KR19990055425A - Structure of Power Amplifier with Phase Shifter Using Vector Modulator - Google Patents

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KR19990055425A KR1019970075369A KR19970075369A KR19990055425A KR 19990055425 A KR19990055425 A KR 19990055425A KR 1019970075369 A KR1019970075369 A KR 1019970075369A KR 19970075369 A KR19970075369 A KR 19970075369A KR 19990055425 A KR19990055425 A KR 19990055425A
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황태원
이용태
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정선종
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Abstract

본 발명은 벡터 변조기를 이용한 위상 천이 장치를 갖는 전력 증폭부의 구조에 관한 것이다.The present invention relates to a structure of a power amplifier having a phase shifting device using a vector modulator.

선형 변조 방식은 변조 신호의 진폭과 위상이 모두 변하는 특징을 갖는다. 따라서 선형 변조 신호의 송신에는 높은 선형성을 갖는 전력 증폭기가 요구된다. 그러나 선형 증폭기를 사용할 경우 전력 효율이 낮으므로 휴대용 단말기 등과 같이 전력 효율이 중요시되는 응용에서 전력 효율의 저하는 큰 문제가 된다. 이러한 전력 효율의 저하를 해결하기 위한 방법이 카테시안 피드백 루프(cartesian feedback loop)를 이용하는 방법이다. 이 방법은 전력 효율은 좋으나 비선형 특성을 갖는 증폭기를 피드백 루프를 사용하여 선형화 시킴으로써 높은 선형성과 전력 효율을 갖는 방법이다. 카테시안 피드백 루프를 이용하는 경우, 루프에서 발생하는 위상 지연을 보상하기 위한 장치가 필요하다.The linear modulation method is characterized in that both amplitude and phase of the modulated signal are changed. Therefore, a power amplifier having high linearity is required for the transmission of the linearly modulated signal. However, when the linear amplifier is used, the power efficiency is low, so the power efficiency is a big problem in applications where power efficiency is important, such as portable terminals. A method for solving such a decrease in power efficiency is a method using a Cartesian feedback loop. This method has high linearity and power efficiency by linearizing an amplifier with good power efficiency but nonlinear characteristics using a feedback loop. When using a Cartesian feedback loop, an apparatus is needed to compensate for the phase delay occurring in the loop.

본 발명에서는 루프에서 발생하는 위상 지연을 보상하기 위한 위상 천이 장치를 벡터 변조기를 사용하여 구현함으로써 위상 조정의 정밀도와 위상 가변 범위를 향상시킬 수 있는 벡터 변조기를 이용한 위상 천이 장치를 갖는 전력 증폭부의 구조가 제시된다.According to the present invention, a phase shifting device for compensating for phase delay occurring in a loop is implemented by using a vector modulator. The structure of the power amplifier having a phase shifting device using a vector modulator capable of improving the accuracy of phase adjustment and a range of phase variation can be achieved. Is presented.

Description

벡터 변조기를 이용한 위상 천이 장치를 갖는 전력 증폭부의 구조Structure of Power Amplifier with Phase Shifter Using Vector Modulator

본 발명은 벡터 변조기를 이용한 위상 천이 장치를 갖는 전력 증폭부의 구조에 관한 것으로 특히, 카테시안 피드백 루프를 이용한 전력 증폭기의 위상 천이 장치를 벡터 변조기를 사용하여 구현함으로써 위상 조정의 정밀도와 위상 가변 범위를 향상시킬 수 있는 벡터 변조기를 이용한 위상 천이 장치를 갖는 전력 증폭부의 구조에 관한 것이다.The present invention relates to a structure of a power amplifier having a phase shifting device using a vector modulator. In particular, a phase shifting device of a power amplifier using a Cartesian feedback loop is implemented by using a vector modulator. A power amplifier having a phase shifting device using a vector modulator that can be improved.

직교 진폭 변조(Quadrature Amplitude Midulation ;QAM), 단측파대(SingeSide Baseband ;SSB) 변조와 같은 선형 변조 방식에서 송신 신호의 파형은 진폭과 위상이 모두 변하는 특성이 있다. 따라서 선형 변조 신호의 증폭단에서는 높은 선형성이 요구되며, 이를 위해 A급 선형 증폭기를 사용할 경우, 전력 효율이 떨어지게 되므로 휴대용 단말기의 응용에서는 축전지 수명(battery life time) 등이 문제가 된다. 반면, 전력 효율이 좋은 C급 증폭기를 사용할 경우 선형성이 좋지 않은 문제가 있다.In linear modulation schemes such as quadrature amplitude modulation (QAM) and single side band (SSB) modulation, the waveform of a transmitted signal has a characteristic that both amplitude and phase change. Therefore, high linearity is required in the amplification stage of the linearly modulated signal. For this purpose, when the class A linear amplifier is used, power efficiency is reduced, so battery life time is a problem in the application of the portable terminal. On the other hand, there is a problem in that the linearity is not good when using a power-efficient class C amplifier.

이러한 전력 효율의 저하 문제를 해결하기 위하여 카테시안 피드백 루프(Cartesian feedback loop)가 제시되었는데, 이는 전력 효율은 좋으나 비선형 특성을 갖는 전력 증폭기를 피드백 루프를 사용하여 선형화 시키므로써 높은 선형성과 전력 효율을 갖는 전력 증폭단을 설계하는 기술이다.A Cartesian feedback loop has been proposed to solve this problem of power efficiency degradation. This is achieved by linearizing a power amplifier with good power efficiency but nonlinear characteristics by using a feedback loop. It is a technology to design a power amplifier stage.

그러나, 전력 효율을 개선하기 위하여 카테시안 피드백 루프를 사용할 경우, 루프에서 발생하는 위상 지연을 잘 보상해야 한다.However, when using a Cartesian feedback loop to improve power efficiency, the phase delay occurring in the loop must be well compensated.

따라서 본 발명은 루프에서 발생하는 위상 지연을 보상하기 위한 위상 천이 장치를 벡터 변조기를 사용하여 구현함으로써 위상 조정의 정밀도와 위상 가변 범위를 향상시킬 수 있는 벡터 변조기를 이용한 위상 천이 장치를 갖는 전력 증폭부의 구조를 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention implements a phase shifting device for compensating for phase delay occurring in a loop by using a vector modulator to improve the accuracy of phase adjustment and a range of phase variation. The purpose is to provide a structure.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 벡터 변조기를 이용한 위상 천이 장치를 갖는 전력 증폭부의 구조는 입력되는 동상 성분 신호 및 직각 성분 신호의 안정성을 유지하기 위한 루프 필터와, 상기 입력 신호를 변조하기 위한 캐리어 신호를 발생하는 국부 발진기와, 상기 루프 필터를 통해 안정화된 상기 입력 신호를 상기 국부 발진기로부터 입력된 캐리어 신호를 이용하여 고주파로 변조하기 위한 벡터 변조기와, 상기 벡터 변조기를 통하여 고주파 변조된 상기 입력 신호를 적절한 송신 전력을 생성하기 위해 증폭시키는 고주파 전력 증폭기와, 상기 고주파 전력 증폭기를 통하여 증폭된 상기 입력 신호를 샘플링하는 방향성 결합기와, 상기 국부 발진기를 통해 입력된 캐리어 신호의 위상을 지연시키기 위한 위상 천이 장치와, 상기 방향성 결합기에서 샘플링된 입력 신호를 상기 위상 천이 장치에서 지연된 캐리어 신호를 이용하여 복조하는 벡터 복조기와, 상기 입력 신호와 상기 벡터 복조기로부터 출력된 복조 신호의 위상을 맞추어 결합하는 차연산기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.The structure of the power amplifier having a phase shifting device using a vector modulator according to the present invention for achieving the above object is a loop filter for maintaining the stability of the in-phase signal and the quadrature component signal input, and modulating the input signal A local oscillator for generating a carrier signal, a vector modulator for modulating the input signal stabilized through the loop filter at high frequency using a carrier signal input from the local oscillator, and the high frequency modulated signal through the vector modulator A high frequency power amplifier for amplifying an input signal to produce an appropriate transmit power, a directional coupler for sampling the input signal amplified through the high frequency power amplifier, and for delaying the phase of a carrier signal input through the local oscillator; Phase shifting device and the directional grain And a vector demodulator for demodulating the input signal sampled by the device using a carrier signal delayed by the phase shifting device, and a differential operator for matching and combining the phase of the input signal and the demodulated signal output from the vector demodulator. It features.

도 1은 본 발명에 따른 카테시안 피드백 루프를 이용한 전력 증폭부의 구조도.1 is a structural diagram of a power amplifier using a Cartesian feedback loop according to the present invention;

도 2는 본 발명에 따른 벡터 변조기를 이용한 위상 천이 장치의 구조도.2 is a structural diagram of a phase shifting device using a vector modulator according to the present invention;

<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

11 : 루프 필터 12 : 변조기11: loop filter 12: modulator

13 : 고주파 증폭기 14 : 방향성 결합기13: high frequency amplifier 14: directional coupler

15 : 복조기 16 : 국부 발진기15 demodulator 16: local oscillator

17 : 위상 천이 장치 18, 19 : 차연산기17: phase shift device 18, 19: difference operator

21, 22 : 가변저항 23, 24 : 곱셈기21, 22: variable resistor 23, 24: multiplier

25 : 결합기25: combiner

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the present invention.

도 1은 카테시안 피드백 루프를 이용한 전력 증폭부의 구조도이다.1 is a structural diagram of a power amplifier using a Cartesian feedback loop.

입력 신호인 동상 신호(Inphase ;I) 및 직교 신호(Quadrature ;Q)는 기저대역 신호이며 루프 필터(Loop Filter)(11)는 루프의 안정성을 유지하기 위한 저역통과 필터이다. 입력 신호 I 및 Q는 벡터 변조기(12)에서 고주파 신호로 변조되고, 적절한 송신 전력을 내기위해 고주파 전력 증폭기(13)를 거치게 된다. 여기에서 사용하는 고주파 전력 증폭기(13)는 비선형 특성을 갖고 있으므로 왜곡 성분이 신호에 더해진다. 변조된 송신 전력의 일부는 방향성 결합기(directional coupler(14)에서 샘플링되어 벡터 복조기(15)에서 의 기저 대역 신호로 복조된다. 이렇게 하여 복조된 신호에는 전력 증폭기의 비선형 특성에 의해 발생한 왜곡 성분이 포함되어 있다. 루프의 제 1 차연산기(18)에서는 I 신호와 가 각각 빼지고, 제 2 차연산기(19)에서는 Q 신호와 신호가 각각 빼지며, 이 차 신호가 루프를 구동하게 된다. 루프는 네거티브 피드백 시스템(negative feedback system)의 원리에 의해 전력 증폭기의 비선형성에 기인한 왜곡성분을 줄일 수 있다.The input signals Inphase (I) and Quadrature (Q) are baseband signals and the loop filter 11 is a lowpass filter for maintaining the stability of the loop. The input signals I and Q are modulated into a high frequency signal in the vector modulator 12 and passed through a high frequency power amplifier 13 to produce an appropriate transmit power. Since the high frequency power amplifier 13 used here has a nonlinear characteristic, the distortion component is added to the signal. Some of the modulated transmit power is sampled in the directional coupler 14 and then in the vector demodulator 15 And Is demodulated to a baseband signal of. The demodulated signal thus contains a distortion component generated by the nonlinear characteristic of the power amplifier. In the first-order operator 18 of the loop, I signal and Are subtracted from each other, and in the second order operator 19, The signals are subtracted from each other and this difference signal drives the loop. The loop can reduce the distortion caused by the nonlinearity of the power amplifier by the principle of the negative feedback system.

이때, 차연산기(18, 19)에서는 각각 I, Q신호와 , 신호의 위상을 맞추어 빼주어야 하는데 위상차가 적절 범위를 벗어날 경우 루프의 안정성에 영향을 미친다. 이 위상 차이는 신호가 전치 증폭기(pre amplifier), 전력 증폭기(power amplifier), 복조기(demodulator)등의 루프 내의 소자를 거치며 겪게되는 전파 지연에 기인한다. 따라서 이 전파 지연을 보상하여 I, Q신호와 , 신호의 위상을 일치시켜야 한다.At this time, in the difference operators 18 and 19, , The phase of the signal must be subtracted, and if the phase difference is out of range, it affects the stability of the loop. This phase difference is due to the propagation delay experienced by the signal through elements in the loop, such as preamplifiers, power amplifiers, and demodulators. Therefore, this propagation delay is compensated for by the I and Q signals. , The phase of the signal must be matched.

카테시안 피드백 루프를 이용한 전력 증폭기에서는 변조기로부터 복조기 사이에서 전치 증폭기, 전력 증폭기 등을 거치며 발생하는 신호의 전파 지연문제는 카테시안 피드백 루프를 이용한 전력 증폭기에서 발생하는 전파 지연 문제는 변조기의 국부 입력에 가해지는 캐리어의 위상과 복조기의 국부 입력에 가해지는 캐리어의 위상에 상대적인 차이를 둠으로써 보상할 수 있다. 이를 위해 본 발명에서는 송신기의 국부 발진기(16)에서 발생하는 캐리어의 위상을 위상 천이 장치(17)에서 임의로 지연시켜 복조기에 가함으로써 루프의 전파 지연을 보상할 수 있도록 한다.In the power amplifier using the Cartesian feedback loop, the propagation delay problem of the signal generated from the modulator to the demodulator is passed between the preamplifier and the power amplifier. The propagation delay problem of the power amplifier using the Cartesian feedback loop is applied to the local input of the modulator. Compensation can be made by placing a relative difference between the phase of the carrier applied and the phase of the carrier applied to the local input of the demodulator. To this end, in the present invention, the phase of the carrier generated by the local oscillator 16 of the transmitter is arbitrarily delayed by the phase shifting device 17 to be applied to the demodulator to compensate for the propagation delay of the loop.

도 2는 본 발명에 따른 벡터 변조기를 이용한 위상 천이 장치의 구조도이다.2 is a structural diagram of a phase shifting device using a vector modulator according to the present invention.

이 위상천이기는 벡터 변조기를 사용하여 구현할 수 있으며, 벡터 변조기의 I 및 Q입력에 가하는 직류 신호의 상대적인 크기로 출력 캐리어의 위상을 조절하는 기능을 갖는다 벡터 변조기를 이용한 위상 천이기는 다음의 [수학식 1]에 의해 구현된다.This phase shifter can be implemented by using a vector modulator, and has a function of adjusting the phase of the output carrier by the relative magnitude of the DC signals applied to the I and Q inputs of the vector modulator. 1].

여기서, cos(wct) 는 주파수 wc 인 캐리어이고 x, y는 벡터 변조기 출력의 캐리어의 위상을 조절하는 직류 신호이다. 도 1에서 알 수 있듯이 x, y는 전압원(Vcc)과 가변 저항(21, 22)에 의하여 구현될 수 있고, 벡터 변조기 내의 곱셈기(23, 24)에서 동상 성분(I)과 직교 성분(Q)의 캐리어에 각각 곱해진다. 이후, 두 신호는 결합기(25)에서 더해진 후 고주파 신호로 변조된다. 이와 같이, 두 개의 가변 저항(21, 22)을 조절하므로써 x, y값의 상대적인 부호와 크기를 변화시켜 벡터 변조기의 출력에서 얻어지는 캐리어의 위상을 조절할 수 있으며, 이에 의해 위상 조정의 정밀도과 위상 가변 범위를 향상시킬 수 있다.here, cos (w c t) Frequency w c Is the carrier and x and y are direct current signals that adjust the phase of the carrier at the vector modulator output. As can be seen in Figure 1, x, y can be implemented by the voltage source (Vcc) and the variable resistor (21, 22), in-phase component (I) and quadrature component (Q) in the multipliers (23, 24) in the vector modulator Are multiplied by the carriers, respectively. The two signals are then added at combiner 25 and then modulated into a high frequency signal. As such, by adjusting the two variable resistors 21 and 22, the relative sign and magnitude of the x and y values can be changed to adjust the phase of the carrier obtained at the output of the vector modulator, thereby adjusting the accuracy of the phase adjustment and the range of the phase variable. Can improve.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 전력 효율을 증가시키기 위한 카테시안 피드백 루프에 사용되는 위상 천이 장치를 벡터 변조기를 이용하여 구현하므로써 위상 조정의 정밀도 및 위상 가변 범위를 넓게 할 수 있으며, 비용을 절감시킬 수 있는 탁월한 효과가 있다.As described above, according to the present invention, by implementing a phase shifting device used in a Cartesian feedback loop to increase power efficiency by using a vector modulator, the accuracy of phase adjustment and the range of phase variation can be widened, and the cost can be increased. There is an excellent effect that can be saved.

Claims (1)

입력되는 동상 성분 신호 및 직각 성분 신호의 안정성을 유지하기 위한 루프 필터와,A loop filter for maintaining stability of the in-phase component signal and the quadrature component signal to be input; 상기 입력 신호를 변조하기 위한 캐리어 신호를 발생하는 국부 발진기와,A local oscillator for generating a carrier signal for modulating the input signal; 상기 루프 필터를 통해 안정화된 상기 입력 신호를 상기 국부 발진기로부터 입력된 캐리어 신호를 이용하여 고주파로 변조하기 위한 벡터 변조기와,A vector modulator for modulating the input signal stabilized through the loop filter at a high frequency by using a carrier signal input from the local oscillator; 상기 벡터 변조기를 통하여 고주파 변조된 상기 입력 신호를 적절한 송신 전력을 생성하기 위해 증폭시키는 고주파 전력 증폭기와,A high frequency power amplifier for amplifying the high frequency modulated input signal through the vector modulator to produce appropriate transmit power; 상기 고주파 전력 증폭기를 통하여 증폭된 상기 입력 신호를 샘플링하는 방향성 결합기와,A directional coupler for sampling the input signal amplified by the high frequency power amplifier; 상기 국부 발진기를 통해 입력된 캐리어 신호의 위상을 지연시키기 위한 위상 천이 장치와,A phase shifting device for delaying a phase of a carrier signal input through the local oscillator; 상기 방향성 결합기에서 샘플링된 입력 신호를 상기 위상 천이 장치에서 지연된 캐리어 신호를 이용하여 복조하는 벡터 복조기와,A vector demodulator for demodulating the input signal sampled by the directional coupler using a carrier signal delayed by the phase shifter; 상기 입력 신호와 상기 벡터 복조기로부터 출력된 복조 신호의 위상을 맞추어 결합하는 차연산기로 구성되는 전력 증폭부에 있어서;A power amplifying unit comprising a difference calculator configured to match and phase a demodulation signal output from the input signal and the vector demodulator; 상기 위상 천이 장치는 전압원과 가변 저항에 의해 발생하는 제 1 직류 신호와 국부 발진기로부터 입력된 캐리어 신호에 따른 동상 성분 신호를 결합하는 제 1 곱셈기와,The phase shifting device includes a first multiplier for coupling a first DC signal generated by a voltage source and a variable resistor and an in-phase component signal according to a carrier signal input from a local oscillator; 전압원과 가변 저항에 의해 발생하는 제 2 직류 신호와 국부 발진기로부터 입력된 캐리어 신호를 90°위상 천이한 신호에 따른 직교 성분 신호를 결합하는 제 2 곱셈기와,A second multiplier for combining a second direct current signal generated by the voltage source and the variable resistor and a quadrature component signal according to a 90 ° phase shifted signal of the carrier signal input from the local oscillator; 상기 제 1 곱셈기 및 제 2 곱셈기의 출력을 결합하는 결합기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 벡터 변조기를 이용한 위상 천이 장치를 갖는 전력 증폭부의 구조.And a combiner for coupling the outputs of the first multiplier and the second multiplier.
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