KR100759490B1 - 비결정적 펄스 기법을 이용한 고효율 선형 전력증폭 시스템 - Google Patents

비결정적 펄스 기법을 이용한 고효율 선형 전력증폭 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 비결정적 펄스(nondeterministic pulse) 기법을 이용한 고효율 선형 전력증폭 시스템에 관한 것이다.
본 발명에서는 입력신호를 랜덤 펄스폭변조(Random Pulse Width Modulation (RPWM)) 신호로 변환하고, 변환된 RPWM 신호를 고효율 전력증폭기에 인가하여 증폭하는 구조를 제시한다.
본 발명에서는 입력신호를 직접 증폭하는 것이 아니라 RPWM 신호로 변환시킨 후 증폭하는 것이므로, 펄스변조의 특성상 증폭시 높은 효율을 얻을 수 있다.
본 발명에 의하면, 입력신호는 RPWM에 의해 변조되므로 출력단의 고조파 성분(harmonic components)이 확산(spreading)되어, 종래의 펄스폭변조(Pulse Width Modulation(PWM))에 비해 출력단의 고조파 성분의 크기를 줄일 수 있다.
본 발명에 의하면, RPWM에 의해 출력단의 고조파 성분의 크기가 크게 줄어들기 때문에, 고조파 성분을 제거하기 위해 필요했던 높은 Q (Quality factor)의 대역통과필터(band-pass filter)를 사용하지 않아도 된다는 장점이 있으며, 상기 높은 Q의 대역통과필터에 의해 생기는 삽입손실(insertion loss)을 줄여 시스템의 출력과 효율을 향상시킬 수 있다는 장점도 있다.
랜덤 펄스폭변조(Random Pulse Width Modulation), 선형 전력증폭기(Linear Power Amplifier), 스위치 모드 전력증폭기(Switch Mode Power Amplifier)

Description

비결정적 펄스 기법을 이용한 고효율 선형 전력증폭 시스템 {A High-Efficiency Linear Power Amplifier with a Nondeterministic Pulse Technique}
도 1은 종래에 사용되어지던 펄스폭변조(PWM)를 이용한 고효율 선형 전력증폭 시스템의 구성을 도시하는 도면이다.
도 2는 입력신호에 따른 PWM 신호와 랜덤 펄스폭변조(RPWM) 신호의 파형을 비교한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 비결정적 펄스(nondeterministic pulse) 기법을 이용한 고효율 선형 전력증폭 시스템의 실시예이다.
도 4a는 종래의 PWM을 이용한 고효율 선형 전력증폭 시스템을 사용해서 입력신호를 증폭한 결과를 주파수 영역에서 나타낸 것이다.
도 4b는 본 발명에 따른 도 3의 구조를 사용하여 증폭한 결과를 주파수 영역에서 나타낸 것이다.
도 5는 종래의 PWM을 이용한 고효율 선형 전력증폭 시스템의 출력 전력과 효율을, 본 발명에 따른 RPWM을 이용한 고효율 선형 전력증폭 시스템의 출력 전력 및 효율과 비교한 도면이다.
(도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명)
32: 포락선/위상 분리기 33: 랜덤 펄스폭변조기
35: 고효율 전력증폭기
본 발명은 비결정적 펄스(nondeterministic pulse) 기법을 이용한 고효율 선형 전력증폭 시스템에 관한 것이다.
다양한 이동통신 서비스가 제공되면서, 이동통신 단말기의 효율이 중요한 문제로 떠오르고 있다. 휴대용 배터리의 용량과 크기에 한계가 있기 때문에, 이동통신 단말기 회로를 저전력으로 설계하는 것이 필요하다. 현재 이동통신 단말기에서 전력을 가장 많이 소모하는 부품은 전력증폭기로, CDMA 이나 OFDM 방식의 단말기인 경우 그 효율은 20% 미만이다. 이렇게 CDMA 이나 OFDM 단말기의 효율이 낮은 이유는 상기 신호의 포락선(envelope)이 시간적으로 바뀌기 때문이다. 신호의 포락선이 일정하지 않으면 신호를 증폭하기 위해서 선형 증폭기가 필요하며, 일반적으로 선형 증폭기는 A 혹은 AB급으로 바이어스를 두기 때문에 전력 손실이 크게 된다.
포락선이 시간적으로 변하는 신호를 고효율로 증폭하기 위한 방법으로 펄스폭변조(Pulse Width Modulation(PWM))을 이용한 전력증폭 시스템이 있다. PWM을 이용한 선형 전력증폭 시스템은 "An Improved Kahn Transmitter Architecture Based on Delta-Sigma Modulation", Yuanxun Wang. 2003 IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig.에서 제안되었다.
상기 PWM을 이용한 전력증폭 시스템은 입력신호를 PWM 신호로 바꾸고, 상기 PWM 신호를 고효율 전력증폭기(예를 들면 D, E, F 급 혹은 S급 전력 증폭기) 입력으로 인가하여 증폭한 후, 대역통과필터(band-pass filter)를 통과시켜 입력신호를 복원하는 것이다.
PWM을 이용한 전력증폭 시스템에서는 입력신호에 따라 고효율 전력증폭기를 온(ON)/오프(OFF)의 두 모드(mode)로만 동작시키므로 효율이 매우 높다. 또한, 출력신호의 크기는 사용된 고효율 전력증폭기 비선형성에 관계없이, 펄스폭변조 방식으로 변환된 신호의 펄스 폭에만 비례하기 때문에 선형성이 매우 우수하다.
도 1은 종래에 사용되어지던 PWM을 이용한 고효율 선형 전력증폭 시스템의 구성을 도시하는 도면이다. 상기의 고효율 선형 전력증폭 시스템은 입력신호(101)를 포락선신호(108)와 위상신호(109)로 분리하기 위한 포락선/위상 분리기(102), 상기 포락선신호를 펄스폭변조하기 위한 펄스폭 변조기(103), 상기 펄스폭변조된 신호와 상기 위상신호를 혼합하기 위한 혼합기(104), 혼합기의 출력을 고효율증폭하기 위한 고효율 전력증폭기(105), 증폭된 신호에서 원래의 입력신호를 복원하기 위한 대역통과필터(band-pass filter)(106)로 구성된다.
PWM을 이용한 고효율 선형 전력증폭 시스템의 동작원리는 다음과 같다. 입력신호(101)가 들어오면 포락선/위상 분리기(102)를 이용하여 입력신호는 포락선신호(108)와 위상신호(109)로 분리된다. 상기 위상신호는 입력신호(101)의 위상정보를 가진 신호로, 포락선이 시간적으로 변하지 않는 RF 신호이다. 분리된 포락선신호(108)는 증폭할 때 효율을 높이기 위해 펄스형태로 변조되는데, 포락선의 크기가 펄스폭에 비례하는 PWM 방식으로 변조된다. 즉, 상기의 포락선신호(108)는 펄스폭변조기(103)에 인가되어 PWM이 된다. 한편, 분리된 위상신호(109)는 상기 PWM된 신호와 혼합되어 스위치 모드 전력증폭기와 같은 고효율 전력증폭기(105)에 인가된다. 이때 전력증폭기(105)의 입력은 RF 펄스열(RF pulse train)(110)이며, D, E, 혹은 F급 증폭기와 같은 스위치 모드 전력증폭기로 증폭되기 때문에 이론적으로 100%의 전력 효율을 갖는다. 마지막으로, 상기 고효율 전력증폭기(105)로 증폭된 신호는 대역통과필터(106)를 통과하면서 PWM에 의해 생긴 고조파 성분(harmonic component)이 걸러지므로, 원래 입력신호(101)가 그대로 복원되어 출력(107)된다.
상기와 같이 PWM을 이용한 고효율 선형 전력증폭 시스템은 이론적으로 100% 효율을 가지면서 선형 증폭을 할 수 있으나, PWM 방식에 의해 생긴 고조파 성분을 완전히 제거하기 위해 대역통과필터(106)는 매우 높은 Q(Quality-factor) 값을 가져야 한다는 단점이 있다. 한편, 높은 주파수에서 높은 Q 값을 갖는 대역통과필터는 필터의 삽입손실(insertion loss)이 커지며, 제조하기 매우 어렵다는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점들을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 펄스변조를 이용한 선형 전력증폭 시스템에서 높은 Q값을 갖는 대역통과필터를 사용하지 않고서도 효과적으로 고조파 성분을 줄이는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 랜덤 펄스폭변조(Random Pulse Width Modulation (RPWM))방식을 이용하여 고조파 성분(harmonic component)을 넓은 주파수 범위로 확산(spreading)시키는 것이다.
RPWM은 입력신호의 크기를 비주기적인 펄스의 폭으로 변환시키는 것을 특징으로 한다. RPWM과 PWM을 비교해보면, RPWM과 PWM은 모두 입력신호의 크기가 펄스의 폭으로 변조된다는 점이 동일하다. 그러나 RPWM은 펄스의 주기가 비결정적(nondeterministic)으로 변한다는데 비해, PWM은 펄스의 주기가 고정적이다. 즉, RPWM에서는 펄스의 주기가 랜덤(random)하게 변하는데 비해, PWM은 펄스의 주기가 항상 일정한 값을 가진다.
도 2는 입력신호(21)에 따른 PWM 신호(22)와 RPWM 신호(23)의 파형을 비교한 도면이다. RPWM에서는 펄스의 주기(Ts)(24)가 랜덤하게 변함을 알 수 있다. 한편, RPWM에서의 듀티비(duty ratio)는 PWM과 동일하다. RPWM에서는 듀티비를 PWM과 동일하게 유지하면서 펄스의 주기만을 랜덤하게 변화시키므로, 대역내 신호(inband signal) 성분은 PWM과 동일하면서 고조파 성분은 넓은 주파수 대역으로 확산시킬 수 있다.
본 발명은 RPWM 신호는 대역내 신호에 있어서는 PWM과 동일하지만, 고조파 성분은 넓은 주파수 대역으로 확산된다는 특성에 착안하여, RPWM을 고효율 선형 전력증폭 시스템에 적용한 것이다. 고조파 성분이 확산된다는 것은 PWM을 포함한 펄스변조 방식을 이용한 고효율 선형 전력증폭 시스템에서 고조파 성분을 제거하기 위해 필수적으로 필요한 높은 Q (high Quality-factor)의 대역통과필터를 사용하지 않아도 된다는 것을 의미한다. 높은 Q의 대역통과필터를 사용하지 않으면, 대역통과필터의 삽입손실을 줄일 수 있어 펄스변조 방식을 이용한 선형 전력증폭 시스템의 출력 전력과 효율을 향상시킬 수 있다는 장점이 있다,
이하에서는 본 발명에 의한 랜덤 펄스변조를 이용한 고효율 선형 전력증폭 시스템에 대하여 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 비결정적 펄스(nondeterministic pulse) 기법을 이용한 고효율 선형 전력증폭 시스템의 실시예이다. 상기의 고효율 선형 전력증폭 시스템은 입력신호(31)를 포락선신호(37)와 위상신호(38)로 분리하기 위한 포락선/위상 분리기(32), 상기 포락선신호를 랜덤 펄스폭변조하기 위한 랜덤 펄스폭변조기(33), 상기 위상신호(38)와 상기 랜덤 펄스폭변조기(33)의 출력을 혼합하여 RF 펄스열(RF pulse train)(39)을 만드는 혼합기(34), 상기 RF 펄스열(39)을 고효율 증폭하기 위한 고효율전력증폭기(35)로 구성된다.
RPWM을 이용한 고효율 선형 전력증폭 시스템의 동작원리는 다음과 같다. 입력신호(31)가 들어오면 포락선/위상 분리기(32)를 이용하여 입력신호는 포락선신호(37)와 위상신호(38)로 분리된다. 상기 포락선/위상 분리기(32)는 현재 GSM 단말기에서 사용하고 있는 극변조기(polar modulator)와 동일한 개념이다.
상기 위상신호(38)는 입력신호의 위상정보를 가진 RF 신호로, 포락선이 시간적으로 변하지 않는 신호(constant envelope signal)이다. 분리된 포락선신호(37)는 증폭할 때 효율을 높이기 위해 펄스형태로 변조되는데, 랜덤 펄스폭변조기(33)에 의해 RPWM 방식으로 변조된다. 즉, PWM 방식과는 다른 펄스의 주기(Ts)를 갖지만, 동일한 듀티비를 가진다.
한편, 분리된 위상신호(38)는 고효율 전력증폭기(35)에 의해 증폭이 된다. 이때 상기 고효율 전력증폭기는 선형 증폭기(linear amplifier)일 필요가 없으며, 바람직하게 D, E, F 혹은 S급과 같은 스위치 모드 전력증폭기이다. 비록 상기 고효율 전력증폭기(35)가 선형 증폭기가 아니더라도, RPWM 방식의 특성에 의해 입력신호(31)가 정확히 복원될 수 있다. 입력신호가 정확히 복원되어 높은 선형성을 유지하기 위해서는, 고효율 전력증폭기(35)에 인가되는 위상신호(38)가 온(ON)되는 시간이 제어되어야 한다. 상기의 위상신호가 온(ON)되는 시간은 통상적으로 RF 펄스열(RF pulse train)(39)의 듀티비(duty ratio)라고 정의된다. 입력신호(31)가 정확히 복원되기 위해서는, 고효율 전력증폭기(35)에 인가되는 RF 펄스열의 듀티비는 랜덤 펄스폭변조기(33)의 출력에서 나온 펄스의 폭과 동일하도록 제어되어야 한다. 상기의 조건을 만족하는 RF 펄스열(39)을 만들기 위해, RPWM된 신호는 상기 위상신호(38)와 혼합기(34)에서 혼합된다.
도 3의 구조의 특징은 도 1의 종래 PWM을 이용한 고효율 선형 전력증폭 시스템에서 필수적으로 사용되어지던 높은 Q(high Quality-factor) 값을 갖는 대역통과필터(band-pass filter)가 없다는 점이다. 높은 Q의 대역통과필터는 삽입손실(insertion loss)이 크다는 특징을 가지고 있다. 필터의 삽입손실이 크면, 도 1의 전력증폭기(105)의 출력이 필터를 통과하면서 감쇄가 일어나므로 시스템의 출력 전력과 효율이 저하된다. 그러므로 도 3의 구조는 높은 Q의 대역통과필터를 사용하지 않으므로, 시스템의 출력 전력과 효율이 상대적으로 향상시킬 수 있다.
도 4a는 종래의 PWM을 이용한 고효율 선형 전력증폭 시스템을 사용해서 입력신호를 증폭한 결과를 주파수 영역(frequency domain)에서 나타낸 것이며, 도 4b는 본 발명에 따른 도 3의 구조를 사용하여 증폭한 결과를 주파수 영역에서 나타낸 것이다. 입력신호로는 1.857GHz의 한개의 주파수 톤 (single tone)의 신호를 사용하였다. 본 발명의 RPWM을 이용한 고효율 선형 전력증폭 시스템을 사용하여 입력신호를 증폭하면 대역내 신호(inband signal)의 크기는 종래의 PWM을 이용한 고효율 선형 전력증폭 시스템의 대역내 신호와 동일하지만, 고조파 신호들은 넓은 주파수 대역으로 확산(spreading)됨을 알 수 있다. 즉, 본원의 RPWM을 이용한 고효율 선형 전력증폭 시스템은 대역내 신호를 왜곡시키지 않으면서 고조파 신호들을 효과적으로 제거할 수 있는 특성이 있음을 알 수 있다.
도 5는 종래의 PWM을 이용한 고효율 선형 전력증폭 시스템의 출력 전력과 효율을, 본 발명에 따른 RPWM을 이용한 고효율 선형 전력증폭 시스템의 출력 전력 및 효율과 비교한 도면이다. 종래의 PWM을 이용한 고효율 선형 전력증폭 시스템의 경우 고조파 성분을 제거하기 위해 높은 Q의 대역통과 필터를 사용하는데, 일반적으로 1%의 대역폭을 갖는 높은 Q의 대역통과필터의 삽입손실은 1dB 이상이 된다. 그러므로 만약 상기와 같은 대역통과필터를 사용하지 않으면 출력신호와 효율은 상기 대역통과필터의 삽입손실만큼 향상된다. 도 5의 측정결과에서도 보듯이, RPWM을 이용한 시스템은 대역통과필터를 사용하지 않기 때문에 PWM을 이용한 시스템보다 출력 전력과 효율이 우수함을 알 수 있다.
한편, 비결정적 펄스기법은 대역내 신호를 변경시키지 않으면서 고조파 성분만을 확산시킨다는 점에서, 랜덤 펄스폭변조(RPWM) 외에 랜덤 펄스수변조(random pulse count modulation), 랜덤 펄스면적변조(random pulse area modulation), 랜덤 델타-시그마(random delta-sigma)변조 등 다양한 펄스변조를 이용한 전력증폭 시스템에 적용될 수 있다.
이상의 본 발명은 상기한 실시 예들에 한정되지 않고 당업자들에 의해 다양한 변형 및 변경을 가져 올 수 있으며, 이는 첨부된 청구항에서 정의되는 본 발명의 취지와 범위에 포함된다.
본 발명에 의하면 입력신호를 랜덤 펄스폭변조(RPWM)를 이용하여 변조함으로써, 펄스변조를 이용한 선형 전력증폭 시스템에서 높은 Q값을 갖는 대역통과필터를 사용하지 않고서도 효과적으로 고조파 성분을 줄이는데 있다. 또한, 상기의 시스템은 높은 Q값을 갖는 대역통과필터를 사용하지 않으므로, 필터의 삽입손실을 없앨 수 있어 시스템의 출력 전력과 효율을 향상시킬 수 있다.

Claims (4)

  1. 입력신호(31)를 포락선신호(37)와 위상신호(38)로 분리하기 위한 포락선/위상 분리기(32), 상기 분리된 포락선신호를 펄스변조(pulse modulation)하기 위한 펄스 변조기(33), 상기 분리된 위상신호를 고효율로 증폭하기 위한 고효율 전력증폭기(35)로 구성되고, 상기 분리된 위상신호는 상기 펄스변조된 신호와 동일한 펄스폭을 갖은 RF 펄스열(RF pulse train)(39)로 변환되어 상기 고효율 전력증폭기에 인가되는 고효율 선형 전력증폭 시스템에 있어서,
    상기 펄스 변조기는 펄스의 주기가 랜덤(random)하게 바뀌는 것을 특징으로 하는, 비결정적 펄스(nondeterministic pulse) 기법을 이용한 고효율 선형 전력증폭 시스템
  2. 제 1항에 있어서 상기 펄스 변조기는 랜덤 펄스폭 변조기(random pulse width modulator)인 것을 특징으로 하는, 비결정적 펄스(nondeterministic pulse) 기법을 이용한 고효율 선형 전력증폭 시스템
  3. 제 1항에 있어서 상기 고효율 전력증폭기는 스위치 모드 전력증폭기(switch mode power amplifier)인 것을 특징으로 하는, 비결정적 펄스(nondeterministic pulse) 기법을 이용한 고효율 선형 전력증폭 시스템
  4. 제 1항에 있어서 상기 펄스변조는 랜덤 펄스수변조(random pulse count modulation), 랜덤 펄스면적변조(random pulse area modulation), 랜덤 델타-시그마 변조(random delta-sigma modulation) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 비결정적 펄스(nondeterministic pulse) 기법을 이용한 고효율 선형 전력증폭 시스템
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