지국은 서로 일정한 타임슬롯(time slot)의 시간차를 두고 서로 송신하므로, 단말기의 입장에서 보면 송수신이 동시에 이뤄지지 않는다.
따라서 본 발명에서는 GSM 단말기와 같은 TDMA 방식의 송수신 장치(transceiver)에서 송신과 수신이 동시에 일어나지 않는 시스템의 경우, 송신 시 동작하지 않는 수신부를 이용하여 카르테시안 피드백 루프(Cartesian feedback loop)를 구현하여 송신부의 전력 증폭기를 선형화하기 위한 장치를 제공한다. 이하 먼저 카르테시안 피드백 루프에 대하여 설명한다.
도 2는 카르테시안 피드백 루프 회로를 설명하기 위한 도면이다. 카르테시안 피드백 루프는 전력 증폭기의 출력을 일부 복조(demodulation)하고 기저대역 입력단의 I(inphase) 성분과 Q(quadrature) 성분에 각각 피드백(feedback)하여 선형화시키는 일종의 간접(indirect) 피드백 회로이다.
구체적으로 도 2를 참조하면, 카르테시안 피드백 루프 회로는 카르테시안 루프 포워드 경로와 카르테시안 루프 피드백 경로를 갖는다. 먼저, 카르테시안 루프 포워드 경로에서, 변조 신호의 I 및 Q 성분이 카르테시안 루프에 인가되면, 먼저 비교기(10,12)에서 피드백 경로로부터의 I 및 Q 출력 신호와 감산이 행해진다. 그리고 카르테시안 루프 피드백 경로에서, 감산이 행해진 I 성분과 Q 성분은 IQ 변조기(20)에 의해 결합되고 변조되어 전력 증폭기(40)에 제공된다.
그리고 전력 증폭기(40)의 출력 신호는 결합기(50)에 의해 카르테시안 루프 피드백 경로로 인가되는데, 결합기(50)로부터의 신호는 위상 변위기(Phase Shifter)(60)에 제공된다. 위상 변위기(60)는 카르테시안 루프 포워드 경로의 신호와 카르테시안 루프 피드백 경로의 신호 간의 위상차를 보상하는 위상 조정(phase adjustment)을 위한 것이다. 그리고 위상 변위기(60)에서 위상 조정된 신호는 IQ 복조기(30)에 의해 복조된다. 그리고 이 IQ 복조기(30)로부터의 I 및 Q 성분은 각 증폭기(70,72)를 통해 비교기(10,12)에 각각 입력된다.
본 발명은 카르테시안 피드백 루프 회로를 GSM 단말기에서와 같은 송신과 수신이 동시에 일어나지 않는 TDMA 방식의 송수신 장치에서 송신 시 동작하지 않는 수신부를 이용하여 카르테시안 피드백 루프(Cartesian feedback loop)를 구현한다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따라 단일밴드 GSM 단말기에서 카르테시안 피드백 루프 회로를 구현한 송수신 장치를 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 단일밴드 GSM 단말기의 송수신 장치는 송신과 수신에 따라 안테나(102)를 선택적으로 사용하기 위해 안테나 스위치(104)와 신호를 수신하기 위한 수신부(110) 및 신호를 송신하기 위한 송신부(120)를 포함한다. 공지된 바와 같이 수신부(110)는 사용 신호 대역을 필터링하기 위한 필터(111), 필터(111)로부터의 신호를 저잡음 증폭하는 저잡음 증폭기(112), 저잡음 증폭기(112)로부터의 신호를 복조하는 IQ 복조기(113), IQ 복조기(113)로부터의 I 성분 신호 및 Q 성분 신호를 각각 증폭하는 증폭기(114,115)를 포함한다. 그리고 송신부(120)는 송신할 I 성분 및 Q 성분을 각각 증폭하는 증폭기(122,124), 증폭기(122,124)로부터의 출력을 변조하는 변조기(125), 변조기(125)로부터의 송신 신호를 전력 증폭하는 전력 증폭기(PA: power amplifier)(126)를 포함한다. 그리고, GSM 단말기의 송수신 장치 는 IQ 복조기(113) 및 변조기(125)에 국부 발진 주파수를 제공하기 위한 로컬 오실레이터(140)를 포함한다.
본 발명에 따라 단일밴드 GSM 단말기의 송수신 장치는 전력 증폭기(126)로부터의 출력 전력의 일부를 피드백시키기 위한 방향성 결합기(directional coupler)(130), 송신(Tx) 주파수 대역을 필터링하기 위한 대역통과 필터(band-pass filter)(132) 및 피드백 신호의 위상 조정을 위한 위상 변위기(phase shifter)(134)를 포함한다. 그리고 GSM 단말기의 송수신 장치는 피드백된 기저대역(baseband) 신호를 서로 비교하기 위하여 송신 I 및 Q 단에 각각 전압 비교기(comparator)(121,123)를 포함한다. 본 발명은 이들 피드백을 위한 구성요소를 포함하는 것으로 피드백부를 정의한다.
이러한 본 발명에 따른 단일밴드 GSM 단말기에서 전력 증폭기(126)의 출력은 방향성 결합기(130)에 의해 카르테시안 루프 피드백 경로에 입력된다. 방향성 결합기(130)의 출력은 송신 주파수 대역을 필터링하기 위한 대역통과 필터(132)를 거쳐 위상 변위기(134)에 입력된다. 위상 변위기(134)는 전술한 바와 같이, 카르테시안 루프 포워드 경로의 신호와 카르테시안 루프 피드백 경로의 신호 간의 위상차를 보상한다. 위상 변위기(134)의 출력은 수신부(110)의 저잡음 증폭기(112)에 입력된다. 그리고 저잡증 증폭기(112)로부터의 출력은 수신부(110)의 IQ 복조기(113)에 입력되어 복조된다. 이들 복조된 I 성분과 Q 성분은 비교기(121,123)에 각각 입력되어 송신 I 성분 신호와 Q 성분 신호로부터 감산된다.
이와 같이, 본 발명은 송신 시 사용하지 않는 수신부의 저잡음 증폭기(112), 다운 컨버젼 믹서, 증폭기 등을 이용하여 카르테시안 피드백 루프를 구현하여 송신부의 전력 증폭기에 따른 비선형성을 보상한다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따라 이중밴드(dual-band) GSM 단말기에서 카르테시안 피드백 루프 회로를 구현한 송수신 장치를 도시한 도면이다. 여기에서 GSM 단말기의 수신부(400) 및 송신부(500)의 동작 원리는 도 3에 관한 설명을 참조하는데, 수신부(400)의 IQ 복조기(230)에 연결된 구성요소들(240,250)은 IQ 복조기(230)로부터 출력되는 I 성분 및 Q 성분을 각각 증폭하기 위한 것이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 이중 밴드 GSM 단말기는 사용 주파수 대역이 2개이므로 수신부(400) 및 송신부(500)에서 각 주파수 밴드를 위한 경로를 갖는다. 이러한 이중 밴드 GSM 단말기는 송수신 장치의 구성에 추가하여 카르테시안 피드백 회로를 구현하기 위한 피드백부를 갖는다. 피드백부는 송신부(500)의 전력 증폭기(300,310)의 출력 전력의 일부를 피드백시키기 위한 방향성 결합기(directional coupler)(302,312), 각 밴드의 송신 주파수 대역을 필터링하기 위한 대역통과 필터(band-pass filter)(304,314) 및 피드백 신호의 위상 조정을 위한 위상 변위기(phase shifter)(330)를 포함한다. 또한, 피드백부는 하나의 LNA(Low-Noise Amplifier)(350)를 공유하기 위한 아날로그 스위치(320)를 포함하고, 카르테시안 피드백을 위한 나머지 구성요소는 수신부(400)의 회로를 공유하여 사용한다. 마지막으로 피드백부는 피드백된 기저대역(baseband) 신호를 서로 비교하기 위하여 송신 I 및 Q 단에 각각 전압 비교기(comparator)(280,290)를 포함한다.
이하, 도 4를 참조하여 본 발명에 따라 추가된 피드백부에 의해 구성된 카르테시안 피드백 루프의 동작 원리를 설명하면 다음과 같다. 우선 송신(Tx)시 해당 동작 밴드의 전력 증폭기(300,310)의 출력의 일부가 방향성 결합기(302,312)에 의해 추출된다. 이 때 결합비는 송신 전력에 영향을 미치지 않도록 적절한 값으로 결정해야 한다. 방향성 결합기(302,312)로부터의 신호는 각각 밴드의 송신(Tx )주파수 대역의 대역통과 필터(band-pass filter)(304,314)를 통해 아날로그 스위치(320)에 제공된다. 아날로그 스위치(320)는 동작 밴드의 대역통과 필터로 스위칭된다. 아날로그 스위치(320)에 의해 위상 변위기(330)에 입력된 신호는 카르테시안 루프 포워드 경로의 신호와 카르테시안 루프 피드백 경로의 신호 간의 위상차를 보상하도록 위상 조정(phase adjustment)된다. 그리고 위상 변위기(330)로부터 출력된 신호는 저잡음 증폭기(LNA: Low-Noise Amplifier)(350)에서 저잡음 증폭된다. 이 저잡음 증폭기(340)는 이중 밴드에서 동작하도록 설계되어야 한다. 저잡음 증폭기(340)로부터 출력 신호는 수신부(400)의 IQ 복조기(230)에 입력되어 복조된다. 그리고 복조된 I 및 Q 신호는 증폭된 후 비교기(180,182)에 입력되어 송신 I 및 Q 기저대역(baseband) 신호로부터 감산된다.
본 발명의 실시예들은 GSM 단말기에 적용된 경우이지만, 본 발명은 TDMA 방식으로 송신과 수신을 서로 다른 타임 슬롯에서 하는 통신 시스템의 단말기에 모두 사용 가능하다.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치 환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
본 발명에 따르면, TDMA 방식의 단말기에서 기존의 수신부를 이용하여 카르테시안 피드백 루프(Cartesian feedback loop)를 구성함으로써 최소한의 추가 회로만으로 전력 증폭기의 선형화 회로를 구성할 있으므로, 큰 추가 비용 부담없이 최소 면적으로 카르테시안 피드백 루프의 구현이 가능하다.

Claims (5)

  1. TDMA(time division multiple access) 방식 이동통신단말기의 송수신 장치에 있어서,
    안테나를 통해 송신할 신호를 변조하고 증폭하는 송신부와,
    상기 송수신 장치가 수신 동작시에는 안테나를 통해 수신되는 신호를 복조하며, 상기 송수신 장치가 송신 동작시에는 피드백부를 통해 입력되는 상기 송신부의 출력 신호를 복조하는 수신부와,
    상기 송신부의 출력 신호를 상기 수신부의 입력단에 결합시키고 상기 수신부의 출력 신호를 상기 송신부의 입력단으로 결합시켜, 상기 송신부 동작시 송신 신호를 상기 수신부를 통해 피드백하여 선형화하기 위한 상기 피드백부를 포함하는 것을 특징으로 하는 송수신 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 수신부는,
    안테나를 통해 수신되는 신호를 수신 주파수 대역 필터링하는 대역통과 필터와,
    상기 대역 통화 필터의 출력을 증폭하는 저잡음 증폭기와,
    상기 저잡음 증폭기의 출력을 복조하는 복조기를 포함하는 것을 특징으로 하는 송수신 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 송신부는,
    안테나를 통해 송신할 신호를 변조하는 변조기와,
    상기 변조기의 출력을 전력 증폭하는 전력 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 송수신 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 피드백부는,
    상기 송신부의 전력 증폭기로부터의 출력을 상기 피드백시키기 위한 방향성 결합기와,
    상기 방향성 결합기의 출력을 송신 주파수 대역 필터링하기 위한 대역통과 필터와,
    상기 대역 통과 필터링된 신호를 위상 조정하여 상기 수신부의 저잡음 증폭기의 입력단으로 출력하는 위상 변위기와,
    상기 복조기의 출력 신호 및 상기 안테나를 통해 송신할 신호를 비교하기 위한 비교기를 포함하는 것을 특징으로 하는 송수신 장치.
  5. 제3항에 있어서, 상기 TDMA 방식 이동통신단말기가 이중 밴드에서 동작하는 경우 상기 피드백부는,
    상기 송신부의 각 대역의 전력 증폭기로부터의 신호를 피드백시키기 위한 2개의 방향성 결합기와,
    상기 방향성 결합기로부터의 신호를 각각 필터링하기 위한 2개의 대역통과 필터와,
    상기 2개의 대역통과 필터로부터의 출력중 하나를 선택하기 위한 아날로그 스위치와,
    상기 아날로그 스위치에 의해 연결된 대역 통과 필터로부터의 신호를 위상 조정하여 출력하는 위상 변위기와,
    상기 이중 밴드에서 동작 가능하고 상기 위상 변위기로부터의 신호를 증폭하여 상기 수신부의 복조기에 출력하는 저잡음 증폭기와,
    상기 복조기의 출력 신호 및 상기 안테나를 통해 송신할 신호를 비교하기 위한 비교기를 포함하는 것을 특징으로 하는 송수신 장치.
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