KR20000029151A - 마스크 검출 및 바이어스 보상을 포함하는 증폭 시스템 - Google Patents

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KR20000029151A
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리처드디. 포스너
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케빈 티. 마이클즈
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Abstract

사전에 알려지지 않은 반송 주파수를 갖는 RF 신호의 대역외 주파수 성분들을 감소시키는 본 발명의 방법 및 장치는 회로의 조정가능한 바이어스 파라미터를 변화시키는 제어 신호를 이용한다. 구체적인 실시예에 있어서, RF 신호는 출력 신호에 왜곡 성분을 도입시키는 MOSFET 전력 증폭기에 의해 생성된다. MOSFET 증폭기의 바이어스 파라미터들은 대역외 주파수 성분들, 즉 대역외 왜곡을 감소시키기 위해 변화될 수 있다. 또한, 전치보상기와 같은 네트워크의 다른 소자들도 바이어스 파라미터를 변화시킴으로써 제어될 수 있다.

Description

마스크 검출 및 바이어스 보상을 포함하는 증폭 시스템{AMPLIFICATION SYSTEM HAVING MASK DETECTION AND BIAS COMPENSATION}
본 발명은 증폭 시스템, 더욱 상세하게는 이러한 증폭시스템에서 사용되는 증폭기의 왜곡을 감소시키는 방법 및 장치에 관계한다.
본 발명이 속하는 기술분야에 주지된 바와 같이, 증폭기는 매우 많은 활용범위를 갖는다. 증폭기는 여러 가지 급들 중에서 하나의 급으로 동작하도록 바이어스될 수 있다. A급으로 동작하도록 바이어스될 때, 증폭기는 입력 전압 및 출력 전압 사이에 선형적인 관계(linear relationship)를 제공한다. A급으로 동작하는 경우에 다양한 용도로 응용될 수 있지만, 높은 전력 출력 및 효율이 요구되거나 바람직한 경우에, 증폭기는 A/B급으로 동작하도록 바이어스된다. 그러나, A/B급으로 동작하도록 바이어스되는 경우에, A/B급 증폭기 전력 전달 곡선(power transfer curve)은 도 1에서 궤적 14로 나타낸 바와 같이, A급 증폭기 보다 덜 선형적이다. 효율을 증가시키기 위해, 통신 시스템은 종종 증폭기를 비선형 구간(non-linear region) 12에서 동작시킨다. 그러나, 이러한 종래 기술은 증폭기에 의해 만들어진 출력 신호에 진폭 및 위상 왜곡 성분을 도입시킨다.
본 발명이 속하는 기술분야에 주지된 바와 같이, 대부분의 통신 시스템들은 도 2a에 도시된 바와 같이 중앙의 반송 주파수 20를 중심으로 FCC(Federal Communications Commission)에 의해 할당된 주파수 대역폭들 18(즉, 대역내 주파수들)을 갖는다. 예를 들어, CDMA(코드분할 다중 접속) 통신 시스템 신호는 1.25MHz의 소정의 대역폭을 갖는다. 상이한 CDMA 통신 채널들은 상이한 주파수 스펙트럼 밴드를 할당받는다. 증폭기는 이러한 시스템에서 이용되고, 자주 A/B급으로 동작하도록 바이어스 된다. 도 2b를 참조하면, 비선형 구간 12에서 동작하는 증폭기에 의해 증폭시키는 것과 같은 신호 처리는 신호의 할당된 대역폭 18 외에 왜곡 주파수 "숄더(shoulder)" 22a-22b를 생성할 수 있다. (이러한 주파수를 대역외 주파수(out-of-band frequencies)라 한다). 이러한 왜곡 주파수 성분들 22a-22b은 다른 통신 신호에 할당된 대역폭을 간섭할 수 있다. 따라서 FCC는 대역외 주파수 성분에 대해 엄격한 제한을 가하고 있다.
대역외 왜곡을 감소시키기 위한 많은 기술들이 존재한다. 이러한 기술 가운데 하나는 도 3에 도시된 것으로, 증폭될 신호 25는 전치 보상 유니트 (24; predistortion unit)에 입력된다. 전치 보상 유니트(24)는 전력 전달 특성(power transfer characteristic) 24a(도 1)를 갖고 A/B급 증폭기 26에서의 후속 증폭에 의해 유도되는 왜곡을 보상한다. 더욱 상세하게, 전치 보상 유니트(24)는 후속 증폭이 입력 신호의 위상 및 주파수 특성을 선형적으로 증폭시키도록 입력 신호의 전기적 특성(예컨대, 이득 및 위상)을 변환시킨다. 하나의 실시예에 있어서, 보상은 전치 보상기 또는 주 A/B급 증폭기의 바이어스 파라미터를 변화시킴으로써 이루어질 수 있다. 하나의 방법은 전문 내용이 본원에 참고자료로 첨부된 "A 전력증폭기에 대한 다이내믹 전치 왜곡 보상(DYNAMIC PREDISTORTION COMPENSATION FOR A POWER AMPLIFIER)"이라는 명칭하의 1998년 4월 8일부 미합중국 특허출원 제 09/047,331호에 설명되어 있다. 전치 보상 유니트(24)는 A/B급 증폭기의 비-선형 특성 사전 측정장치(priori measurements)로 구성된다. 불행하게도, 증폭기 특성(도 1의 구간 12를 갖는 증폭 곡선 10)은 시간의 경과 및 온도에 따라 변화하는데, 이 때문에 효율적인 전치 보상이 더욱 어렵게 된다. 예를 들어, 증폭기의 온도가 상승할 경우, 그의 비선형 구간 12는 다소 선형이 되므로, 전치 보상 유니트(24)에 의해 수행된 변환(transform)에 대한 보상 변화(compensating change)가 요구될 수 있다. 몇몇 적응적 전치 보상 시스템(adaptive predistorter systems)은 온도와 같은 환경적 요소들에 기초하여전치 보상기 특성을 변화시키기 위해 룩-업 테이블(look-up tables)들을 이용한다. 이러한 룩-업 테이블들은 소정의 상황에서 사용되는 소정의 전치 보상 제어 설정(predistorter control settings)들을 포함한다. 그러나, 환경적인 요소만이 증폭기 특성을 변화시키는 것은 아니다. 따라서, 시간의 경과에 따라, 증폭기 특성은 증폭기 구성요소들의 경시변화에 따라 예측불가능하게 변화한다.
증폭기 왜곡을 감소시키는 다른 접근방법은 도 4에 도시된 바와 같이, 피드포워드 보상(feedforward compensation)을 이용하는 것이다. 여기서는, 피드포워드 네트워크(31)이 대역외 왜곡을 감소시키기 위해 포함된다. 피드포워드 네트워크(31)는 차분 네트워크(differencing network), 즉 결합기(30), A/B급 증폭기로 동작하는 주증폭기(main amplifier)(33), 에러 증폭기(32), 지연 회로(28 및 28a) 및 결합기(29)를 포함한다. 차분 네트워크(30)는 A/B급 증폭기로 동작하는 증폭기(33)에 공급된 신호의 일부분과 이러한 증폭 이전에 증폭기(33)에 공급된 신호 사이의 차분을 나타내는 출력 신호를 생성한다. 따라서, 차분 네트워크(30) 출력 신호의 주파수 성분들은 증폭기(33)에 의해 도입된 대역외 주파수 성분들(22a-22b)이다. 에러 증폭기는 차분 네트워크(30)에 의해 생성된 신호의 증폭 및 전도(inverting)에 의해 대역외 정정 신호(out-of-band correcting signal)를 생성한다. 더욱 상세하게, 결합기(29)는 차분 네트워크(30)와 증폭기(32)에 의해 생성된 정정 신호를 증폭기(31)의 지연 신호 출력(delayed signal output)과 결합시켜 증폭기(33)에 의해 출력된 신호에서 대역외 주파수들(22a-22b)의 에너지를 감소시킨다(도 2b). 피드포워드 네트워크(31)은 에러 증폭기(32)내의 지연을 보상하는 지연 라인(delay line; 28)을 포함한다. 이러한 소자들 사이의 타이밍상의 미세한 차이가 피드포워드 시스템의 효율성을 손상시킬 수 있다. 제조자가 각 부품들을 실장하기 전에 각 구성성분들을 주의깊게 매치시킬 수 있어도, 피드포워드 성분 경시변화(feedforward components age) 때문에, 정정 신호 및 처리 신호가 정확하게 보상되지 않으면 타이밍을 그르칠 수 있다.
본 발명은 사전에 알려지지 않은 반송 주파수를 갖는 RF 신호의 대역외 주파수 성분들을 감소시키는 장치 및 방법에 관계한다. RF 신호는 대역내 주파수 성분과 대역외 주파수 성분들을 모두 포함한다. 상기 장치는 RF 신호를 생성하기 위하여 입력신호를 증폭시키는, 조정가능한 전기적 바이어스 파라미터(adjustable electrical bias parameters)를 갖는 네트워크와 RF 신호의 대역폭 범위내의 주파수의 위치를 확인하고, 대역외 주파수 성분들의 에너지를 검출하여 대역외 주파수 성분들의 에너지에 대한 제어 신호를 생성하도록 상기 네트워크에 연결된 제어 시스템을 포함하는 것을 특징으로 한다. 제어 신호는 네트워크의 전기적 바이어스 파라미터를 조절하여, 대역외 주파수들의 에너지를 감소시키도록 네트워크에 커플링된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 네트워크는 제어신호에 의해 제어되는 조정가능한 바이어스 파라미터들을 갖는 전치 보상기(predistorter)를 구비한다. 다른 양상에 있어서, 네트워크는 제어신호에 의해 제어되는 조정가능한 바이어스 파라미터들을 갖는 전력 증폭기를 포함할 수 있다. 이 경우에, 바람직하게, 증폭기는 MOSFET 증폭기이다. 다른 양상에 있어서, 네트워크는 피드포워드 네트워크를 포함할 수 있고 신호는 예를 들어, 잘 알려진 특성을 갖는 CDMA 신호일 수 있다.
본 발명의 방법은 신호의 대역내 주파수 성분의 위치를 확인하고, 위치확인된 대역내 주파수 성분으로부터 소정의 오프셋인 주파수에서 에너지를 검출하고, 그리고 증폭기 바이어스와 같은 네트워크의 전기적 바이어스 파라미터들을 조정하여 대역외 주파수 에너지를 감소시키는 단계들을 포함한다.
구체적인 양상에 있어서, 본 발명의 방법은 제 1 주파수에서 에너지를 측정하는 단계, 제 2 주파수에서 에너지를 측정하는 단계, 및 제 2 주파수에서 측정된 에너지가 제 1 주파수에서 측정된 에너지 보다 선택된 임계값 이상 초과하는지를 확인하는 단계를 포함한다. 구체적인 양상에 있어서, 상기 방법은 대역외 주파수들을 갖는 신호를 기적대역으로 헤테로다인한다.
본 발명의 하나의 구체적인 양상에 있어서, 상기 장치는 입력신호를 수신하기 위해 연결되고, 전력 증폭기에 커플링된 출력을 갖는 전치 보상기를 포함한다. 전치 보상기는 피드백 루프에 의해 제공되는 대역외 피드백 제어 신호에 따라, 전치 보상기의 바이어스 파라미터들을 변화시킴으로써 선택적으로 조정될 수 있는 비선형 출력 신호 대 입력 신호 전달 특성을 갖는다. 이러한 구성에 의해 실질적으로 선형인 증폭 출력 대 입력 전달특성이 수득된다. 이러한 실시예에서, 피드백 루프는 입력 신호의 반송 주파수의 위치를 확인하고, 입력 신호의 대역폭 외의 왜곡 주파수 성분들의 에너지에 대한 피드백 제어 신호를 생성하기 위해 전력 증폭기 출력에 연결된 제어 신호를 갖는다. 피드백 제어 신호는 전치 보상기에 연결되어 전치 보상기의 바이어스 파라미터들을 변화시킴으로써 증폭기 출력의 대역외 주파수 성분들의 에너지를 감소시킨다.
따라서 상기 장치 및 방법은 유리하게 증폭된 RF 신호중에서 왜곡을 감소키는데, 예를 들어, 예컨대, A/B급 증폭기 고전력 RF 증폭기는 효율성 및 고전력 출력(high-powered output)을 위해 이용된다.
도 1은 종래 기술의 증폭기 출력 구간을 설명하는 그래프,
도 2a 및 2b는 종래 기술의 대역내(in-band) 및 대역외(out-of-band) 주파수 성분들을 갖는 신호의 개략도,
도 3은 종래 기술의 증폭 시스템의 개략도,
도 4는 종래 기술의 다른 증폭 시스템의 개략도,
도 5는 조정가능한 전기적 특성을 갖는 전치 보상기를 구비하는 본 발명의 증폭시스템의 개략도,
도 6a 내지 도 6c는 도 5의 증폭 시스템에 의해 생성된 신호의 주파수 스펙트럼의 개략도,
도 7은 제어 시스템이 더욱 상세하게 도시된, 도 5의 증폭 시스템의 개략도,
도 8은 도 7의 제어 시스템에 의해 이용된, 대역외 주파수 성분들의 에너지에 기초하여 제어 신호를 생성하는 방법의 플로우 챠트,
도 9는 도 7의 제어 시스템에 의해 이용된, 도 7의 증폭 시스템에서 생성된 신호의 주파수 성분들을 측정하는 방법의 플로우 챠트,
도 10은 조정가능한 전기적 특성을 갖는 전치 보상기를 구비하는 본 발명의 다른 실시예의 증폭시스템의 개략도,
도 11은 도 10의 증폭 시스템에서 이용되는, 선형 동작 구간으로 바이어스된 4개의 쿼드런트 멀티플라이어(quadrant multiplier)로 구성된 믹서의 개략도,
도 12는 제어 시스템이 더욱 상세하게 도시된, 도 10의 증폭 시스템의 개략도,
도 13은 대역외 신호 성분들의 다이내믹 레인지(dynamic range)를 증가시키도록 구성된 소거 네트워크(cancellation network)를 갖는, 본 발명의 다른 실시예의 증폭 시스템의 개략도,
도 14는 대역외 신호 성분들의 다이내믹 레인지(dynamic range)를 증가시키도록 구성된 소거 네트워크 (cancellation network)를 갖는, 본 발명의 다른 실시예의 증폭 시스템의 개략도,
도 15는 대역외 신호 성분들의 다이내믹 레인지(dynamic range)를 증가시키도록 구성된 소거 네트워크 (cancellation network)를 갖는, 본 발명의 다른 실시예의 증폭 시스템의 개략도,
도 16은 도 5의 제어 시스템에 의해 제어되는 조정가능한 특성을 갖는 본 발명의 증폭 시스템의 개략도,
도 17은 도 10의 제어 시스템에 의해 제어되는 조정가능한 특성을 갖는 본 발명의 증폭 시스템의 개략도,
도 18은 도 5의 제어 시스템에 의해 제어되는 조정가능한 전기적 특성을 갖는 피드포워드 네트워크를 구비하는 본 발명의 증폭 시스템의 개략도,
도 19는 도 10의 제어 시스템에 의해 제어되는 조정가능한 전기적 특성을 갖는 피드포워드 네트워크를 구비하는 본 발명의 증폭 시스템의 개략도,
도 20은 도 18의 피드포워드 네트워크의 조정가능한 전기적 특성을 제어하도록 되어 있는 제어 시스템을 구비하는 증폭시스템의 개략도,
도 21은 다수의 성분들을 제어하는 제어 시스템을 구비하는 본 발명의 증폭 시스템의 개략도,
도 22a 및 도 22b는 전형적인 MOSFET 장치에서의 출력 이득 및 출력 전력에 대한 상호변조 왜곡(intermodulation distortion)을 나타낸 도면이다.
이하에서 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다.
도 5를 참조하면, 증폭 시스템 100은 라인 101을 통해 증폭시스템에 입력된 입력 신호를 증폭시켜, 라인 103으로 증폭된 출력 신호를 출력한다. 시스템 100은 도시된 바와 같이 배열되어 있는 증폭기 102, 제어 시스템 104(상세한 것은 도 7에 도시), 및 전치 보상기 105를 구비한다. 이러한 실시예에 있어서, 라인 101상의 입력신호는 수신된 CDMA 신호이다. 수신된 신호는 소정의 사전에 알려진, 대역폭("BW")을 갖지만; 이와 같이 수신된 신호의 반송 주파수 fc는 이용가능한 복수의 반송 주파수들 중 어느 하나일 수 있고 사전에 알려져 있지 않다.
증폭기 102는 A/B급으로 바이어스되어, 비-선형 증폭 특성을 나타낸다. 따라서, 증폭기 102에 의한 비-선형 증폭은 증폭된 출력 신호에 진폭 및 위상 왜곡 성분을 도입시킬 것이다. 따라서, 비-선형적인 출력 전력 대 입력 전력 전달 특성을 나타내도록 작동하는 증폭기 102를 통해 신호를 통과시키면, 대역폭 BW 밖의 주파수 성분들(즉, 대역외 주파수 성분들)이 생성된다.
그러나, 이러한 실시예에 있어서, 증폭기 102에 의해 생성된 출력 신호는 제어 시스템 104를 이용하여 전치 보상기 105에 제공된다. 전치 보상기 105는 조정가능한 전기적 특성을 갖는데, 예를 들어, 조정가능한 바이어스 특성 및 파라미터들을 갖는다. 전치 보상기 105는 라인 101로 입력 신호를 수신하고 라인(들) 109로 제어 시스템 104의 출력을 수신한다. 전치 보상기 105의 출력은 증폭기 102에 제공된다. 전치 보상기 105는 대역외 피드백 제어 신호(라인(들) 109상의 신호들)에 따라 선택된 비-선형적인 이득 대 입력 신호 레벨 특성을 갖기 때문에, 증폭 시스템 100이 입력 신호 101에 대하여 실질적으로 선형인 증폭기 출력 전력 대 입력 신호 전력 전달 특성을 제공할 수 있게 한다. 따라서, 정상상태에서, 라인 103으로 출력되는 신호는 대역외 주파수 성분들이 감소되거나 전혀 없는 라인 101상의 입력 신호의 증폭된 신호이다. 후술하는 바와 같이, 증폭기 102에서의 드리프트의 결과로, 예를 들어, 시스템 100이 다시 정상상태에서 대역외 주파수 성분들이 거의 없거나 전혀 없는 신호를 라인 103으로 출력하도록, 라인 103의 출력 신호의 임의의 대역외 주파수 에너지는 검출되어 제어 시스템 104을 통해 전치 보상기 105에 제공된다.
더욱 상세하게, 제어 시스템 104가 증폭기 102의 출력을 수신하여 전치 보상기 105에 대한 피드백 제어 신호를 라인 109에 생성하는 피드백 루프 107이 제공된다. 제어 시스템 104는 증폭기 102에 의해 생성된 신호를 분석하여 수신된 신호의 대역폭 BW을 갖는 반송 주파수, 여기서는 라인 101상의 입력 신호의 반송 주파수의 위치를 확인하고, 라인 103상의 출력 신호에서 검출된 왜곡 주파수 성분들의 에너지(즉, 대역폭 BW 외의 에너지)에 대한 피드백 제어 신호를 만들어 라인 109로 보낸다. 설명된 실시예에 있어서, 제어 시스템 104는 반송 주파수로부터의 주파수 또는 주파수들 오프셋(예컨대, 반송 주파수로부터 주파수 800 KHz 및 1.25MHz에서)에서의 에너지를 측정함으로써 왜곡 주파수 성분들의 에너지를 측정하는데, 여기서 상기 측정 주파수는 입력 신호의 대역폭 밖이다. 라인 109상의 피드백 제어 신호는 전치 보상기 105의 특성(예컨대, 이득, 및 위상 또는 전치 보상기의 바이어스 포인트)을 조절함으로써 라인 103의 대역외 신호들의 에너지를 제거하기 위해(즉, 감소시키기 위해) 전치 보상기 105에 커플링된다.
도 5를 다시 참조하여 보면, 하나의 실시예에 있어서, 제어 시스템 104는 라인 103상의 증폭 신호를 수신된 신호의 반송 주파수에 의해 기저대역으로 헤테로다인하고 반송 주파수로부터의 하나 이상의 소정의 오프셋에서 라인 103상의 출력신호의 에너지를 측정한다. 도 6a-6c를 참조하면, 라인 101상의 입력 신호의 주파수 스펙트럼 18을 도 6a에 도시하였다. 비-정상상태의, 즉 보정되기 전의 증폭기 102의 비선형 동작에 의해 생성된 아웃-오브 밴드 주파수 성분들 22a, 22b을 갖는 라인 103 상의 출력신호의 주파수 스펙트럼을 도 6b에 도시하였다. 라인 103상의 출력신호를 입력신호의 반송 주파수에 의해 기저대역으로 헤테로다인한 결과로 생성된 주파수 스펙트럼을 도 6c에 도시하였다.
도 6a에 도시된 바와 같이, 라인 101상의 입력신호는 반송 주파수 fc를 중심으로 하고 대역폭 BW을 갖는다. CDMA 신호의 경우에, BW는 1.25 MHz이다. 도 6b에 도시된 바와 같이, 증폭기 102에 의한 증폭은, 정상 상태 이전에, 라인 103상의 출력신호에 대역외 왜곡 성분들 22a 및 22b을 도입시킨다. 제어 시스템 104는 라인 103상의 증폭된 신호(도 6b)를 기저대역으로 헤테로다인하여, 신호가 도 6c에 도시된 바와 같이, DC(0 주파수)를 중심으로 하게 만든다. 헤테로다인한 후, 아웃-오브 밴드 왜곡 성분들은 DC로부터 BW/2의 오프셋 보다 큰 주파수에 또는 CDMA 신호의 경우에는 0.625 MHz 이상의 주파수에 나타난다. 제어 시스템 104는 예를 들어, 0.625 MHz 또는 다른 소정의 주파수 오프셋에서 측정된 에너지의 양에 기초하여 제어 신호들을 만들어 낸다. 즉, 제어 시스템 104는 성분들 22a 및 22b의 대역외 에너지의 양에 기초하여 제어신호들을 생성한다.
더욱 상세하게, 본 발명의 일실시예를 도시한 도 7에는 제어 시스템 104가 더욱 상세하게 도시되어 있는데, 제어 시스템 104는 라인 103 상의 증폭기 102에 의해 생성된 신호를 헤테로다인하는(여기서, 기저대역으로 끌어내림) 주파수 합성기(frequency synthesizer) 126을 제어하는 마이크로콘트롤러 124를 포함한다. 믹서 106은 주파수 합성기 126의 출력과 라인 103상의 증폭기 출력을 입력받아 자신의 출력을 대역통과 필터 108에 전달하고, 대역 통과 필터는 대역외 왜곡 성분들의 해상도를 증가시키기 위해 헤테로다인된 신호의 대역내 주파수 성분들을 제거한다. 증폭기 110은 필터링된 신호를 수신하여 증폭시킨 후 증폭된 출력을 A/D 컨버터 120에 제공하고, A/D 컨버터의 디지탈 출력은 디지털 신호 처리기(DSP) 122에 전달되어 디지털 신호 분석된다. DSP는 구체적으로 A/D 컨버터로부터의 디지털 입력 신호의 스펙트럼을 분석할 수 있도록 구성되어 있다. 펌웨어 명령들(firmware instructions) 128을 실행하는 마이크로컨트롤러 124는 소정의 오프셋에서의 에너지 측정을 위해 DSP 122에 질의한다. 마이크로컨트롤러 124는 과거 및 현재의 에너지 측정값을 분석하여 전치 보상기 105의 위상 및 이득과 같은 전기적 특성을 조절하는 제어신호를 라인 109으로 출력한다.
도 8을 참조하면, 동작시, 마이크로프로세서 명령들 128은 DSP 122에 현재의 기저대역 신호 중심 주파수로부터의 오프셋에서의 에너지를 설명해 주는 측정 데이터를 질의함으로써 계속적으로 왜곡 레벨을 모니터한다(단계 132). 과거 및 현재의 측정값을 분석함으로써, 현재의 측정 과정이 만족스럽게 진행되는지(즉, 왜곡이 시스템의 소정의 최소 레벨로 감소되었는지)를 확인한 후(단계 134), 마이크로프로세서는 라인 109상에 왜곡 레벨을 감소시키거나 유지시키는 제어신호를 생성한다(단계 136). 라인 109상의 제어신호들은 상이한 전기적 특성들, 예컨대, 전치 보상기의 위상 및 진폭 특성 또는 전치 보상기의 바이어스 특성을 조정하여 라인 103상의 출력 신호에 있는 임의의 대역외 주파수 성분들, 22a 및 22b을 제거한다. 왜곡을 줄이는 과정에는 제어신호의 상이한 많은 조합들에 대한 활발한 실험을 통해 왜곡을 최소화하는 한 세트의 제어신호들을 확인하는 과정이 요구될 수 있다는 사실을 유의해야 한다.
조정되는 바이어스 특성이 MOSFET 트랜지스터의 정지 전류(quiescent current)인, 본 발명의 특수한 실시예에 있어서, 본 발명의 효과는 매우 클 수 있다. 따라서, 도 22a 및 도 22b는 출력전압의 변동의 결과로 나타나는 변조 및 전력 이득의 변동을 설명한다. 전형적인 장치의 경우, 상기 특수한 동작 조건에서, 예를 들어, 285mA의 전류는 최저의 상호변조 왜곡 및 최선의 전력 이득 특성을 제공하는 최선의 선택인 것으로 보일 수 있다.
도 7을 참조하면, 라인 109상에 생성되는 제어 신호 이외에, 마이크로컨트롤러 124는 주파수 합성기 126에 의해 믹서 106에 공급된 주파수를 제어하는 명령들도 실행한다. 도 9를 참조하면, 동작시, 마이크로컨트롤러 124는 주파수 합성기 126을 이용하여 반송 주파수 fc를 찾기 위해 주파수 스펙트럼을 점증적으로 주사한다. 마이크로컨트롤러 124는 주파수 합성기 126이 저주파를 생성하도록 세팅함으로써 반송 주파수 fc에 대한 검색을 시작한다(단계 138). 마이크로컨트롤러 124는 DSP 122에게 이 주파수에서 반송파 에너지의 크기를 질의한다(단계 140). 이것은 믹서 106의 신호 출력의 DC 측정값에 해당한다. 마이크로컨트롤러 124는 상기 에너지 측정값을 주파수 합성기 126에 의해 생성된 이전에 선택되었던 반송 주파수에서의 에너지 측정값과 비교한다(단계 142). 만약 비교 결과(단계 142) 소정의 대역폭을 갖는 신호의 에너지 특성이 급격하게 증가하였다면(단계 144), 마이크로컨트롤러 124는 주파수 합성기를 이 주파수 또는 이 부근의 주파수로 고정할 수 있다. 비교 결과(단계 142) 신호가 나타나지 않는다면(즉, 현재 또는 과거의 에너지 측정값이 매우 작은 경우), 마이크로컨트롤러 124는 주파수 합성기 126에 의해 생성된 주파수를 증가시킬 것이다. 전형적인 CDMA 시스템에서, 주파수 합성기는 50 KHz 폭으로 증가될 것이다. (다른 또는 랜덤한 검색 패턴이 이용될 수도 있다). 할당된 주파수는 항상 일정하게 유지되므로, 반송 주파수를 찾는 과정은 동작개시(start-up)시에만 수행하면 된다. 그러나, 적절하게 보정(calibration)하기 위해서 검색을 주기적으로 반복해야 한다. 검색의 결과는 장치가 동작개시할 때마다 검색할 필요가 없도록 하기 위해 저장될 수 있다. 마이크로컨트롤러 124의 명령들은 CDMA 신호 이외의 다른 신호들을 검색하도록 변화될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예를 설명한 도 10을 참조하면, 제어시스템 104(여기서는 제어시스템 104'라 한다)는 증폭 시스템의 왜곡을 감소시키기 위한 다른 구성을 갖고 있다. 제어시스템 104'는 라인 101상의 원래의 입력 신호(도 6a)와 비-정상상태에서, 증폭기 102에 의해 도입된 왜곡 성분들을 포함하는 라인 103상의 증폭기 출력(도 6b) 신호를 모두 수신한다. 라인 101상의 원래 입력 신호와 왜곡성분들을 가질 수 있는 라인 103상의 신호를 믹싱함으로써, 제어 시스템 104'는 입력신호의 반송 주파수 fc를 측정하기 위해 주파수 스펙트럼을 주사하지 않고도, 신속하게 라인 103상의 증폭된 신호를 기저대역으로 헤테로다인할 수 있다. 즉, 라인 101상의 입력 신호의 반송 주파수에 대한 검색 대신에, 입력 신호 자체가 호모다인 배열에서 믹서 106'(도 12)에 대한 신호로 기능한다. 따라서, 어떤 경우든, 제어시스템 104'는 믹서 106' 및 저역필터 108에 의해 제공되는 바와 같은 자동적인 호모다이닝, 믹싱 및 필터링에 의해, 대역폭(BW)내의 주파수, 여기서는 수신된 신호의 중심 주파수의 위치를 파악한다(도 12). 그러나, 이러한 방식으로 신호를 믹싱하는 것은 제어 시스템에 의해 이용되는 믹서에 압박을 가한다.
더욱 상세하게, 많은 믹서들은 왜곡 없이 신호를 승산하기 위해 에너지의 임계량에 의존한다. 예를 들어, 다이오드 믹서에서는 그의 두 개의 입력 신호들의 에너지 가운데 하나라도 믹서 다이오드들을 그들의 선형 구간에서 동작시키는데 요구되는 레벨 밑으로 떨어지면 출력 신호에 왜곡이 발생한다. CDMA 신호를 포함하는 많은 신호들은 때로 이러한 최소 에너지를 제공하지 못하므로, 왜곡을 초래한다.
도 11을 참고하면, 길버트 셀 믹서(Gilbert Cell mixer)와 같은 다수의 믹서들은 입력 신호의 에너지가 거의 없는 경우에도 선형으로 동작한다. 도시된 바와 같이, 길버트 셀 믹서 106'는 선형 동작 구간으로 바이어스된 4개의 쿼드런트 멀티플라이어로 구성된 능동장치들을 포함한다. 이러한 능동장치들은 두 개의 차동증폭기들 172a-172b 및 174a-174b를 구동하는 차동증폭기 176a-176b를 형성한다. 라인 107 상의 믹서 출력은 필터 108에서 이용될 수 있다.
도 12에 도시된, 호모다이닝 믹서 106'를 이용하는 증폭 시스템 101'는 할당된 주파수 대역 및 반송 주파수를 갖는 수신된 신호의 주파수 밴드의 에너지를 측정한다. 시스템 101'는 믹서가 저입력 신호 레벨을 처리할 수 있도록 하기 위해 선형 동작 구간으로 바이어스된 4개의 쿼드런트 멀티플라이어로 구성된 능동장치들을 갖는 믹서 106'를 구비한다. 믹서 106'는 한 쌍의 신호들을 수신하는데, 하나는 수신된 신호이고(즉, 라인 101 상의 원래의 입력 신호) 다른 하나는 커플러 103"로부터의 라인 103 상의 출력의 일부분인 라인 103'상의 신호이다. 믹서 106'의 출력은 믹서 106(도 7)의 출력이 그랬던 것처럼 제어 시스템 104'의 나머지 성분들에 의해 처리되는데, 상기 제어시스템 104'는 도 7과 관련하여 위에서 설명한 바와 같이 기저대역 반송파(중심) 주파수로부터의 소정의 오프셋에서 주파수 밴드의 에너지를 검출한다. 도 7 및 도 12에 설명된 다른 실시예에 있어서는, DSP 122(및 그의 관련 회로소자)는 각각 중심 주파수로부터의 선택된 오프셋에 있는 신호들만 통과시키도록 되어 있는 대역통과 필터들로 대체될 수 있다는 사실을 유의해야 한다. 다른 회로소자가 각 필터로부터의 에너지를 측정하여 그 데이터를 마이크로프로세서에 제공할 수 있다.
도 13에서, 4개의 쿼드런트 선형 멀티플라이어(즉, 믹서)들의 이용은 다이내믹 레인지(dynamic range) 문제를 야기할 수 있다. 그러나, 대역외 왜곡 성분들을 분리하기 위한 대역내 주파수들의 소거는 믹서의 다이내믹 유효 레인지(dynamic effective range)를 증가시킬 수 있다. 따라서, 소거 네트워크(cancellation network) 146은, 마이크로프로세서의 제어하에서, 이러한 분리 기능(isolation function)을 수행하여 실제로 믹서의 다이내믹 레인지를 증가시킨다. 소거 네트워크 146의 동작 및 구성은 도 14 및 도 15에서 설명하였다.
도 14는 소거 네트워크 146의 일실시예를 도시한 것이다. 상기 소거 네트워크 146은 전압조정가능한 이상기(phase shifter) 150과 전압 조정가능한 감쇠기(attenuator) 148를 이용하여 라인 103상의 증폭기 출력 신호에서 대역내 주파수 성분들을 소거한다. 마이크로컨트롤러 124는 이상기 150 및 감쇠기 148를 조정하여 라인 101상의 원래의 입력 신호(도 6a)의 위상을 180°변화시켜 커플러 149a로부터의 라인 103상의 신호중의 대역내 주파수 성분들을 제거한다. 상기 대역내 주파수 성분들은 커플러 149를 이용하여 가변 감쇠기 148의 출력에 커플링된다. 마이크로컨트롤러 124는 대역내 신호 소거가 최고 수준에 이를 때까지 이상기 150 및 감쇠기 148을 반복적으로 조정할 수 있다.
도 15를 참고하면, 소거 네트워크의 다른 실시예 146'는 본 발명이 속하는 기술분야에서 믹서의 다이내믹 레인지를 효과적으로 증가시키는 것으로 알려진, 자동 이득 조절 소자(AGC) 158을 이용한다. AGC 158은 믹서 106'의 저역 변환 출력(down converted output)이 라인 159a상의 입력의 선형 함수(linear function)이고 소거 네트워크 146'에 대한 입력의 상승 함수(multiplicative function)가 되지 않도록 라인 159 상의 믹서 106'의 국부 발진기(LO) 입력을 일정하게 유지하도록 증폭기 156을 제어한다. AGC 158은 또한 증폭기 154 및 156의 출력들을 매치시킨다. 위상 및 이득 네트워크 160은 마이크로컨트롤러 124가 믹서 106'에 입력되는 신호를 조정하게 하여 다이내믹 레인지를 증가시킨다.
제어시스템 104 및 104'는 전치 보상기 105 이외의 조정가능한 특성을 갖는 매우 다양한 증폭 시스템 네트워크들을 제어할 수 있다. 예를 들어, 특히, 각각 도 5 및 도 12에 대응되는 도 16 및 17을 참조하면, 제어시스템 104 및 104'는 증폭기의 바이어스 포인트(들)를 변화시킴으로써 증폭기의 증폭 특성을 제어할 수 있다. 전치 보상 회로(predistorter circuit)는 도시하지 않았지만, 원치않는 왜곡을 더 감소시키기 위해서 이용될 수 있다. 전문 내용이 본원에 참고자료로 첨부된, 1998년 8월 8일 출원되어 동시에 계류중인 미국특허원 제 09/057,380호에 설명된 바와 같이, 시간이 많이 경과되면(예컨대, 수백 시간) 증폭기는 자주 동작 바이어스 전압상에 드리프트를 나타낸다. 드리프트를 보이는 증폭기에 의한 증폭은 신호에 대역외 왜곡 성분을 포함시킬 수 있다. 제어시스템 104 및 104'는 증폭기의 바이어스 전류 드리프트를 보상하기 위해, 대역외 주파수 에너지에 기초하여 증폭기의 바이어스를 제어하는 제어 신호를 만들어 낼 수 있다. 이러한 보상 방법은 MOSFET 장치, 특히 게이트 바이어스가 중요한 횡형 MOSFET(lateral MOSFET)에 특히 유용하다.
또한 도 18 및 19를 참조하면, 제어시스템 104 및 104'는 피드포워드 네트워크 160의 특성을 조정함으로써 왜곡을 감소시킬 수도 있다. 도 16 및 17에서 설명한 바와 같이, 전치 보상 회로는 예컨대, 마이크로프로세서의 제아하에서 원치않는 왜곡 성분들을 추가로 감소시키기 위해 유리하게 이용될 수 있다. 도 20에 대역내 주파수 성분들과 대역외 주파수 성분들을 갖는 A/B급 증폭기 102를 통과한 후 라인 101상의 입력 신호의 대역외 주파수 성분들을 감소시키는 증폭 시스템 161을 도시하였다. 상기 증폭 시스템은 한 쌍의 신호들을 수신하는 결합기 162를 갖는 피드포워드 네트워크 160을 포함한다: 라인 161상의 제 1 신호(도 6a)는 대역내 주파수 성분들을 갖는 지연 소자 161a로부터의 신호이고, 라인 163상의 제 2의 신호(도 6b)는 대역내 주파수 성분들과 대역외 주파수 성분들을 모두 갖는 증폭기 출력에 커플링된 신호이다.
선택적으로 결합기 162는 제 2 신호로부터 제 1신호를 빼서 대역외 주파수 성분들만을 갖는 신호를 생성할 수 있다. 가변 이득-위상 네트워크 164, 166은 결합기 162의 출력을 수신하여 그의 출력을 에러 증폭기 168에 제공한다. 증폭기 168은 대역외 주파수 성분들을 증폭시킨다. 제 2의 결합기 170은 증폭기 168의 출력(즉, 180°쉬프트된 대역외 왜곡 성분들을 갖는 신호)을 대역외 및 대역내 주파수 성분들을 모두 갖는 지연 소자 169로부터의 신호에 더한다. 이상적으로, 결합기 170은 본 발명이 속하는 기술분야에 잘 알려진 바와 같이 대역외 왜곡 성분들이 거의 없는 증폭된 신호를 만들어낸다.
그러나, 위에서 설명한 바와 같이, 피드포워드 네트워크 160 성분들 및 증폭기의 시간의 경과에 따른 변화는 왜곡을 감소시킴에 있어서 피드포워드 네트워크의 효율성을 떨어뜨릴 수 있다. 따라서, 결합기 170의 출력은 부분적으로 커플러 171에 의해 제어 시스템 104를 갖는 피드백 루프에 커플링된다. 제어시스템 104는 앞서 설명한 바와 같이, 대역외 주파수 성분들의 에너지를 검출하여 이러한 대역외주파수 성분들에서 측정된 에너지와 관련된 피드백 제어 신호를 생성한다. 본 실시예에서 피드백 제어 신호들은 커플링되고 대역외 주파수 성분들에 따라서 이득-위상 네트워크 164, 166의 특성을 조정한다.
전술한 바와 같이, 도 5 및 도 12에 도시된 바와 같은 전치 보상 회로는 예컨대 도 20의 마이크로프로세서 122의 제어하에서 원치않는 왜곡 성분들을 추가로 감소시키기 위해 유리하게 이용될 수 있다. 또한, 예시적인 실시예 도 19 및 20과 관련하여, 마이크로프로세서 122는 전치 보상기, 주증폭기 102, 이득-위상 회로 또는 증폭된 출력 신호의 왜곡을 감소시키는 기타 장치들의 바이어스 파라미터를 조정하기 위해 이용될 수 있다.
도 21을 참조하면, 제어시스템 104 또는 104'는 증폭기 시스템의 여러 가지 구성요소들을 제어하여 전체적으로 왜곡이 감소된 증폭 출력 신호를 만들어 낸다. 도시된 바와 같이, 제어시스템 104는 전치보상기 105, 주증폭기 102의 바이어스 포인트 및 피드포워드 네트워크의 특성을 제어한다. 따라서, 상이한 개개의 증폭 시스템 네트워크(예를 들어, 전치보상기)들은 결합되어 대역외 주파수 성분들에서 검출된 에너지에 따라 제어시스템에 의해 제어될 수 있는 특성을 갖는 대형 네트워크(즉, 전치보상기, 및 증폭기 및 피드포워드 네트워크)을 형성한다.
본원의 설명 전반에서 라인 101 상의 입력 신호는 사전에 알려지지 않은 반송 주파수를 갖는 단일 채널, 대역제한 신호라고 암묵적으로 가정하였다. 예컨대 도 7 및 20과 관련하여 설명된 왜곡 보상 회로는 입력 신호가 각 채널이 대역 제한 신호를 갖는 다-채널 신호인 경우에도 이용될 수 있다. 다-채널 입력이 이용되는 경우에, 보상 시스템은 다른 채널(들)이 존재하지 않는 것처럼, 하나의 채널을 찾아 해당 채널에 대한 대역외 주파수 성분들을 최소화한다. 이어서, 하나의 채널에 대해 이용된 세팅이 모든 채널들에 대해 이용된다.
따라서 도 7 및 도 20의 실시예의 동작 구조 및 동작 방법은 동일하다. 마이크로프로세서 124에 의해 형성된 주파수 발생기 126 서치 패턴이 단일 채널의 경우와 동일하도록, 예컨대, 선형 또는 랜덤 스위프(random seep)가 되도록 채널을 최소화하는 것은 어렵지 않을 것으로 생각된다.
또한, 본원에 개시된 실시예의 부가, 삭제 및 기타의 변형들은 본 발명이 속하는 기술분야의 실무자들에게 자명할 것이고 첨부된 특허청구범위의 정신 및 범위내에 포함될 것이다.
본 발명의 증폭 시스템은 반송 주파수를 갖는 RF 신호의 대역외 주파수 성분들을 감소시킴으로써 증폭기에 의한 왜곡을 감소시킬 수 있는 효과를 제공한다.

Claims (14)

  1. 사전에 알려지지 않은 반송 주파수 성분을 갖고, 대역내 주파수 성분들 및 대역외 주파수 성분들을 모두 포함하는 RF 신호의 대역외 주파수 성분들을 감소시키는 장치로서, 상기 장치가 :
    상기 RF 신호를 생성하기 위해 입력신호를 증폭시키고, 조정가능한 전기적 바이어스 파라미터들을 갖는 네트워크; 및
    RF 신호의 대역내의 주파수의 위치를 파악하고, 대역외 주파수 성분들내의 에너지를 검출하여, 파악된 대역외 주파수 성분들의 에너지에 대한 제어 신호를 생성하고, 상기 제어신호가 네트워크에 커플링되어 네트워크의 전기적 바이어스 파라미터를 조정함으로써 대역외 주파수들의 에너지를 감소시키도록 네트워크에 연결된 제어 시스템을 포함하는 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 네트워크가 상기 제어신호에 의해 제어되는 조정가능한 바이어스 파라미터들을 갖는 전치보상기를 포함하는 장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 네트워크가 상기 제어신호에 의해 제어되는 조정가능한 바이어스 파라미터들을 갖는 증폭기를 포함하는 장치.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 증폭기가 MOSFET 증폭기인 장치.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 네트워크가 피드포워드 네트워크를 포함하는 장치.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 신호가 CDMA 신호인 장치.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 장치가 조정가능한 바이어스 파라미터를 갖는 제 2의 네트워크를 추가로 포함하고, 상기 제 2의 네트워크의 바이어스 파라미터가 제어시스템에 의해 제어되는 장치.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 제어시스템이 디지털 신호 처리기를 포함하는 장치.
  9. 대역내 주파수 성분들 및 사전에 알려지지 않은 반송 주파수 성분들을 갖는 RF 신호에 포함된 대역외 주파수 성분들을 조정가능한 바이어스 파라미터들을 갖는 신호 처리 네트워크에 의해서 감소시키는 방법으로서, 상기 방법이
    RF 신호의 대역내 주파수 성분의 위치를 파악하는 단계;
    파악된 대역내 주파수 성분으로부터 소정의 오프셋에 있는 주파수의 에너지를 검출하는 단계; 및
    네트워크 바이어스 파라미터를 조정하여 대역외 주파수 성분들을 감소시키는 단계를 포함하는 방법.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 대역내 주파수 성분의 위치를 파악하는 단계가
    제 1 주파수에서 에너지를 측정하는 단계;
    제 2 주파수에서 에너지를 측정하는 단계; 및
    제 2 주파수에서 측정된 에너지가 제 1 주파수에서 측정된 에너지 보다 소정의 임계값 이상 초과하는지를 판단하는 단계를 포함하는 방법.
  11. 제 9항에 있어서, 상기 방법이 대역외 주파수 에너지를 갖는 신호를 헤테로다이닝하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  12. 사전에 알려지지 않은 반송 주파수를 중심으로 한 대역폭을 갖는 입력 신호를 출력 대 입력 신호 전달 특성이 비선형인 증폭기를 통해 통과시킨 입력 신호에 도입된 상기 대역폭 밖의 주파수를 갖는 왜곡 성분들을 감소시키는 장치로서, 상기 장치가 ;
    (A) 상기 입력신호를 수신하도록 연결되고 증폭기에 커플링된 출력을 갖는 전치 보상기로서, 대역외 피드백 제어신호에 따라 전치 보상기의 바이어스 파라미터들을 변화시킴으로써 선택적으로 조정가능한 비선형적인 출력 신호 대 입력 신호 특성을 갖기 때문에 실질적으로 선형인 증폭기 출력 전력 대 입력 신호 전력 전달 특성 제공하는 전치 보상기; 및
    (B) 입력신호의 반송 주파수의 위치를 확인하여 증폭된 입력신호 대역폭외의 왜곡 주파수 성분들의 에너지에 대한 피드백 제어 신호를 생성하여, 상기 피드백 제어신호가 전치보상기의 전기적 특성을 조정하기 위해 전치보상기의 바이어스 파라미터를 변화시키도록 커플링되어 증폭기 출력의 대역외 주파수 성분들의 에너지를 감소시키도록 증폭기 출력에 연결된 제어시스템 피드백 루프를 포함하는 장치.
  13. 증폭된 RF 입력신호중의 대역외 주파수 성분들을 감소시키는 장치로서, 여기서 상기 증폭된 신호는 대역내 주파수 성분들 및 대역외 주파수 성분들을 포함하고 상기 입력신호는 대역내 주파수 성분들을 포함하며, 상기 장치가
    (A) (ⅰ) 입력된 신호 및 증폭된 신호에 커플링된 제 1 결합기와;
    (ⅱ) 제 1 및 제 2 제어신호에 의해 제어되는 가변 이득-위상 네트워크; 및
    (ⅲ) 가변 이득-위상 네트워크의 출력에 연결되고, 상기 네트워크의 출력을 증폭시키는 에러 증폭기로서, 여기서 상기 에러 증폭기의 증폭된 출력은 제 2의 입력으로 증폭된 신호의 지연된 버젼을 수신하는 제 2 결합기로 전달되는 에러증폭기를 포함하는 피드포워드 네트워크; 및
    (B) 증폭된 신호에 있는 대역외 주파수 성분들에 따라 장치의 바이어스 파라미터들을 조정하여 상기 대역외 주파수 성분들을 감소시키는 피드백 루프를 포함하는 장치.
  14. 제 13항에 있어서, 상기 입력신호가 CDMA 신호를 포함하는 장치.
KR10-1999-0045110A 1998-10-19 1999-10-18 마스크 검출 및 바이어스 보상을 포함하는 증폭 시스템 KR100429962B1 (ko)

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