KR101046785B1 - Ｏｆｄｍ 신호 증폭의 효율을 증강시키기 위한 믹스드 모드ｌｉｎｃ를 사용한 전력 증폭 방법 및 시스템 - Google Patents

Ｏｆｄｍ 신호 증폭의 효율을 증강시키기 위한 믹스드 모드ｌｉｎｃ를 사용한 전력 증폭 방법 및 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 믹스드 모드 LINC를 사용한 증폭 방법은, (i) 입력 신호의 크기(magnitude)가 기설정된(predetermined) 값을 초과하면, 이를 제1, 제2 및 제3 입력 신호로서 분해하는 단계, 제1 및 제2 입력 신호를 각각 비선형 전력 증폭하여 제1 및 제2 증폭 신호를 생성하는 단계, 제3 입력 신호를 선형 전력 증폭하여 제3 증폭 신호를 생성하는 단계, 및 제1, 제2 및 제3 증폭 신호를 합하여 선형성이 있는 증폭 신호를 제공하는 단계를 포함하고, (ii) 상기 입력 신호의 크기가 기설정된 값 이하이면, 이를 제1 및 제2 입력 신호로서 분해하는 단계, 제1 및 제2 입력 신호를 각각 비선형 전력 증폭하여 제1 및 제2 증폭 신호를 생성하는 단계, 및 제1 및 제2 증폭 신호를 합하여 선형성이 있는 증폭 신호를 제공하는 단계를 포함한다. 이에 따르면, PAPR이 높은 OFDM 신호에 대한 전력 증폭을 수행함에 있어서 선형성 특성을 만족시키면서도 전력 효율을 향상시킬 수 있게 되는 효과가 있다.
통신 시스템, linear amplification with nonlinear component, LINC, 전력 증폭기, 전력 효율

Description

ＯＦＤＭ 신호 증폭의 효율을 증강시키기 위한 믹스드 모드 ＬＩＮＣ를 사용한 전력 증폭 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR POWER AMPLIFICATION USING MIXED-MODE LINC IN ORDER TO ENHANCE THE EFFICIENCY OF OFDM SIGNAL AMPLIFICATION}
본 발명은 OFDM 신호 증폭의 효율을 증강시키기 위한 믹스드 모드 LINC를 사용한 전력 증폭 방법 및 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 크기가 작은 입력 신호에 대해서는 비선형 전력 증폭기에 의하여 종래의 LINC 시스템과 동일한 방법으로 동작하도록 하고, 크기가 큰 입력 신호에 대해서는 종래의 LINC 시스템과 함께 보조적인 선형 전력 증폭기를 복합적으로 동작하도록 함으로써, OFDM 신호 증폭의 효율을 증강시키기 위한 믹스드 모드 LINC를 사용한 전력 증폭 방법 및 시스템에 관한 것이다.
최근 무선 통신 기술이 널리 사용되고 있으며, 무선 통신 기기의 다양한 기능을 수행하기 위하여 높은 데이터 전송률이 요구되고 있는 실정이다. 제한된 주파수 대역에서 이러한 높은 데이터 전송률을 달성하기 위하여, 그 동안 많은 연구들은 주파수 효율에 초점을 맞추어 왔다. 이러한 요구를 만족시킬 수 있는 무선 통신 표준 중 하나로서 직교 주파수 분할(Orthogonal Frequency Division Multiplexing: OFDM) 방식이 있는데, OFDM 방식은 주파수 효율이 뛰어나고 높은 최대 전력 대 평균 전력 비(Peak to Average Power Ratio: PAPR)를 나타내는 것이 특징이다.
한편, 셀(cell) 배터리와 같은 휴대용 전원 공급 수단이 장착된 무선 통신 기기에 대하여 요구되는 실질적이고 다양한 문제 중 하나인 전력 소비 문제가 무선 통신 시스템 분야에서 중요한 이슈로 떠올랐다. 이러한 이유로 인해서 무선 통신 시스템에서 전력 효율(power efficiency) 구조에 대한 연구가 필수적이게 되었다. 또한, 무선 통신 시스템의 선형성(linearity)도 전력 효율에 못지 않게 중요한 특성으로서 설계 시에 반드시 고려되어야 할 사항이다. 하지만, 시스템의 전력 효율과 선형성 사이에는 trade-off가 존재하기 때문에, 상기 두 가지 특성을 동시에 만족시키는 것은 매우 어려운 것이 실정이다.
이와 같은 어려움을 해결하기 위하여, LINC(Linear amplification with Nonlinear Components)라는 기술이 소개되었는데, LINC는 효율이 매우 높은 두 개의 비선형 증폭기로 구현되는 것으로서, 선형성을 만족하면서도 높은 효율을 달성할 수 있는 전력 증폭 방법의 가장 강력한 후보 중 하나이다.
종래의 LINC 시스템은 두 개의 위상 변조된 신호들을 증폭하기 위한 비선형 전력 증폭기로 구성된다. 여기서, 이들 신호들은 일정한 포락선(envelope)을 가지고 있기 때문에 고효율의 비선형 전력 증폭기를 사용하여 증폭할 수 있다. 종래의 LINC 시스템에 의하면, 비선형 증폭을 수행한 후에, 분해되었던 두 개의 신호를 결 합기에 의해 결합함으로써 선형성이 복원될 수 있을 것이다. 하지만, 고효율의 증폭을 가능하게 한다는 장점에도 불구하고, 종래의 LINC 시스템은 입력되는 신호의 크기가 작을 때에도 큰 전력으로 동작하기 때문에 전력 손실(power dissipation)이 크다는 문제점이 있었다. 특히, 종래의 LINC 시스템의 위와 같은 문제점은 OFDM과 같은 PAPR이 높은 신호에 있어서 더욱 심각해진다.
따라서, 위와 같은 문제점을 해결하기 위한 시스템 설계의 필요성이 대두되었으며, 최근 몇 년간 이를 해결하기 위한 많은 연구들이 진행되어 왔다.
따라서, 본 발명의 목적은, 믹스드 모드 LINC(Mixed-Mode Linear amplification with Nonlinear Components)를 사용한 전력 증폭 방법 및 시스템을 제공함으로써, PAPR(Peak to Average Power Ratio)이 높은 OFDM 신호에 대한 증폭을 수행함에 있어서 전력 효율을 향상시킴과 동시에 선형성을 유지할 수 있도록 하는 것이다.
상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하고, 후술하는 본 발명의 특징적인 효과를 실현하기 위한, 본 발명의 특징적인 구성은 하기와 같다.
본 발명의 일 태양에 따르면, 믹스드 모드 LINC(Mixed-Mode Linear amplification with Nonlinear Components)를 사용한 전력 증폭 방법으로서, (i) 입력 신호의 크기(magnitude)가 기설정된(predetermined) 값을 초과하면, (a1) 상기 입력 신호를 각각의 위상을 가지는 제1 입력 신호, 제2 입력 신호 및 제3 입력 신호로서 분해하는 단계, (a2) 비선형 전력 증폭 기술을 사용하여 상기 제1 입력 신호 및 상기 제2 입력 신호를 각각 비선형 전력 증폭하여 제1 증폭 신호 및 제2 증폭 신호를 생성하는 단계, (a3) 선형 전력 증폭 기술을 사용하여 상기 제3 입력 신호를 선형 전력 증폭하여 제3 증폭 신호를 생성하는 단계, 및 (a4) 상기 제1 증폭 신호, 상기 제2 증폭 신호 및 상기 제3 증폭 신호를 신호 결합기를 통해 합하여 선형성이 있는 증폭 신호를 제공하는 단계를 포함하고, (ii) 상기 입력 신호의 크 기가 기설정된 값 이하이면, (b1) 상기 입력 신호를 각각의 위상을 가지는 제1 입력 신호 및 제2 입력 신호로서 분해하는 단계, (b2) 비선형 전력 증폭 기술을 사용하여 상기 제1 입력 신호 및 상기 제2 입력 신호를 각각 비선형 전력 증폭하여 제1 증폭 신호 및 제2 증폭 신호를 생성하는 단계, 및 (b3) 상기 제1 증폭 신호 및 상기 제2 증폭 신호를 결합기를 통해 합하여 선형성이 있는 증폭 신호를 제공하는 단계를 포함하는 믹스드 모드 LINC를 사용한 전력 증폭 방법이 제공된다.
본 발명의 다른 태양에 따르면, 믹스드 모드 LINC(Mixed-Mode Linear amplification with Nonlinear Components) 시스템으로서, 입력 신호의 크기(magnitude)가 기설정된(predetermined) 값을 초과하면 상기 입력 신호를 각각의 위상을 가지는 제1 입력 신호, 제2 입력 신호 및 제3 입력 신호로서 분해하고, 상기 입력 신호의 크기가 기설정된 값 이하이면, 상기 입력 신호를 각각의 위상을 가지는 제1 입력 신호 및 제2 입력 신호로서 분해하는 신호 분해부, 비선형 전력 증폭 기술을 사용하여 상기 제1 입력 신호 및 상기 제2 입력 신호를 각각 비선형 전력 증폭하여 제1 증폭 신호 및 제2 증폭 신호를 생성하는 비선형 전력 증폭부, 선형 전력 증폭 기술을 사용하여 상기 제3 입력 신호를 선형 전력 증폭하여 제3 증폭 신호를 생성하는 선형 전력 증폭부, 및 상기 제1 증폭 신호 및 상기 제2 증폭 신호를 합하거나, 상기 제1 증폭 신호, 상기 제2 증폭 신호 및 상기 제3 증폭 신호를 합하여 선형성이 있는 증폭 신호를 제공하는 신호 결합부를 포함하는 시스템이 제공된다.
본 발명에 따르면, 믹스드 모드 LINC(Mixed-Mode Linear amplification with Nonlinear Components)를 사용한 전력 증폭 방법 및 시스템을 제공함으로써, PAPR(Peak to Average Power Ratio)이 높은 OFDM 신호에 대한 증폭을 수행함에 있어서 선형성 특성을 만족시키면서도 전력 효율을 향상시킬 수 있게 되므로, 무선 통신 시스템에 획기적으로 적용 가능할 수 있다는 효과가 있다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일 또는 유사한 기능을 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구성을 상세하게 설명하도록 한다.
전체 시스템의 구성
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 믹스드 모드 LINC(Mixed-Mode Linear amplification with Nonlinear Components) 시스템(100)의 구성을 상세하게 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 믹스드 모드 LINC 시스템(100)은 신호 분해부(110), 비선형 전력 증폭부(120), 선형 전력 증폭부(130) 및 신호 결합부(140)를 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 믹스드 모드 LINC 시스템(100)의 동작 양태는 입력 신호의 레벨(level)에 따라 결정될 수 있는데, 구체적으로, 믹스드 모드 LINC 시스템(100)은 크기가 소정의 임계치보다 작은 입력 신호에 대해서는 비선형 전력 증폭부(120)만을 동작시켜 종래의 LINC 시스템과 동일한 방법으로 동작되도록 하고, 크기가 상기 소정의 임계치보다 큰 입력 신호에 대해서는 종래의 LINC 시스템과 함께 보조적인 선형 전력 증폭기를 같이 동작시켜 복합적으로 동작되도록 할 수 있다. 여기서, 비선형 전력 증폭부(120)는 가령 두 개의 비선형 전력 증폭기를 포함할 수 있으며, 각각의 비선형 전력 증폭기는 비선형 전력 증폭부(120)로 입력되는 각각의 신호(하기에서 살펴볼 제1 입력 신호(S1(t)) 및 제2 입력 신호(S2(t)))를 증폭하는 기능을 수행할 수 있다. 한편, 믹스드 모드 LINC 시스템(100)에 입력되는 입력 신호는 PAPR이 높은 신호일 수 있으며, 가령 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 신호일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아님을 밝혀둔다.
이하에서는, 믹스드 모드 LINC 시스템(100)의 각 구성요소에 대해서 상세하게 살펴보기로 한다.
먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 분해부(110)는, 입력 신호를 복수 개의 성분으로 분해하여 후술할 비선형 전력 증폭부(120) 및/또는 선형 전력 증폭부(130)로 입력되는 신호를 생성하는 기능을 수행한다. 구체적으로는, 신호 분해부(110)는 입력 신호(S(t))를 분해함으로써, 비선형 전력 증폭부(120)로 입력되는 제1 입력 신호(S1(t)) 및 제2 입력 신호(S2(t))를 생성할 수 있고, 입력 신호가 소정 임계치를 넘는 레벨을 가지는 경우, 상기 제1 입력 신호(S1(t)) 및 상기 제2 입력 신호(S2(t))뿐만 아니라 선형 전력 증폭부(130)로 입력되는 제3 입력 신호(S3(t))도 생성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 신호 분해부(110)는 전력 효율을 극대화하기 위하여 하기 <수학식 1> 내지 <수학식 6>에 따라 입력 신호(S(t))를 분해할 수 있다.
<수학식 1>
Figure 112008064944234-pat00001
<수학식 2>
Figure 112008064944234-pat00002
<수학식 3>
Figure 112008064944234-pat00003
<수학식 4>
Figure 112008064944234-pat00004
<수학식 5>
Figure 112008064944234-pat00005
<수학식 6>
Figure 112008064944234-pat00006
참고로, 상기 <수학식 1> 내지 <수학식 6>에 있어서, A(t)와 φ(t)는 각각 입력 신호(S(t))의 크기 및 위상을 나타내고, r은 복소 평면 상에서의 입력 신호(S(t))의 크기를 나타내며, r0는 입력 신호를 분해하는 데에 있어서 입력 신호의 크기와 비교되는 기준이 되는 기설정된(predetermined) 임계치를 나타낸다. 또한, 상기 <수학식 4>을 참조하면, S'(t)의 크기가 상기 임계치인 r0로 정해지고, 상기 <수학식 5>로 표현되는 후술할 제3 입력 신호(S3(t))는 입력 신호(S(t))가 r0 이상의 크기를 가질 때 S(t)-S'(t)로 표현되므로, r0를 초과하는 부분만이 제3 입력 신호로서 분해되게 되며, 이러한 점은 후술하는 도 2를 통해서도 명확하게 나타난다.
한편, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 믹스드 모드 LINC 시스템(100)의 신호 분해부(110)에 의해 입력 신호가 분해되는 상태를 예시적으로 나타내는 도면이다.
<수학식 1> 내지 <수학식 6> 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 분해부(110)는 입력 신호의 크기에 따라 입력 신호를 다음과 같이 분해할 수 있다. 하지만, 반드시 상기 수식에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 범위 내에서 변경될 수 있음을 밝혀둔다.
(i) 입력 신호의 크기(r)가 기설정된 값(r0) 이하인 경우에는, 신호 분해부(110)는 입력 신호를 각각의 위상을 가지는 제1 입력 신호와 제2 입력 신호로서 분해한다(즉, 제3 입력 신호의 값이 0이 된다.). 여기서, <수학식 2> 및 도 2에서 확인할 수 있는 바 같이, 입력 신호로부터 분해된 제1 입력 신호 및 제2 입력 신호의 위상은 분해되기 전의 입력 신호의 위상과 다를 수 있고, 제1 입력 신호와 제2 입력 신호의 위상도 서로 다를 수 있다. 이 경우에는, 분해 결과 생성된 제1 입력 신호 및 제2 입력 신호는 각각 비선형 전력 증폭부(120)로 입력되어 증폭되는 반면, 선형 전력 증폭부(130)로 입력되어야 할 제3 입력 신호는 0이 됨으로써, 결과적으로, 비선형 전력 증폭부(120)만이 동작하게 되므로, 믹스드 모드 LINC 시스템(100)은 종래의 LINC 시스템과 동일한 방법으로 동작하게 된다.
(ii) 입력 신호의 크기(r)가 기설정된 값(r0)을 초과하는 경우에는, 신호 분해부(110)는 입력 신호를 동일 위상을 가지는 제1 입력 신호, 제2 입력 신호 및 제3 입력 신호로서 분해할 수 있다. 여기서, <수학식 2>, <수학식 4> 및 도 2에서 확인할 수 있는 바와 같이, 입력 신호로부터 분해된 제1 입력 신호, 제2 입력 신호 및 제3 입력 신호의 위상은 분해되기 전의 입력 신호의 위상과 모두 같게 된다. 이 경우에는, 비선형 전력 증폭부(120)에는 제1 입력 신호 및 제2 입력 신호가, 선형 전력 증폭부(130)에는 제3 입력 신호가 입력됨으로써, 출력되는 증폭 신호가 비선형 전력 증폭부(120)와 선형 전력 증폭부(130)에 의한 영향을 모두 받게 된다.
다음으로, 비선형 전력 증폭부(120)에 포함된 2개의 비선형 전력 증폭기는 신호 분해부(110)에 의하여 생성된 제1 입력 신호 및 제2 입력 신호를 각각 증폭하여 제1 증폭 신호 및 제2 증폭 신호를 생성할 수 있고, 선형 전력 증폭부(130)는 제3 입력 신호를 증폭하여 제3 증폭 신호를 생성할 수 있다.
위에서 언급한 바와 같이, 비선형 전력 증폭부(120)로 입력된 신호를 증폭하면서 선형성을 유지하기 위해서는 LINC 증폭 기술을 사용해야 하는데, 상기 LINC 증폭 기술로서, D.C. Cox 외 1인이 저술하고, "IEEE Trans. Commun., Vol.22, Issue 12, pp.1942-1945, Dec.1974"에 게재된 논문인 "Linear Amplification with Nonlinear Components"를 예로 들 수 있다. 상기 논문에는, LINC 방식으로서, 입력된 변조 신호가 위상이 다른 2개의 위상 신호로 분리되고, 각 위상 신호가 비선형 증폭기에 의해 증폭되어 안테나 출력 시에 서로 합성되는 방법이 개시되어 있다(상기 논문의 내용은 그 전체가 본 명세서에 병합되어 있는 것으로 고려되어야 한다). 물론, 본 발명에 적용 가능한 LINC 기술이 상기 논문에 기재된 방법에만 한정되는 것은 아니며, 다양한 변형예를 적용하여 본 발명을 구현할 수 있을 것이다.
또한, 위에서 언급한 바와 같이, 선형 전력 증폭부(130)로 입력된 신호를 선형 전력 증폭하기 위해서는 소정의 선형 전력 증폭 기술을 사용해야 하는데, 상기 선형 전력 증폭 기술로서, 한국과학기술원의 특허 중 2008년 4월 24일에 공고된 등록특허인 한국등록특허 제824773호(발명의 명칭: 선형 전력 증폭방법)의 등록공보의 종래 기술로서 개시된 "EER(Envelope Elimination and Restoration) 방식의 송신기" 및 1952년 L.R. Kahn이 저술하고 "Proceedings of the IRE, 1952"에 게재된 논문인 "Single-Sideband Transmission by Envelope Elimination and Restoration" 등을 예로 들 수 있다. 상기 등록특허공보 및 상기 논문 등에는, 포락선 정보와 위상 정보를 분리하여 증폭하고 그것을 각각을 전력 증폭기에서 다시 합쳐줌으로써 고효율을 가지면서 입력 신호에 선형한 출력 신호를 생성하는 선형 증폭 방법이 개시되어 있다(상기 등록특허공보 및 논문의 내용은 그 전체가 본 명세서에 병합되어 있는 것으로 고려되어야 한다). 물론, 본 발명에 적용 가능한 선형 전력 증폭 기술이 상기 논문에 기재된 방법에만 한정되는 것은 아니며, 다양한 변형예를 적용하여 본 발명을 구현할 수 있음은 물론이라 할 것이다.
다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 신호 결합기(140)는 입력 신호의 레벨에 따라, 상기 레벨이 임계치 이하일 경우 비선형 전력 증폭부(120)에 의하여 증폭되어 생성된 제1 증폭 신호 및 제2 증폭 신호를 합하여 선형성이 있는 증폭 신호를 생성할 수 있고, 상기 레벨이 임계치를 초과할 경우 비선형 전력 증폭부(120) 및 선형 전력 증폭부(130)에 의하여 증폭되어 생성된 제1 증폭 신호, 제2 증폭 신호 및 제3 증폭 신호를 모두 합하여 선형성이 있는 증폭 신호(Sout)를 생성할 수 있다.
이에 따라, 믹스드 모드 LINC 시스템(100)에 의하여 생성된 증폭 신호(Sout)는 높은 전력 효율을 가지는 동시에 선형성을 최대한 유지할 수 있게 된다. 이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 믹스드 모드 LINC 시스템(100)의 동작 원리에 대해서 보다 상세하게 살펴보기로 한다.
도 3은 종래의(conventional) LINC 시스템 및 본 발명의 일 실시예에 따른 믹스드 모드 LINC 시스템(100)에 있어서, 정규화된(normalized) 연속파(Continuous Wave: CW) 입력 신호가 인가될 때의 전력 효율을 비교하여 나타내는 도면이다.
참고로, 신호의 크기를 정규화하여 x축에 나타내었기 때문에, x축 상에 나타난 신호의 크기는 최대값에 대한 비율이 dB 단위로 표현된 것으로 받아들여져야 할 것이다.
한편, 도 3에 도시된 그래프의 세로축은 시스템의 전력 효율(%)을 나타낸다. 또한, 비선형 전력 증폭기의 전력 효율이 100% 이고, 선형 전력 증폭기의 전력 효율은 50%인 것으로 가정하였다.
먼저, 도 3에서 점선으로 표시된 곡선을 참조하면, 종래의 LINC 시스템은 입력 신호의 크기가 증가할수록 전력 효율이 증가하기는 하지만, 입력 신호의 크기가 작은 구간(예를 들면, x 축 상의 r0 이하인 구간)에서는 전력 효율이 상당히 낮은 것을 확인할 수 있다.
반면에, 도 3에서 실선으로 표시된 곡선을 참조하면, 믹스드 모드 LINC 시스템(100)은 입력 신호의 크기 구간을 전체적으로 고려했을 때 종래의 LINC 시스템보다 전력 효율이 높은 것을 확인할 수 있다. 이에 대해 구체적으로 살펴보면 다음과 같다. 즉, 믹스드 모드 LINC 시스템(100)은 r0 이하에서 입력 신호의 크기가 증가할수록 전력 효율이 상당히 높아짐으로써 낮은 크기의 입력 신호에 대한 전력 효율이 획기적으로 높아지게 된다. 여기서, r0 는 상기에서 언급한 바와 같은 기설정된 임계치로서, 상술한 바와 같이 입력 신호의 분해 시 분해되는 신호의 개수 및 선형 전력 증폭기의 동작 유무를 결정하는 기준이 되는 값을 의미한다.
한편, 입력 신호의 크기가 r0보다 커지는 구간(즉, 선형 전력 증폭기가 동작하기 시작하는 지점)에서는, 제3 입력 신호를 증폭하기 위한 선형 전력 증폭기의 낮은 전력 효율로 인하여 믹스드 모드 LINC 시스템(100)의 전력 효율이 감소하게 된다. 그럼에도 불구하고, OFDM 변조 신호의 특성을 고려하면, 입력 신호의 크기가 r0보다 작은 구간에서 전력 효율이 향상되는 정도가 r0보다 큰 구간에서 전력 효율이 악화되는 정도보다 훨씬 크기 때문에, 전체적으로는, 믹스드 모드 LINC 시스템(100)의 전력 효율이 크게 향상될 수 있다. 이하에서는, OFDM 변조 신호에 있어서 믹스드 모드 LINC 시스템(100)의 전력 효율이 크게 향상되는 이유에 대하여 더욱 상세하게 살펴보기로 한다.
도 4는 OFDM 변조 신호의 정규화된 크기에 따른 확률 밀도 함수(probability density function)의 형태를 나타내는 도면이다. 참고로, 신호의 크기를 정규화하여 x축에 표시하였기 때문에, x축 상에 나타난 신호의 크기는 최대값에 대한 비율이 dB 단위로 표현된 것으로 받아들여져야 할 것이다.
도 4의 확률 밀도 함수를 참조하면, 대부분의 OFDM 신호는 그 크기가 최대값(0dB)의 절반(-3dB) 이하인 구간에 존재하는 것을 확인할 수 있다.
따라서, 도 3의 전력 효율 곡선 및 도 4의 OFDM 신호의 분포 특성을 고려할 때, 믹스드 모드 LINC 시스템(100)은 r0를 적절하게 설정하여 전력 효율이 높은 구간과 OFDM 신호가 조밀하게 존재하는 구간을 일치시킴으로써, 시스템의 전력 효율을 극대화할 수 있게 된다. 이하에서는, 전력 효율을 극대화하기 위하여 최적의 r0 를 설정하는 원리에 대해서 상세하게 살펴보기로 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 믹스드 모드 LINC 시스템(100)의 전력 효율을 정규화된 r0에 따라 나타내는 도면이다. 즉, 정규화된 r0가 1 인 경우는 r0 자체가 최대 전력에 해당되는 경우일 것이다.
도 5를 참조하면, 정규화된 r0가 1에 가까워지면 거의 모든 크기의 입력 신호에 대해서 2개의 비선형 전력 증폭기만이 동작하기 때문에 믹스드 모드 LINC 시스템(100)은 종래의 LINC 시스템의 동작에 가까워지게 되고, 정규화된 r0가 0에 가까워지면 상당 부분의 입력 신호가 선형 전력 증폭기에 의해 증폭되는 셈이 되므로 믹스드 모드 LINC 시스템(100)은 거의 선형 전력 증폭기와 같이 동작하게 된다. 특히, 정규화된 r0가 0.4에서 0.5 사이일 때, 믹스드 모드 LINC 시스템(100)의 전력 효율이 가장 높아지는데, 이는 상술한 바와 같이 도 3 및 도 4를 참조하여 검토한 결과와 일치하는 것이다.
예를 들어, 정규화된 r0가 0.5인 경우를 가정하면, 도 3 중 믹스드 모드 LINC 시스템(100)의 전력 효율이 높은 구간이 도 4 중 OFDM 신호가 조밀하게 존재하는 부분과 겹쳐지게 되므로, 믹스드 모드 LINC 시스템(100)의 전체적인 전력 효율이 극대화될 것으로 예상할 수 있다.
이와 같이 입력 신호의 특성에 따라 r0의 값을 적절히 조절함으로써, 입력 신호마다 최적의 효율을 가지는 선형 증폭 시스템을 구현할 수 있게 된다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 믹스드 모드 LINC 시스템(100)의 전력 효율에 대한 시뮬레이션 결과를 종래의 LINC 시스템의 전력 효율과 비교하여 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하면, 점선으로 표시된 종래의 LINC 시스템과 비교할 때 본 발명의 일 실시예에 따른 믹스드 모드 LINC 시스템(100)의 전력 효율이 현저하게 향상된 것을 확인할 수 있다.
실험 방법 및 결과
이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 믹스드 모드 LINC 시스템(100)의 전력 효율에 대해 실제로 실험을 수행한 결과를 도면들을 참조하여 비교, 설명하기로 한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1과 같은 믹스드 모드 LINC 시스템(100)에 대해 실제로 실험을 수행하기 위하여 사용된 회로의 구성을 예시적으로 나타내는 도면이다.
도 7을 참조하면, 믹스드 모드 LINC 시스템(100)의 신호 분해부(110)는 Mathworks 사의 MATLAB 프로그램을 이용하여 signal component separation(SCS) 처리 및 up-conversion 처리를 수행하도록 구현하였음을 알 수 있다. 그리고, 비선형 전력 증폭부(120)로서 0.18-um CMOS 기술이 사용된 스위칭 증폭기(switching amplifier)가 사용되었으며, 선형 전력 증폭부(130)로서는 MACOM 사의 MAAPSS0075가 사용되었다. 또한, 입력 신호로서 무선 WiMAX 신호로서 중심 주파수는 2.3GHz, 대역폭은 8.75MHz로서 변조된 신호가 사용되었다. 마지막으로, 이 밖에 본 실험에 있어서 필요한 모든 신호(S1, S2, S3 신호 및 enable 신호 등)는, Tektronix 사의 Arbitrary Waveform Generator(AWG) 7102에 의하여 생성되었다.
본 실험 결과에 따르면, 동일한 입력 신호에 대하여, 종래의 LINC 시스템은 8.5dB의 이득에 4%의 전력 부가 효율(power-added efficiency: PAE)을 가지는 것에 반해, 믹스드 모드 LINC 시스템(100)은 16.5dB의 이득에 17.4%의 전력 부가 효율(PAE)을 발휘하는 것으로 나타났다. 즉, 믹스드 모드 LINC 시스템(100)에 의하여 전력 부가 효율이 약 4.5배 향상된 것으로서, 이와 같은 효과는 종래의 LINC 시스템에 의하여는 달성되기 어려운 것으로 평가될 수 있다.
한편, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 믹스드 모드 LINC 시스템(100)의 선형성에 대한 실험을 수행한 결과를 나타내는 도면이다. 여기서, fluctuation이 심한 선은 실험 결과 얻어진 출력 신호의 power spectrum density(PSD)를 나타내고, 나머지 직선들의 조합으로 이루어진 선은 4.77MHz에서의 30dBc의 인접 채널 전력 비(adjacent channel power ratio: ACPR)를 만족하는 스펙트럼 마스크(spectrum mask)를 나타낸다.
도 8을 참조하면, 믹스드 모드 LINC 시스템(100)의 출력 신호가 특정 인접 채널 전력 비 조건(4.77MHz에서 30dBc의 인접 채널 전력 비)을 만족하는 것을 확인할 수 있는데, 인접 채널 전력 비가 시스템의 선형성을 평가하는 지표라는 점을 고려할 때, 믹스드 모드 LINC 시스템(100)의 선형성이 유지되고 있는 것으로 평가할 수 있다.
이상에서 본 발명이 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명이 상기 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형을 꾀할 수 있다.
따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등하게 또는 등가적으로 변형된 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 믹스드 모드 LINC(Mixed-Mode Linear amplification with Nonlinear Components) 시스템(100)의 구성을 상세하게 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 믹스드 모드 LINC 시스템(100)의 입력 신호가 분해되는 상태를 예시적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 종래의(conventional) LINC 시스템 및 믹스드 모드 LINC 시스템(100)에 있어서 정규화된(normalized) 연속파(Continuous Wave; CW) 입력 신호가 인가될 때의 전력 효율을 나타내는 도면이다.
도 4는 정규화된 OFDM 변조 신호의 크기에 따른 확률 분포를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 믹스드 모드 LINC 시스템(100)의 전력 효율을 정규화된 r0에 따라 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 믹스드 모드 LINC 시스템(100)의 전력 효율에 대한 시뮬레이션 결과를 종래의 LINC 시스템의 전력 효율과 비교하여 나타내는 도면이다
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1과 같은 믹스드 모드 LINC 시스템(100)에 대해 실제로 실험을 수행하기 위하여 사용된 회로의 구성을 예시적으로 나타내는 도면이다.
한편, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 믹스드 모드 LINC 시스템(100)의 선형성에 대한 실험을 실제로 수행한 결과를 나타내는 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100: 믹스드 모드 LINC 시스템
110: 신호 분해부
120: 비선형 전력 증폭부
130: 선형 전력 증폭부
140: 신호 결합부

Claims (13)

  1. 믹스드 모드 LINC(Mixed-Mode Linear amplification with Nonlinear Components)를 사용한 전력 증폭 방법으로서,
    (i) 입력 신호의 크기(magnitude)가 기설정된(predetermined) 값을 초과하면,
    (a1) 상기 입력 신호를 각각의 위상을 가지는 제1 입력 신호, 제2 입력 신호 및 제3 입력 신호로서 분해하는 단계,
    (a2) 비선형 전력 증폭 기술을 사용하여 상기 제1 입력 신호 및 상기 제2 입력 신호를 각각 비선형 전력 증폭하여 제1 증폭 신호 및 제2 증폭 신호를 생성하는 단계,
    (a3) 선형 전력 증폭 기술을 사용하여 상기 제3 입력 신호를 선형 전력 증폭하여 제3 증폭 신호를 생성하는 단계, 및
    (a4) 상기 제1 증폭 신호, 상기 제2 증폭 신호 및 상기 제3 증폭 신호를 신호 결합기를 통해 합하여 선형성이 있는 증폭 신호를 제공하는 단계
    를 포함하고,
    (ii) 상기 입력 신호의 크기가 기설정된 값 이하이면,
    (b1) 상기 입력 신호를 각각의 위상을 가지는 제1 입력 신호 및 제2 입력 신호로서 분해하는 단계,
    (b2) 비선형 전력 증폭 기술을 사용하여 상기 제1 입력 신호 및 상기 제2 입 력 신호를 각각 비선형 전력 증폭하여 제1 증폭 신호 및 제2 증폭 신호를 생성하는 단계, 및
    (b3) 상기 제1 증폭 신호 및 상기 제2 증폭 신호를 결합기를 통해 합하여 선형성이 있는 증폭 신호를 제공하는 단계
    를 포함하는 믹스드 모드 LINC를 사용한 전력 증폭 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 입력 신호는 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 신호인 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기설정된 값은 상기 입력 신호의 크기에 따른 상기 입력 신호의 확률 밀도 함수의 분포를 기준으로 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 (a1) 단계에서,
    상기 제1 입력 신호, 상기 제2 입력 신호 및 상기 제3 입력 신호는 동일 위상을 가지는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 비선형 증폭 기술은 스위칭 전력 증폭기(switching power amplifier)에 의해 구현되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 입력 신호의 크기가 상기 기설정된 값을 초과하는 경우에는, 상기 선형 전력 증폭을 수행하기 위한 소정의 enable 신호를 선형 전력 증폭부에 인가하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 믹스드 모드 LINC를 사용한 전력 증폭 시스템으로서,
    입력 신호의 크기가 기설정된 값을 초과하면 상기 입력 신호를 각각의 위상을 가지는 제1 입력 신호, 제2 입력 신호 및 제3 입력 신호로서 분해하고, 상기 입력 신호의 크기가 기설정된 값 이하이면, 상기 입력 신호를 각각의 위상을 가지는 제1 입력 신호 및 제2 입력 신호로서 분해하는 신호 분해부,
    비선형 전력 증폭 기술을 사용하여 상기 제1 입력 신호 및 상기 제2 입력 신호를 각각 비선형 전력 증폭하여 제1 증폭 신호 및 제2 증폭 신호를 생성하는 비선형 전력 증폭부,
    선형 전력 증폭 기술을 사용하여 상기 제3 입력 신호를 선형 전력 증폭하여 제3 증폭 신호를 생성하는 선형 전력 증폭부, 및
    상기 제1 증폭 신호 및 상기 제2 증폭 신호를 합하거나, 상기 제1 증폭 신호, 상기 제2 증폭 신호 및 상기 제3 증폭 신호를 합하여 선형성이 있는 증폭 신호를 제공하는 신호 결합부
    를 포함하는 시스템.
  9. 삭제
  10. 제8항에 있어서,
    상기 입력 신호는 OFDM 신호인 것을 특징으로 하는 시스템.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 신호 분해부는,
    상기 입력 신호의 크기가 상기 기설정된 값을 초과하면 상기 입력 신호를 동일 위상을 가지는 제1 입력 신호, 제2 입력 신호 및 제3 입력 신호로서 분해하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 비선형 전력 증폭부는,
    상기 제1 입력 신호를 증폭하는 제1 비선형 전력 증폭기 및 상기 제2 입력 신호를 증폭하는 제2 비선형 전력 증폭기를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 입력 신호의 크기가 상기 기설정된 값을 초과하는 경우에는, 상기 선형 전력 증폭부를 동작시키기 위한 소정의 enable 신호가 상기 선형 전력 증폭부에 인가되는 것을 특징으로 하는 시스템.
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