KR100643167B1

KR100643167B1 - 직교 주파수 분할 다중접속 방식에서의 증폭모듈

Info

Publication number: KR100643167B1
Application number: KR1020050081128A
Authority: KR
Inventors: 박종호; 심준형; 김희석; 김기웅
Original assignee: 에스케이텔레시스 주식회사
Priority date: 2005-09-01
Filing date: 2005-09-01
Publication date: 2006-11-10

Abstract

본 발명은 직교주파수분할다중접속 방식을 사용하는 통신시스템에서 전력증폭기의 효율을 개선시키는 기술에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 직교주파수분할다중접속 방식에서 하향 및 상향링크를 시간으로 구분하는 TDD(Time Division Duplexing)방식의 TDD제어신호를 이용하여, 상대적으로 높은 전력의 프리앰블구간의 전력증폭을 위해 전력증폭기의 직류바이어스를 제어 할 수 있는 기술이 개시된다.

이동통신망, OFDM, 전력증폭기, TDD, 프리앰블, PWM, DC-DC컨버터

Description

직교 주파수 분할 다중접속 방식에서의 증폭모듈{POWER AMPLIFIER IN ORTHOGONAL FREQUENCY DIVISION MULTIPLE ACCESS SYSTEMS}

도 1은 종래의 피드포워드 전력증폭기의 구성을 나타낸 구성도.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 직교주파수분할다중접속방식의 증폭모듈에 대한 구성을 나타낸 구성도.

도 3은 스펙트럼 재성장 특성을 보여주는 전력증폭기 출력의 전력스펙트럼 밀도를 나타낸 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

110 : 제 1가변감쇠기 150 : 제 2가변감쇠기

120 : 제 1가변위상변환기 160 : 제 2가변위상변환기

130 : 주증폭기 170 : 에러증폭기

140 : 제 1지연기 180 : 제 2지연기

210 : 전력증폭기

220 : 제어부

221 : 클럭생성기 222 : 비교기

223 : 클럭카운터

230 : 스위칭변조기 240 : 직류-직류변환기

본 발명은 직교주파수분할다중접속(Orthogonal Frequency Division Multiple Access : 이하 OFDMA)방식을 사용하는 통신시스템에서 전력증폭기의 효율을 개선시키는 기술에 관한 것이다.

휴대인터넷 서비스를 위한 기술 표준인 와이브로(Wireless Broadband Internet : WiBro)는 다중경로 채널에서의 왜곡을 보상할 수 있는 변조방식으로 직교주파수분할다중(Orthogonal Frequency Division Multiplexing : 이하 OFDM)방식을 근간으로 한 OFDMA방식을 다중접속 방식으로 이용한다. OFDM의 기본 개념은 직렬로 입력되는 데이터열을 다수개의 병렬 데이터열로 변환하여 각각 분리된 부반송파에 실어 전송함으로써 데이터율을 높이는 것이다. 이때 부반송파는 직교성을 유지할 수 있도록 하며, 이러한 직교성으로 인하여 각 부반송파를 동일 시간에 중첩하여 전송할 수 있기 때문에, 하나의 반송파를 사용하여 데이터를 순차적으로 전송하는 경우보다 각 부반송파에서의 심볼주기를 부반송파의 수만큼 길어지게 할 수 있다.

이처럼, OFDM 방식은 상호 직교성을 갖는 부반송파를 사용하므로 기존의 FDM(Frequency Division Multiplexing)에 비해 대역폭 효율이 좋고, 심볼 주기가 길어지게 되므로 단일 반송파 변조 방식에 비해 심볼간 간섭(Inter Symbol Interference : ISI)에 강한 특성을 지닌다.

OFDMA 시스템의 프레임은 5㎳의 고정 프레임 구조로 설계되어 있으며, 상기 프레임은 하향 및 상향링크의 다수개 심볼로 구성되어 있다. 시스템의 하향링크와 상향링크를 구분하기 위해서는 전송시간으로 구분하는 TDD 방식을 이용한다.

하향링크 및 상향링크의 첫 번째 전송심볼은 프리앰블 심볼이며 초기동기, Cell 탐색, 주파수 Offset, 채널추정 등의 역할을 한다. 이러한 프리앰블 구간의 부반송파는 다른 데이터구간의 부반송파에 비해 전력의 부스팅(Boosting)이 심해 전력증폭기에서 스펙트럼 재성장(Spectral Regrowth)으로 인한 ACLR(Adjacent Channel Leakage Ratio : 인접채널누설비)특성을 급격하게 떨어뜨리는 요인이 된다. 도 3은 스펙트럼 재성장 특성을 보여주는 전력증폭기 출력의 전력스펙트럼 밀도를 나타낸 것이다.

프리앰블구간에서 전력증폭기의 원하는 선형성을 얻기 위해서 프리앰블의 출력을 기준으로 전력증폭기를 설계할 수 있다. 즉, 높은 직류바이어스를 전력증폭기에 공급하여 설계할 수 있으나, 이는 프리앰블을 포함한 전체 구간으로 본다면 전력증폭기의 효율을 크게 저하시키게 되며, 제품의 구현시 전력을 크게 설계하기 위해서 고가의 트랜지스터를 더 많이 사용해야 하므로 가격이 크게 증가한다.

또한, 높은 출력에서 스펙트럼 재성장(Spectral Regrowth)을 억제하기 위하 여 피드포워드(Feed forward) 기술이 많이 적용되곤 한다. 도 1은 종래의 피드포워드 전력증폭기의 구성을 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하면, 입력신호가 두개의 경로로 분리가 되어, 분리된 신호 중 하나는 제 1가변감쇠기(110)와 제 1가변위상변환기(120)를 지난 후 주증폭기(130)에서 증폭된다. 주증폭기(130)의 출력 부분에는 순수한 입력신호의 증폭된 성분과 주증폭기(130)의 비선형 특성에 의해서 발생한 의사(Spurious)신호도 존재하게 되며, Spurious를 포함한 주증폭기(130)의 출력신호 중 일부가 제 1지연기(Delay Filter)(140)를 지난 입력 신호와 결합된다. 두 경로를 지난 신호의 지연시간과 크기가 동일하고 위상이 180도 차이가 나면 주증폭기(130)에서 발생한 Spurious 신호만이 남게 된다. 즉, 첫 번째 루프는 주증폭기(130)에서 발생한 Spurious 신호를 추출하는 루프이다. 두 번째 루프에서는 첫 번째 루프에서 얻어진 순수한 Spurious 신호를 제 2가변감쇠기(150)와 제 2가변위상변환기(160) 및 에러증폭기(170)를 이용하여 원하는 출력 전력과 위상을 가지는 신호로 증폭시킨 후 제 2지연기(Delay Filter)(180)를 통과한 주증폭기(130)의 출력 신호와 재결합시킨다. 결합된 주증폭기(130)의 Spurious 신호 성분과 에러증폭기(170)를 통하여 증폭된 Spurious 신호 성분은 첫 번째 루프에서처럼 지연 시간과 크기가 동일하고 위상의 차이가 180도가 되면 완전하게 제거된다. 이러한 피드포워드 전력증폭기는 개선효과는 크지만 구성이 복잡하고 상쇄 및 신호합성 등의 제어를 위해 가변감쇠기(110,150) 및 가변위상변환기(120,160)가 적용이 되므로 제어가 복잡하고 지연기(140,180)와 에러증폭기(170)등이 고가이며, 효율이 떨어진다는 단점이 있다.

또한, 불규칙한 입력의 크기에 따라서 전력증폭기의 직류바이어스를 제어하여 작은 입력에서는 전압을 낮추어 사용전류를 줄이고 큰 입력에서는 직류바이어스를 높여 사용전류를 크게 하여 전력증폭기의 효율을 개선하는 포락선 추적(Envelope Tracking) 기술을 사용하는 방법도 있다. 이러한 포락선 추적 기술은, 전력증폭기에 직류바이어스를 제공하는 직류-직류변환기(DC-DC Converter)의 제어신호를 생성하기 위해 입력신호의 포락선을 검파하여 시그마-델타컨버터(Sigma-Delta Converter)를 이용하여 PWM(Pulse Width Modulation) 방식을 적용하는 것이 일반적이다. 그러나 포락선 검파와 시그마-델타 컨버터 등 직류-직류변환기를 제어하기 위한 회로의 구성이 복잡하고, 따라서 원 신호와의 지연(Delay)이 발생하며 이를 보정하기 위한 제어가 더 필요하게 된다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, OFDMA 방식의 하향링크 및 상향링크를 구분하기 위한 TDD제어신호를 이용하여, 프리앰블 구간의 입력과 데이터 구간의 입력을 정확히 구분하여 전력증폭기의 직류바이어스 공급을 효과적으로 제어하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 직교주파수분할다중접속방식에서의 증폭모듈은, 입력되는 RF신호를 높은 전력으로 증폭하여 출력하는 전력증폭기; TDD제어신호를 입력받고, 입력받은 상기 TDD제어신호의 시작점으로부터 일정구간동안을 카운트하여 각 구간별 제어신호를 출력하는 제어부; 상기 제어부로부 터 각 구간별 제어신호를 입력받아 각 구간별 펄스신호를 출력하는 스위칭변조기; 및 상기 전력증폭기에 직류 바이어스를 공급하되, 상기 스위칭변조기로부터 각 구간별 펄스신호를 입력받아 각 펄스신호에 따라 차등하는 직류 바이어스를 상기 전력증폭기에 제공하는 직류-직류변환기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 제어부는, 클럭신호를 생성하는 클럭생성기; 상기 클럭생성기에서 생성된 클럭신호와, 상기 TDD제어신호를 입력받아, 상기 클럭생성기에서 생성된 클럭신호를 기준으로 상기 TDD제어신호가 입력된 시간을 취득하여, 취득한 정보신호를 출력하는 비교기; 및 상기 비교기로부터 출력된 정보신호를 입력받아, 입력받은 시간으로부터 일정시간동안을 카운트하여 구간을 구분하고, 각 구간별 제어신호를 출력하는 클럭카운터;를 포함하여 구성하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제어부는, 상기 TDD제어신호를 입력받아, 입력받은 시간으로부터 프리앰블구간인 115.2㎲동안과, 데이터구간인 그 외 시간동안을 구간으로 구분하는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.

또, 상기 직류-직류변환기는, 상기 스위칭변조기로부터 각 구간별 펄스신호를 입력받되, 상기 제어부에서 출력되는 프리앰블구간인 115.2㎲동안에 대한 펄스신호를 입력받는 동안에는 데이터구간인 그 외 시간에 대한 펄스신호를 입력받는 동안에서보다 높은 직류 바이어스를 상기 전력증폭기에 공급하는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.

이하에서는 상술한 본 발명에 대하여 보다 구체적으로 이해할 수 있도록 바 람직한 실시예를 들어 설명한다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 OFDMA방식에서의 증폭모듈의 구성을 나타낸 구성도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 OFDMA방식에서의 증폭모듈은 전력증폭기(210), 제어부(220), 스위칭변조기(Switching Modulator)(230) 및 직류-직류변환기(DC-DC Converter)(240)를 포함하여 구성된다.

상기 전력증폭기(210)는 RF신호를 높은 전력으로 증폭하여 출력한다.

상기 제어부(220)는 OFDMA시스템으로부터 하향 및 상향 링크 구분을 위한 TDD제어신호를 입력받아, 입력받은 상기 TDD제어신호의 시작점으로부터 일정구간동안을 카운트하여 각 구간별 제어신호를 출력하여 상기 스위칭변조기(230)에 전송한다. 휴대 인터넷의 표준인 와이브로(WiBro)에서는 프리앰블 심볼구간이 115.2㎲이다. 즉 상기 TDD제어신호를 입력받으면 그로부터 115.2㎲ 동안은 프리앰블 구간이고, 그 이후로는 데이터 구간이므로, 상기 제어부는 TDD제어신호를 받는 시점에서부터 115.2㎲ 동안은 프리앰블 구간에 대한 제어신호를, 그 이후에는 데이터 구간에 대한 제어신호를 상기 스위칭변조기(230)에 전송한다.

보다 구체적으로 상기 제어부(220)는 클럭생성기(Clock Generator)(221), 비교기(Comparator)(222) 및 클럭카운터(Clock Counter)(223)를 포함하여 구성된다. 상기 비교기(222)는 OFDMA 시스템으로부터 전송된 TDD제어신호가 입력되면, 자체적인 클럭신호를 생성하는 상기 클럭생성기(221)에서 생성된 클럭신호를 기준으로, 상기 TDD제어신호가 입력된 시간을 취득하여, 이에 대한 정보신호를 상기 클럭카운 터(223)에 전송한다. 상기 클럭카운터(223)는 상기 정보신호를 입력받아, 입력받은 시간으로부터 일정시간동안을 카운트 한다. 즉 프리앰블 구간인 115.2㎲와 데이터 구간인 그 이후 구간으로 구분을 하고, 각 구간별 제어신호를 출력하여 상기 스위칭변조기(230)에 전송하는 것이다.

상기 스위칭변조기(230)는 상기 제어부(220)로부터 각 구간별 제어신호를 입력받아 각 구간별 펄스신호를 출력한다. 여기서는 펄스폭변조(Pulse Width Modulation : 이하 PWM)방식을 이용하며, 프리앰블 구간과 그 외 데이터 구간을 구분하기 위한 2단계 펄스신호만을 출력할 수 있는 PWM방식을 이용하면 된다.

상기 직류-직류변환기(240)는 상기 전력증폭기(210)에 직류바이어스를 제공하되, 상기 스위칭변조기(230)로부터 각 구간별 펄스신호를 입력받아 각 펄스신호에 따라 차등하는 직류바이어스를 상기 전력증폭기(210)에 제공한다. 즉 115.2㎲동안의 프리앰블 구간에 대한 펄스신호가 입력되면, 데이터 구간의 직류바이어스보다 높은 직류바이어스를 상기 전력증폭기(210)에 공급한다. 따라서, 부스팅 된 프리앰블 구간으로 인해 발생하는 스펙트럼 재성장(Spectral Regrowth) 현상에 따른 ACLR(Adjacent Channel Leakage Ratio) 특성의 악화를 방지할 수 있는 것이며, 전력증폭기(210)의 효율 또한 개선시킬 수 있다.

상용 전력증폭기에 일반적으로 사용되는 LDMOSFET(Lateral Diffusion Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor)는 높은 출력특성과 효율 등의 이점이 있는 소자이다. 하지만 높은 직류바이어스에서도 출력특성과 효율이 좋다고 하여, 항 상 높은 직류바이어스를 공급하도록 설계를 하면, 평균 고장 간격(Mean Time Between Failure : 이하 MTBF)이 크게 떨어지게 되어, 고가의 전력증폭기를 효과적으로 사용할 수가 없게 된다. 하지만 OFDMA 시스템의 TDD제어신호를 이용하여 프리앰블 구간을 정확히 예측하여 제어하면, 상기 프리앰블 구간에서만 높은 직류바이어스를 공급하도록 함으로써, 직류바이어스의 부스팅(Boosting)으로 인한 LDMOSFET의 MTBF에 대한 영향을 최소화 할 수 있는 것이다.

이상과 같이, 본 발명에 대한 구체적인 설명은 첨부된 도면을 참조한 실시 예에 의해서 이루어졌지만, 상술한 실시 예는 본 발명의 바람직한 예를 들어 설명하였을 뿐이기 때문에, 본 발명이 상기의 실시 예에만 국한되는 것으로 이해되어져서는 아니 되며, 본 발명의 권리범위는 후술하는 청구범위 및 그 등가개념으로 이해되어져야 할 것이다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 전력의 부스팅이 심한 프리앰블구간에서는 높은 직류바이어스를 제공함으로써, 스펙트럼 재성장(Spectral Regrowth)으로 인한 ACLR(Adjacent Channel Leakage Ratio) 특성 악화를 방지할 수 있다.

둘째, 종래의 피드포워드(Feed Forward) 또는 포락선 추적(Envelope Tracking) 기술의 구성에 비해 간단하면서도, 고가의 장비를 사용하지 않는다.

셋째, OFDMA방식의 하향 및 상향 링크를 구분하기 위한 TDD제어신호를 이용하여 정확하게 전력의 부스팅이 심한 프리앰블 구간을 예측하여, 이에 대한 구간만을 높은 직류바이어스로 전력증폭기에 제공함으로써, 효율을 높이면서도 가격이 비싼 전력증폭기의 MTBF에 대한 영향을 최소화 할 수 있다.

Claims

입력되는 RF신호를 높은 전력으로 증폭하여 출력하는 전력증폭기;

TDD제어신호를 입력받고, 입력받은 상기 TDD제어신호의 시작점으로부터 일정구간동안을 카운트하여 각 구간별 제어신호를 출력하는 제어부;

상기 제어부로부터 각 구간별 제어신호를 입력받아 각 구간별 펄스신호를 출력하는 스위칭변조기; 및

상기 전력증폭기에 직류 바이어스를 공급하되, 상기 스위칭변조기로부터 각 구간별 펄스신호를 입력받아 각 펄스신호에 따라 차등하는 직류 바이어스를 상기 전력증폭기에 제공하는 직류-직류변환기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 직교주파수분할다중접속방식에서의 증폭모듈.
제1항에 있어서,

상기 제어부는,

클럭신호를 생성하는 클럭생성기;

상기 클럭생성기에서 생성된 클럭신호와, 상기 TDD제어신호를 입력받아, 상기 클럭생성기에서 생성된 클럭신호를 기준으로 상기 TDD제어신호가 입력된 시간을 취득하여, 취득한 정보신호를 출력하는 비교기; 및

상기 비교기로부터 출력된 정보신호를 입력받아, 입력받은 시간으로부터 일정시간동안을 카운트하여 구간을 구분하고, 각 구간별 제어신호를 출력하는 클럭카운터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 직교주파수분할다중접속방식에서의 증폭모듈.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 제어부는,

상기 TDD제어신호를 입력받아, 입력받은 시간으로부터 프리앰블구간인 115.2㎲동안과, 데이터구간인 그 외 시간동안을 구간으로 구분하는 것을 특징으로 하는 직교주파수분할다중접속방식에서의 증폭모듈.
제3항에 있어서,

상기 직류-직류변환기는,

상기 스위칭변조기로부터 각 구간별 펄스신호를 입력받되, 상기 제어부에서 출력되는 프리앰블구간인 115.2㎲동안에 대한 펄스신호를 입력받는 동안에는 데이터구간인 그 외 시간에 대한 펄스신호를 입력받는 동안에서보다 높은 직류 바이어스를 상기 전력증폭기에 공급하는 것을 특징으로 하는 직교주파수분할다중접속방식에서의 증폭모듈.