KR100895532B1

KR100895532B1 - 효율이 향상된 디지털 전치왜곡 증폭기

Info

Publication number: KR100895532B1
Application number: KR1020080104558A
Authority: KR
Inventors: 이봉균; 김인호
Original assignee: 주식회사 엠텍아이앤씨
Priority date: 2008-10-24
Filing date: 2008-10-24
Publication date: 2009-04-30

Abstract

본 발명은 효율이 향상된 디지털 전치왜곡 증폭기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고출력 증폭기에 포함된 반도체 소자의 바이어스를 디지털 콘트롤러를 통해서 조절하여 디지털 전치왜곡 보드와의 최적화된 증폭 위치를 찾음으로써 증폭기의 소요전류를 감소시켜 효율을 향상시킬 수 있도록 하는 효율이 향상된 디지털 전치왜곡 증폭기에 관한 것이다.

본 발명에 따르면 일반적으로 20% 정도인 디지털 전치왜곡 증폭기의 효율을 25% 정도까지 향상시킬 수 있으며, 발열량을 줄여서 별도의 쿨러나 냉각장치를 설치하지 않고 자연방열 상태에서도 정상적인 동작이 가능해지는 효과가 있다.

무선통신, 중계기, 전치왜곡, 고출력 증폭기, 바이어스, DPD

Description

효율이 향상된 디지털 전치왜곡 증폭기{HIGHLY EFFICIENT DIGITAL PRE-DISTORTION AMPLIFIER}

본 발명은 효율이 향상된 디지털 전치왜곡 증폭기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고출력 증폭기에 포함된 반도체 소자의 바이어스를 콘트롤러를 통해서 조절하여 디지털 전치왜곡 보드와의 최적화된 증폭 위치를 찾음으로써 증폭기의 소요전류를 감소시켜 효율을 향상시킬 수 있도록 하는 효율이 향상된 디지털 전치왜곡 증폭기에 관한 것이다.

무선통신 시장의 폭발적인 발전에 따라 통화시간을 늘이고 통화품질을 개선하기 위한 여러가지 기술들이 개시되고 있다.

특히 디지털 신호 변조방식을 사용하는 통신망에서 통화품질 개선을 위해 우수한 선형성을 갖는 전력 증폭기가 요구되고 있는데, 현재까지 널리 알려진 전력 증폭기의 비선형성을 보상할 수 있는 선형화 기술 방법으로는 백오프(Back-Off) 방식, 부궤환(Negative Feedback) 방식, 포락선 궤환(Envelope Feedback) 방식, 전치 왜곡(PreDistortion) 방식, 전방 궤환(FeedForward) 방식 등이 있다.

그 중에서 전방 궤환(Feed Forward) 방식은 구조가 복잡한 반면에 다른 방식 에 비해 선형화 정도가 매우 우수하며 광대역의 특성을 갖고 있다. 이러한 전방 궤환(Feed Forward) 선형 전력증폭기는 디바이스의 열화나 환경에 의한 전체 성능을 보상해주기 위해 적응제어가 필수적으로 필요하며 복잡한 냉각방식 요구되고 있다.

전치 왜곡(Predistortion; PD)은 전력 증폭기의 비선형성이 보상되게 하기 위하여 전력증폭기의 입력 신호에 고의적으로 왜곡을 주는 과정이다. 디지털 전치 왜곡(Digital Predistortion; DPD)은 전방 궤환(Feed Forward) 방식보다 전력 면에서 더 효율적이고 비용적으로 더 효율적인 가장 유망한 선형성 기술 중의 하나이다.

도 1은 일반적인 전치왜곡 증폭기의 구조를 나타낸 블럭도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 전치왜곡기를 이용하여 선형화된 전력증폭기 모듈은 전치왜곡기(1) 및 전력증폭기(2)로 구성된다.

상기 전치왜곡기(1)는 전력증폭기(2)에서 발생하는 왜곡 특성을 보상하는 특성을 가져야 한다. 왜냐하면, 상기 전력증폭기(2)는 어느 범위 이상의 입력전력에서는 이득 특성이 포화(이득 압축)되는 특성을 갖기 때문이다.

이에 따라, 전력증폭기(2)의 전단에 위치하는 전치왜곡기(1)가 이득을 확장시키는 특성을 갖고 있다면 전력증폭기(2)의 이득 압축 특성을 개선 할 수 있다. 즉, 전력증폭기(2)의 이득 압축 개선은 전력증폭기(2)의 선형성을 개선한 것이된다.

도 2는 전치왜곡 증폭기의 선형화 과정을 나타낸 신호 파형도로서, 전력증폭기(2)에서 발생하는 이득의 포화를 보상하기 위하여 전치왜곡기(1)에서 입력신호의 이득을 확장시키는 방법이 나타나 있다.

그런데, 이와 같은 전치왜곡을 이용한 증폭기가 무선통신 신호를 증폭과 왜곡시키는 과정에서 최적의 효율을 가지도록 제어하여 전력소모를 줄이고 불필요한 장치의 증설을 막기위한 조절장치는 개시되지 못하고 있다.

만약 왜곡의 폭이나 증폭소자의 바이어스 전류가 과도한 경우에는 전류의 크기가 커져서 설비가 대형화되고, 발열량이 많아져서 별도의 냉각장치가 필요해지는데, 이에 따른 비용이나 유지보수 부하가 증대되는 문제점이 있었다.

전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 증폭기 내부에 설치된 반도체 소자의 바이어스를 디지털 콘트롤러를 통해서 조절하여 디지털 전치왜곡 보드와의 적절한 크기를 선택함으로써 무선통신 신호의 규격에 부합하면서도 전력 소비를 줄일 수 있도록 하는 효율이 향상된 디지털 전치왜곡 증폭기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 전치왜곡 방식을 이용하여 디지털 무선통신 신호의 출력을 증폭시키는 증폭기로서, 반도체 소자를 이용하여 무선통신 신호의 출력을 증폭시키는 고출력 증폭기와; 상기 고출력 증폭기에 포함된 반도체 소자에 의해 무선통신 신호의 증폭시 발생하는 이득의 포화를 보상하기 위하여 상기 무선통신 신호의 이득을 상향 왜곡시켜 상기 고출력 증폭기로 출력하는 왜곡부와; 상기 고출력 증폭기로부터 출력되는 아날로그 무선통신 신호를 디지털 신호로 변환하여 상기 왜곡부로 입력하는 A/D 변환기;를 포함하며, 상기 고출력 증폭기는 상기 반도체 소자의 바이어스를 조절하여 최적화된 선형 특성을 갖는 무선통신 신호가 출력되도록 조절하는 디지털 콘트롤러를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 디지털 콘트롤러는 상기 반도체 소자의 바이어스를 조절하여 출력 무선통신 신호의 이득이 3dB 내지 6dB 떨어지도록 제어하는 것을 특징으로 한다.

이하에서 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 효율이 향상된 디지털 전치왜곡 증폭기(이하, '전치왜곡 증폭기'라 함)를 설명한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 증폭기의 구조를 나타낸 블럭도이다.

본 발명의 전치왜곡 증폭기(100)는 왜곡부(110)와 고출력 증폭기(HPA; 120), 커플러(130), A/D 변환기(140)로 이루어진다.

왜곡부(110)는 입력되는 무선통신 신호의 이득을 확장시켜 고출력 증폭기(120)로 입력하는데, 왜곡부(110)에서 확장되는 이득의 폭은 A/D 변환기(140)에서 입력되는 출력신호와 최초의 입력신호(왜곡되기 전 신호)를 비교하여 적절하게 결정된다.

디지털보드(112)는 입력된 무선통신 신호를 왜곡시켜 출력하며, CPU(114)는 피드백되는 출력신호를 바탕으로 적절한 이득의 확장폭을 결정한다. 왜곡부(110)에서 이루어지는 신호의 왜곡은 통상적으로 알려진 기술과 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.

고출력 증폭기(120)는 입력되는 고주파 무선통신 신호의 출력을 트랜지스터(121a, 121b, 121c)를 이용하여 증폭한다. 증폭된 신호는 커플러(130)에 의해 커플링되어 고주파 신호가 A/D 변환기(140)에 의해 디지털 신호로 변경되어 CPU(114)를 통해 디지털 보드(112)로 입력된다.

이렇게 입력된 디지털 신호는 왜곡부(110)를 거치면서 전치왜곡 과정을 거친 신호이므로 왜곡 성분을 가지고 있는 신호이다. CPU(114)는 입력되는 깨끗한 입력신호와 왜곡 성분을 가진 피드백 신호를 비교하여 디지털 보드(112)에서 적절한 크기의 디지털 전치 왜곡이 일어나도록 위상과 크기를 조절하여 입력함으로써 전치왜곡 증폭기(100)가 동작되는 것이다.

전치왜곡된 신호가 고출력 증폭기(120)의 증폭과정에서 이득의 포화과정을 거치면서 선형화된 신호로 변하게 된다.

여기서 고출력 증폭기(120)에 포함된 트랜지스터(121a, 121b, 121c)의 게이트 바이어스를 조절함으로서 트랜지스터(121a, 121b, 121c)의 급이 바뀌는데, 스퓨리어스를 안 좋은 방향으로 유도하여 효율을 높여서 디지털 왜곡 방식과 접목하여 왜곡을 없앨 수 있다.

본 발명의 고출력 증폭기(120)에 사용되는 트랜지스터(121a, 121b, 121c)는 AB급에서 동작하도록 제어된다. 따라서 종래기술에 따른 증폭기보다 작은 크기의 전류만으로도 동작할 수 있기 때문에 전력소모와 발열량이 줄어드는 것이다.

디지털 콘트롤러(124)는 전치왜곡 증폭기(100)의 효율이 극대화되는 지점까지만 전치왜곡과 증폭이 이루어지도록 제어하게 된다.

트랜지스터(121a, 121b, 121c) 바이어스의 조절로 인하여 스퓨리어스가 나빠질 수 있지만, 일반적인 무선통신 규격을 만족하는 범위내에서 조절이 되므로 통신품질의 저하는 거의 일어나지 않게 된다.

도 4는 증폭기에서 출력되는 4주기 무선통신 신호의 파형을 비교한 그래프로서, 적절한 범위내에서 전치왜곡이 일어나는 것을 표시하고 있다.

본 발명에서는 일반적인 전치왜곡 증폭기에서 이루어지는 왜곡에 비하여 3dB 내지 6dB 만큼 작은 파형의 왜곡이 일어나도록 한다. 이 범위에 미치지 못하는 경우에는 증폭기 효율에서 의미있는 차이가 나타나지 않게 되며, 이 범위를 넘어서는 경우에는 통화품질에 문제가 생길 수 있으므로, 디지털 콘트롤러(124)는 이 범위내에서 동작되도록 제어한다.

예를 들어 40W 중계기에 고출력 증폭기는 보통 60W 급을 사용하며 전류는 19A/27V 이다. 그러나 본 발명의 디지털 전치왜곡 증폭기(100)를 사용하면 전류는 13A/27V로 줄일 수 있으며, 본 발명에서 제시한 방법으로 바이어스를 컨트롤하여 효율을 높일 경우 전류는 약 9.0A/27V 까지 줄일 수 있게 되므로 발열량을 크게 줄일 수 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

도 1은 일반적인 전치왜곡 증폭기의 구조를 나타낸 블럭도.

도 2는 전치왜곡 증폭기의 선형화 과정을 나타낸 신호 파형도.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 증폭기의 구조를 나타낸 블럭도.

도 4는 증폭기에서 출력되는 4주기 무선통신 신호의 파형을 비교한 그래프.

Claims

전치왜곡 방식을 이용하여 디지털 무선통신 신호의 출력을 증폭시키는 증폭기로서,

AB급에서 동작하는 반도체소자를 이용하여 무선통신 신호의 출력을 증폭시키는 고출력 증폭기와;

상기 고출력 증폭기에 포함된 반도체 소자에 의해 무선통신 신호의 증폭시 발생하는 이득의 포화를 보상하기 위하여 상기 무선통신 신호의 이득을 상향 왜곡시켜 상기 고출력 증폭기로 출력하는 왜곡부와;

상기 고출력 증폭기로부터 출력되는 아날로그 무선통신 신호를 디지털 신호로 변환하여 상기 왜곡부로 입력하는 A/D 변환기;를 포함하며,

상기 고출력 증폭기는

상기 반도체 소자의 바이어스를 조절하여 최적화된 선형 특성을 갖는 무선통신 신호가 출력되도록 조절하는 디지털 콘트롤러를 포함하며,

상기 디지털 콘트롤러는

상기 반도체 소자의 바이어스를 조절하여 출력 무선통신 신호의 이득이 3dB 내지 6dB 떨어지도록 제어하는 것을 특징으로 하는, 효율이 향상된 디지털 전치왜곡 증폭기.
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