KR100876125B1 - 선형 전력 증폭기 제어 방법 - Google Patents

선형 전력 증폭기 제어 방법 Download PDF

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Abstract

선형 전력 증폭기(15)를 제어하기 위한 본 방법은, 순시 입력 신호(2)를 입력받는 단계; 필터링된 입력 신호(5)를 생성하기 위해 상기 순시 입력 신호를 필터링하는 단계; 수정된 드레인 소스 전압(Vds) 파형(12)을 생성하기 위해 상기 순시 입력 신호(2)와 상기 필터링된 입력 신호(5)를 결합하는 단계; 및 상기 수정된 드레인 소스 전압(Vds) 파형에 따라 선형 전력 증폭기에 대한 스위치 모드 전력 공급원(14)을 조정하는 단계를 포함한다.

Description

선형 전력 증폭기 제어 방법{A METHOD OF CONTROLLING A LINEAR POWER AMPLIFIER}
본 발명은, 특히 이동 통신 시스템에서 사용하기 위한 선형 전력 증폭기를 제어하는 방법에 관한 것이다.
이동 통신 시스템의 기지국에서는 대부분의 에너지가 전력 증폭기에 의해 소모되고, 그에 따라 기지국을 더욱 효율적으로 만들기 위해서는 전력을 덜 사용하는 전력 증폭기를 제공하는 것이 바람직하다. 전력 증폭기의 공급 전압은 RF 신호로 변환되나, 요구되는 RF의 양은 시간에 따라 변화한다. 전력 증폭기의 냉각 장치는 최대 RF 요구사항에 기초하며, 따라서 상기 최대 RF 요구사항도 감소될 수 있는 것이 유용하다. 최적 효율성을 위해, 공급 전압이 신호를 트래킹(tracking)해야 하지만, 관습적으로 공급 전압은 고정되고 공급 전압과 신호 전압 사이의 전력이 손실되는데, 그 이유는 신호 전압을 트래킹하기 위한 전류에 의하여 공급 전압이 높은 속도로 변화하는 것에 동반된 실제적인 문제점들이 있기 때문이다.
본 발명의 제1 측면에 따르면, 선형 전력 증폭기를 제어하기 위한 방법은 순시 입력 신호(an instantaneous input signal)를 입력받기 위한 단계; 필터링된 입력 신호를 생성하기 위해 상기 순시 입력 신호를 필터링하는 단계; 수정된 드레인 소스 전압(Vds) 파형을 생성하기 위해 상기 순시 입력 신호와 상기 필터링된 입력 신호를 결합하는 단계; 및 상기 수정된 Vds 파형에 따라 선형 전력 증폭기에 대한 스위치 모드 전력 공급원(a switched mode power supply)을 조정(modulating)하는 단계를 포함한다.
본 발명은 상기 스위치 모드 전력 공급원을 감소된 슬루율(a reduced slew rate)로 구동시키기 위해 수정된 Vds 파형을 생성한다.
바람직하게도, 본 방법은 클리핑 프로파일(a clipping profile)을 생성하는 단계를 더 포함한다.
바람직하게도, 본 방법은 상기 클리핑 프로파일을 이용하여 상기 순시 입력 신호를 수정함으로써 수정된 출력 신호를 생성하는 단계를 더 포함한다.
바람직하게도, 상기 수정된 Vds 파형은 상기 순시 입력 신호의 슬루율에 비하여 감소된 슬루율을 갖는다.
바람직하게도, 에러 벡터 크기(error vector magnitude), 인접 채널 전력(adjacent channel power) 그리고 효율성이 상기 수정된 Vds 파형을 최적화하기 위해 적응된다.
바람직하게도, 상기 수정된 Vds 파형의 대역폭은 상기 순시 입력 신호의 대역폭에 관련하여 감소된다.
바람직하게도, 본 방법은 상기 순시 입력 신호를 상기 수정된 Vds 파형 내에 유지시키기 위해 수정하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 제2 측면에 따르면, 선형 전력 증폭 시스템은 선형 전력 증폭기; 입력 Vds 파형을 필터링하기 위한 필터; 필터링된 Vds 파형을 상기 입력 Vds 파형과 결합하기 위한 결합기; 및 상기 선형 전력 증폭기에 전력을 공급하기 위한 스위치 모드 전력 공급원을 포함하고, 상기 전력 공급원은 상기 결합된 파형에 의해 조정된다.
바람직하게도, 상기 필터는 이동 평균 필터(a moving average filter)이다.
본 발명에 따른 선형 전력 증폭기 제어 방법과 선형 전력 증폭 시스템의 예시가 동반된 도면들을 참조하여 이제 기술될 것이다.
도 1은 본 발명의 시스템에 대한 블록도, 및
도 2는 본 발명의 방법을 묘사하는 다수의 파형들에 대한 시간에 따른 드레인 전압에 대한 그래프.
본 발명의 방법은 WCDMA 기지국들의 선형 전력 증폭기들의 효율성을 향상시키기 위해, 광대역 코드 분할 다중 접속(WCDMA) 엔벌로프(envelope)를 동적으로 클리핑(clipping)하는데 특히 적용될 수 있다.
3 세대 기지국들의 단일 및 다중 캐리어 WCDMA 신호들은 통상적으로 13 내지 14 dB 피크 대 평균 비율(peak to mean ratio)을 갖는다. 상기 신호들의 증폭은 매우 비효율적인데, 그 이유는 전력 증폭기가 최대 전력을 위해 치수화(dimension)되지만, 대부분의 시간에 상기 전력 증폭기는 평균 전력 레벨에서 작동하기 때문이다.
현재 WCDMA 신호들은 상기 피크 대 평균 비율을 줄이기 위해 기저대역에서 클리핑된다. 통상적으로, 신호는 8 내지 9 dB 피크 대 평균 비율에 클리핑된다. 이는 증폭기의 효율성을 향상시키는데, 왜냐하면 증폭기가 더 작은 백-오프 지점(back-off point)에서 작동할 수 있기 때문이다. 더 낮은 피크 대 평균 비율에 대한 클리핑은 효율성을 더 증가시킬 수 있을 것이다. 그러나, 이는 수용할 수 없는 에러 벡터 크기(EVM : error vector magnitude)와 또한 수용할 수 없는 스펙트럼 확산을 유발할 수 있다. 그러므로, 본 기지국 전력 증폭기들은 통상적으로 9 dB 피크 대 평균 비율들에서 작동하고 10% 내지 20%의 효율성을 획득한다.
소정 신호 레벨을 위한 등급 AB 선형 증폭기들의 소비 전력은 직접적으로 드레인 전압(Vds)에 비례한다. 효율성을 향상시키기 위하여 신호 엔벌로프에 비례적으로 Vds를 조정하는 것에 기초한 여러 방법들이 제안되었다. 예를 들면, 엔벌로프 제거 및 복원(EER : envelope elimination and restoration) 방법은 상기 엔벌로프를 하드-클리핑(hard-clipping)하고 그런 다음 전력 증폭기의 출력에서 캐리어에 대하여 재-조정하는 것에 기초한다. 엔벌로프 트래킹(ET : envelope tracking) 방법에서는, Vds가 신호 엔벌로프를 트래킹하고, 그래서 증폭기가 낮은 신호 레벨들에 서 불필요하게 높은 전력을 소모하지 않는다.
그러나, 어떠한 상기 방법들도 성공적으로 수행되지 않았다. WCDMA 신호의 전압 엔벌로프는 신속하게 변화한다; 심지어 단일 캐리어의 경우에도 200 내지 300 nS 전이 시간들(transition times)이 규칙적으로 일어난다. 이렇게 높은 속도에서 스위치 모드 전력 공급원을 조정하는 것은 매우 높은 클록 주파수들이 사용되지 않으면 비현실적이다. 그러나, 높은 클록율에서는 스위치 모드 전력 공급원이 비효율적이다.
드레인 조정의 두 번째 문제점은 스펙트럼 확산이다. 이는, Vds 스펙트럼을 캐리어 주파수 주위의 측파대들로 변환하는 전력 증폭기의 AM/AM(amplitide to amplitude modulation characteristic)과 AM/PM(amplitude to phase modulation) 왜곡에 의해 유발된다. 드레인 전압(Vds)이 전력 공급원에 의해 변화되므로, 출력 신호의 진폭과 위상도 일정 범위까지 변화한다. 이는 상기 장치 내에서 기생 용량(the parasitic capacitance)(Cdg- drain to gate)에 의해 유발된다. 슬루율 제한 드레인 전압(slew rate limited drain modulation)보다 오히려, 정상적인 경우만큼 Vds의 변화 속도가 빠르다면, 그러면 측파대들은 인접 채널들에 대해 간섭을 유발할 수 있는 캐리어와 멀리 떨어지며 확대된다. 이는 기저대역의 사전-왜곡(pre-distortion)에 의해 향상될 수 있다; 그러나, 수용할 수 있는 레벨로 줄이는 것은 매우 어렵다. 본 발명에서는, Vds의 변화가 느리고 그러므로 기생 측파대 들이 캐리어에 근접하고 다음 채널로 확대되지 않는다. Vds/AM과 Vds/PM 특성들이 향상된다.
도 1은 슬루율 제한 엔벌로프 클리핑(slew-rate limited envelope clipping)의 기저대역 구현을 이용하여 전력 증폭기를 제어하기 위한 신호들의 생성을 묘사한 블록도이다. 소스 신호 S(t)(2)의 엔벌로프 파형(1)은 상기 소스 신호(2)가 엔벌로프 검출기(3)를 통과함으로써 도출된다. 엔벌로프 파형(1)은 클리핑 및 드레인 소스 전압(Vds) 프로파일 생성 회로(6)로 입력되는 필터링된 엔벌로프 신호(5)를 제공하기 위해 유한 충격 응답 필터(FIR : finite impulse response filter)(4)에 의해 필터링된다. 소스 신호(2)의 지연된 버전(version)은 상기 프로파일 생성 회로(6)에 제2 입력을 제공하는데, 상기 지연된 버전은 지연 소자(8)를 통과함으로써 지연되었다. 상기 지연된 소스 신호(7)는 또한 탭 오프(tap off)되고 블록(9)에서 상기 프로파일 생성 회로(6)로부터의 클리핑 프로파일과 결합하여 수정된 소스 신호 S'(t)(11)를 생성한다. 클리핑 프로파일(10)과 Vds 프로파일(12)의 생성은 또한 프로파일 생성 회로(6)에 입력되는 아날로그 파라미터들(13)에 의해 영향받는다.
Vds 프로파일 신호(12)는 전송될 소스 신호 s(t)(2)의 엔벌로프(1)에 대한 대역폭-제한 버전에 기초한다. 원래 신호 S(t)(2)의 크기는 최대 평탄 시간 영역 특성(maximally flat time domain response)을 위한 적합한 계수들을 갖는 FIR 필터(4)에 의해 필터링된다. 상기 FIR 필터(4)는 전력 증폭기(15)의 드레인 전압을 조정하기 위하여 스위치 모드 전력 공급원(14)을 구동하기에 적합한 정도까지 엔벌 로프 신호의 대역폭을 줄인다. 원래 신호(2)는 상기 필터링된 파형과 동기화되고, 클리핑 프로파일(10)과 Vds 프로파일(12)이 생성된다. 지연 소자(8)는 FIR 필터(4)를 통과하는 지연을 보상한다. 상기 클리핑 및 Vds 프로파일 생성 회로(6)는 두 개의 목적들을 갖는다. 제1 목적은 제한된 동적 영역(limited dynamic range)으로 상기 스위치 모드 전력 공급원(14)을 구동하기에 적합하게 되도록 상기 필터링된 엔벌로프를 조절(condition)하는 것이다. 이는 Vds 프로파일 출력(12)을 생성한다. 제2 목적은 Vds 프로파일 신호(12)에 기초한 클리핑 신호 프로파일(10)을 계산하는 것으로, 상기 클리핑 신호 프로파일(10)은 부적합한 드레인 전압으로 인해 전력 증폭기(15)가 과열 구동되도록 유발할 수 있는 소스 신호 s(t)(2)의 임의의 피크들을 제거하기 위해 사용될 수 있다. 도출된 두 개의 출력들은, 전력 증폭기(15)의 드레인 전압을 조정하는 스위치 모드 전력 공급원(14)을 구동하기 위해 사용되는 Vds 프로파일 신호(12); 및 상기 입력을 전송기를 위한 전력 증폭기에 대한 입력을 구동하는 수정된 소스 신호 s'(t)(11)이다.
본 발명은 수정된 전압 엔벌로프가 감소된 슬루율을 갖도록 하기 위해 동적으로 소스 신호(2)를 클래핑함으로써 종래 기술의 문제점들을 극복한다. 도 2를 참조하면, 단일 캐리어 파형의 전압 엔벌로프(1)가 나타나 있다. 상기 파형의 최대 상승/하강 시간(the maximum rise/fall time)은 약 200 nS이다. 이러한 파형에 대한 트래킹이 스위치 모드 전력 공급원으로 가능하지 않음이 명백하다.
0.5 레벨에서의 라인(16)은 종래의 기지국들에 통상적으로 구현되는 일정한 클리핑 레벨을 도시한다. 클리핑 라인과 엔벌로프 파형(1)에 의해 둘러싸인 영역은 불필요하게 낭비되는 전력에 비례한다.
이 예시의 목적을 위해, 전압 엔벌로프(1)는 통상적으로 2 내지 3 μS TKDTMD/하강 시간을 갖는 프로파일, 필터링된 엔벌로프(5)를 생성하기 위하여 하나의 20 탭 이동 평균 필터(tap moving average filter)(4)에 의해 필터링된다. 순시 엔벌로프 파형(1)과 필터링된 엔벌로프 파형(5)에 기초하여, 전력 증폭기(15)의 전력 공급원(14)을 조정하는 Vds 프로파일(12)이 생성된다. Vds 프로파일(12)은 최고의 EVM, 인접 채널 전력(ACP) 그리고 효율 트레이드-오프(trade-off)를 위해 최적화되고 또한 조정기의 아날로그 특성들을 고려한다.
본 발명에서 실행되는 것으로서 동적 클리핑 기술은 파형의 처음부터 끝까지 다수 레벨들에 알맞은 클리핑을 제공한다. 대조적으로, 고정된 클리핑의 종래 방법은 피크들에서만 동작하고 클리핑은 이러한 지점들에서 더욱 어렵다. 고전력의 임의의 피크가 클리핑될 때마다, 확산되는 에너지가 더 많고 이는 간섭을 유발한다. 본 발명에서는, 고전력들만이 알맞게 클리핑되는 것과, 그러나 저전력들에서 더욱 많은 클리핑이 이루어지는 것을 선택하는 것이 가능하다. 결과적으로 더 적은 에너지가 확산되고 더 나은 피크 EVM이 동적 클리핑 기술에 의해 달성된다.
슬루율 제한 엔벌로프 클리핑은 기저대역에 구현되고, 그에 따라 RF 장치는 심하게 압축될 필요가 없다. 이는, RF 장치의 AM/PM 변환이 RF 캐리어에 영향을 덜 끼침을 의미한다.
Vds의 슬루율 제한 때문에, 스위치 모드 전력 공급원은 이제 더 낮은 속도로 작동할 수 있고 그래서 더 나은 효율성이 전력 증폭기(15)의 DC/DC 변환기에서 달성된다. 또한, Vds 프로파일(12)의 감소된 대역폭으로 인해, RF 장치의 AM/PM 측파대들이 인접 채널에 쉽게 누설되지 않는다.
본 발명은 드레인 소스 전압을 변화시키고 일부 효율성을 회복하기 위해 변화(variation)의 대역폭을 감소시킨다. 전력이 허용치를 초과하는 곳에는 왜곡이 존재한다. 기지국을 위한 최대 허용 왜곡을 지령하는 표준들이 존재하고 제조업자들이 상기 표준들의 왜곡 제한들을 만족시키기 위해 최대 전력을 고정시키는 것은 일반적인 방법이다. 그러나, 왜곡 예산(distortion budget)은 원하는 형상을 얻기 위해 특정 알고리즘들을 이용함으로써 재할당될 수 있다.
입력 신호가 높은 피크들을 지령하고, 그래서 알고리즘들은 최소 슬루율로 변동(fluctuation)을 감소시키기 위해 상기 높은 피크들을 제어한다. 그러면 새로운 신호가 최적화된 결과로 생성된다. 이 파형은 다양한 방식의 클리핑에 의해 생성되고, 신호 피크들 주위에서 타협한다. 두 번째 과정은 신호를 수정하는 것으로 클리핑 엔벌로프를 초과하지 않으며 또한 제공된다.

Claims (9)

  1. 무선 주파수(RF) 선형 전력 증폭기를 제어하기 위한 방법으로서,
    순시 입력 신호를 입력받는 단계;
    필터링된 입력 신호를 생성하기 위해 상기 순시 입력 신호를 필터링하는 단계;
    수정된 드레인 소스 전압(Vds) 파형과 수정된 순시 입력 신호를 생성하기 위해 상기 순시 입력 신호와 상기 필터링된 입력 신호를 결합하는 단계;
    상기 수정된 드레인 소스 전압(Vds) 파형에 따라 상기 RF 선형 전력 증폭기에 대한 스위치 모드(a switched mode) 전력 공급원을 조정하는 단계; 및
    상기 수정된 순시 입력 신호를 이용하여 상기 RF 선형 전력 증폭기의 입력을 구동하는 단계를 포함하는,
    선형 전력 증폭기 제어 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    클리핑 프로파일(a clipping profile)을 생성하는 단계를 더 포함하는,
    선형 전력 증폭기 제어 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 클리핑 프로파일과 상기 순시 입력 신호를 곱함으로써 수정된 출력 신호를 생성하는 단계를 더 포함하는,
    선형 전력 증폭기 제어 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 수정된 Vds 파형은 상기 순시 입력 신호의 슬루율에 관련하여 감소된 슬루율(a reduce slew rate)을 갖는,
    선형 전력 증폭기 제어 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    에러 벡터 크기(error vector magnitude), 인접 채널 전력과 효율성이 상기 수정된 Vds 파형을 최적화하기 위해 적응되는,
    선형 전력 증폭기 제어 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 수정된 Vds 파형의 대역폭은 상기 순시 입력 신호의 대역폭에 관련하여 감소된,
    선형 전력 증폭기 제어 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 순시 입력 신호를 상기 수정된 Vds 파형 내에 유지시키기 위해 수정하는 단계를 더 포함하는,
    선형 전력 증폭기 제어 방법.
  8. 무선 주파수(RF) 선형 전력 증폭 시스템으로서,
    선형 전력 증폭기;
    입력 Vds 파형을 필터링하기 위한 필터;
    수정된 드레인 소스 전압 Vds 파형과 수정된 순시 입력 신호를 생성하기 위해 필터링된 Vds 파형을 상기 입력 Vds 파형과 결합하기 위한 결합기; 및
    상기 RF 선형 전력 증폭기에 전력을 공급하기 위한 스위치 모드 전력 공급원 - 상기 전력 공급원은 상기 수정된 Vds 파형에 의해 조정되고 상기 RF 선형 전력 증폭기의 입력은 상기 수정된 순시 입력 신호에 의해 구동됨 - 을 포함하는,
    선형 전력 증폭 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 필터는 이동 평균 필터(a moving average filter)인,
    선형 전력 증폭 시스템.
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