KR20010016864A - 전력 증폭기의 사전 왜곡 선형화 방법 및 장치 - Google Patents

전력 증폭기의 사전 왜곡 선형화 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전력 증폭기의 비선형 특성을 선형화하기 위한 기술에 관한 것으로, 특히 기저 대역 입력 신호를 사전 왜곡시켜 출력을 선형화하기 위한 장치 및 방법을 제공한다.
본 발명은 알에프 전력 증폭기의 임의의 기저 대역 입력 신호와 이를 알에프 대역으로 주파수 변환하고, 전력 증폭기를 통과시켜 복조한 기저 대역 궤환 신호를 적응 알고리즘을 이용한 기저 대역 등가 표현을 추정한다. 또한, 본 발명은 사전 왜곡기에 필요한 전력 증폭기의 역전달 특성을 상기 기저 대역 등가 표현으로부터 산출하는 것을 특징으로 한다.
그 결과, 본 발명에 따른 사전 왜곡 선형화 장치 및 방법은 전력 증폭기의 송출 동작에 전혀 영향을 미치지 않고, 전력 증폭기의 특성 변화를 추정할 수 있다. 또한, 실시간으로 전력 증폭기의 특성 변화에 적응된 사전 왜곡 방식을 사용하기 때문에, 종래 기술에 비하여 향상된 선형화 특성을 기대할 수 있다.

Description

전력 증폭기의 사전 왜곡 선형화 방법 및 장치 {METHOD AND APPARATUS FOR AMPLIFIER LINEARIZATION USING A PREDISTORTER}
본 발명은 알에프 전력 증폭기(RF Power Amplifier)의 비선형 특성 (nonlinearity)에 의한 왜곡 현상(distortion)을 해결하기 위한 기술에 관한 것으로, 특히 전력 증폭기의 기저 대역(baseband) 입력 신호를 사전 왜곡 (predistortion)시켜 출력을 선형화하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
디지틀 통신 기술이 이동 통신 시스템에 적용되면서, 통신 시스템을 구성하는 개별 부품의 선형성이 고품질의 통신 서비스 제공을 위한 필수적 요소로 부각되고 있다. 통신 시스템의 주요 부품인 알에프 전력 증폭기의 경우, 알에프 전력 증폭기가 지니는 3차 또는 5차 비선형 특성은 인접 통신 채널에 혼신을 유발하므로, 통신 시스템의 표준 규격으로 이를 엄격히 규제하고 있다.
이와 같은 알에프 전력 증폭기의 비선형 특성 문제를 해결하기 위한 종래 기술로서 백 오프(back-off) 방법이 있으며, 이에 관한 기술이 미합중국 특허 제4,637,017호에 상술되어 있다. 그런데, 종래 기술에 의한 백-오프 방법은 전력 증폭기의 선형 특성은 개선할 수 있으나 증폭기의 효율이 떨어지는 문제점을 지니고 있다. 따라서, 알에프 증폭기의 고효율과 선형성을 동시에 만족시키기 위한 적절한 선형화 기법으로서 기저 대역 사전 왜곡 방식에 의한 선형화 기법이 제시되고 있다.
제1a도는 종래 기술에 따른 기저 대역 사전 왜곡 방식에 의한 선형화 장치의 구성을 나타낸 도면이다. 제1a도를 참조하면, 사전 왜곡기(101)의 전달 특성은 전력 증폭기(102) 전달 특성의 역함수로 표현할 수 있으며, 전력 증폭기의 출력으로 선형 증폭된 입력 신호를 얻을 수 있다.
즉, 종래 기술에 따른 사전 왜곡기 선형화 방법은 전력 증폭기 전달 특성의 역함수 특성(G-1)을 지니는 사전 왜곡기(101)의 출력을 전력 증폭기(102)에 인가함으로써, 선형 증폭된 전력 증폭기 특성을 얻을 수 있다.
그런데, 전력 증폭기의 비선형 특성은 입력 신호의 크기에 따른 출력 신호의 크기와 위상의 왜곡으로 나타낼 수 있으므로, 사전 왜곡기에서 요구되는 역전달 특성은 제1b도에서와 같이 참조표(look-up table)를 이용한 입력 신호의 크기에 대한 사상(mapping)으로 구현할 수 있다.
제1b도를 참조하면 복소 입력 신호 Ii및 Qi(103)는 참조표를 이용하여 사전 왜곡된 신호(104)를 전력 증폭기에 인가함으로써 선형화된 출력 신호(105)를 얻게된다.
이와 같은 1차원 참조표를 사용한 사전 왜곡기 기술은 제이 케이 케이버스 (J. K Cavers)가 1990년에 발행된 IEEE Transaction Vehecular Technology 논문집 Vol.30 No.4의 제374쪽 내지 제382쪽에 발표한 논문 "Amplifier linearization using a digital predistorter with fast adaptation and low memory requirements" 에 개시되어 있다.
제1c도는 종래 기술에 따른 사전 왜곡 방식의 선형화 장치를 나타낸 도면이다. 종래 기술에 따른 사전 왜곡 선형화 장치는, 전력 증폭기의 왜곡이 기저 대역 복소 신호의 크기(magnitude)에 비례하여 발생하므로 이 값을 입력 크기에 따른 참조표의 형태로 메모리에 저장한다.
제1c도의 극좌표 변환기((106)는 입력 크기를 구하기 위한 단계이고 이 값에 따라 참조표의 주소를 계산한다. 이 과정이 도면 부호 107로 표시된 참조표 주소 산출에서 수행된다. 또한, 참조표 주소값에 따라 회전 동작(110) 등을 거쳐 보상된 신호는 직각좌표변환기(111)을 거치게 된다.
그런데, 제1c도에 도시한 종래 기술에 따른 사전 왜곡 방식의 선형화 장치는 진폭 참조표 및 위상 참조표를 채우기 위하여, 참조표의 한 원소에 해당하는 입력 신호를 인위적으로 알고 있는 값으로 인가하고 참조표의 값을 적응 알고리즘을 이용하여 변화시키면서 진폭 에러(112)와 위상 에러(114)가 최소가 되는 점을 찾아 참조표를 갱신하는 방법을 채용하고 있다.
이 과정을 흔히 훈련 단계(training mode)라고 정의하고 있는데, 이 경우 참조표의 갱신이 완료될 때까지 전력 증폭기가 송출하여야 하는 신호를 중단시켜야 하는 문제점을 지니고 있다.
또한, 전술한 종래 기술에 따른 사전 왜곡 방식의 선형화 장치는 열 또는 노화에 의한 전력 증폭기의 특성 변화에 대하여 사전 왜곡기의 전달 특성을 보정하여야 한다.
이를 위하여, 전술한 종래 기술에 따른 사전 왜곡 방식의 선형화 장치는 전력 증폭기의 입출력 신호의 오차가 최소가 되도록 적응 알고리즘(adaptive algorithm)을 사용하여 참조표의 값들을 수렴시켜 얻게 되는데, 참조표의 모든 값들이 수렴할 때까지 전력 증폭기에 특정 훈련 신호를 인가하여야 하므로 전력 증폭기의 송출 중단 현상이 발생하는 문제점이 있다.
더욱이, 종래 기술에 따른 사전 왜곡 선형화 방법은 참조표의 값 중 어느 하나라도 발산(diverge)하는 경우, 선형화 장치의 성능은 급격히 저하되거나 불안정하게 될 가능성이 존재한다.
따라서, 본 발명의 제1 목적은 전력 증폭기의 특성 변화에 대해서 양호한 개선도를 유지할 수 있는 왜곡 선형화 방법 및 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 제2 목적은 상기 제1 목적에 부가하여, 전력 증폭기의 송출 동작과는 무관하게, 시간에 따른 전력 증폭기의 특성 변화를 추정하여 양호한 개선도를 유지할 수 있는 사전 왜곡 선형화 방법 및 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 제3 목적은 상기 제1 목적에 부가하여, 시간에 따른 전력 증폭기의 특성 변화를 추정하여 선형화에 필요한 왜곡 성분을 예측할 수 있는 사전 왜곡 선형화 방법 및 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 제4 목적은 상기 제1 목적에 부가하여, 종래 기술이 지녔던 진폭 에러(112)와 위상 에러(114) 부분을 삭제하고 전력 증폭기 입출력단에 등가 모델 추정기를 삽입함으로써 어떠한 입력 신호에 대해서도 전력 증폭기의 등가 모델을 추출할 수 있는 방법 및 장치를 제공하는데 있다.
제1a도는 종래 기술에 따른 기저 대역 사전 왜곡 방식에 의한 선형화 장치의 원리를 나타낸 도면.
제1b도는 종래 기술에 따른 기저 대역 사전 왜곡 방식에 의한 선형화 장치에서 각 단의 신호들의 상관 관계를 설명하는 복소 평면 상의 궤적을 나타낸 도면.
제1c도는 종래 기술에 따른 기저 대역 사전 왜곡 방식에 의한 선형화 장치를 나타낸 도면.
제2도는 본 발명에 따른 전력 증폭기 사전 왜곡 방식 선형화 장치의 구성을 나타낸 도면.
제3도는 본 발명에 따른 전력 증폭기 사전 왜곡 방식 선형화 장치의 동작 흐름을 나타낸 도면.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
103 : 선형 특성을 위해 요구되는 전력 증폭기 입력 신호의 궤적
104 : 사전 왜곡기를 통과한 전력 증폭기 입력 신호의 궤적
105 : 선형화된 전력 증폭기 출력 신호의 궤적
201 : 사전 왜곡기
202 : 전력 증폭기 기저 대역 등가 표현 추산 장치
203 : 직각 변조기
204 : 직각 복조기
205 : 알에프 비선형 전력 증폭기
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 알에프 전력 증폭기의 임의의 기저 대역 입력 신호와 이를 알에프 대역으로 주파수 변환하고, 전력 증폭기를 통과시켜 복조한 기저 대역 궤환 신호를 적응 알고리즘을 이용하여 전력 증폭기의 기저 대역 등가 표현을 추정하고, 사전 왜곡기에 필요한 전력 증폭기의 역전달 특성을 계산하는 것을 특징으로 하는 사전 왜곡 방식의 선형화 기법을 제공한다.
또한, 열이나 노화 등에 의한 전력 증폭기의 특성 변화를 보상하기 위하여 주기적으로 혹은 일정한 판단 기준에 따라 전력 증폭기의 기저 대역 등가 표현을 재차 추정하여 사전 왜곡기의 전달 특성을 보정하는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명에 따른 알에프 전력 증폭기의 선형화 기법과 그 방법의 양호한 실시예를 첨부 도면 제2도 및 제3도를 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
제2도는 본 발명에 따른 사전 왜곡 선형화 장치를 나타낸 블럭도이다. 제2도를 참조하면, 전력 증폭기의 기저 대역 입력 신호 Vd와 출력 궤환 신호 V0를 받아 전력 증폭기의 기저 대역 등가 표현을 추정하는 기저 대역 등가 표현 적응 추정 장치(202)와 참조표에 따라 입력 신호를 왜곡시키는 사전 왜곡기(201)로 구성되어 있다. 부가적으로 신호의 주파수 대역 변환을 위한 직각 변조기(203)와 직각 복조기(204), 선형화할 비선형 전력 증폭기(205)를 구비한다.
본 발명에 따른 사전 왜곡 선형화 장치는 임의의 기저 대역 입력 신호를 알에프 대역으로 주파수 변환한 신호를 전력 증폭기(205)에 입력하고, 전력 증폭기의 출력을 직각 복조기(204)를 통하여 기저 대역으로 변환시켜 기저 대역 등가 표현 적응 추정 장치(202)에 입력된다. 이어서, 사전 왜곡기(201)는 전력 증폭기 기저 대역 등가 표현 적응 추정 장치(202)가 생성하는 참조표를 사용하여 현재의 전력 증폭기 왜곡 전달 특성을 보상할 수 있는 사전 왜곡 신호를 생성하여 직각 변조기 (203)에 입력시킨다.
제3도는 전력 증폭기 기저 대역 등가 표현 적응 추정 장치의 동작 순서를 나타낸 흐름도이다. 제3도를 참조하면, 펄스 성형(pulse shaping)된 입력 신호 Vi에 대한 전력 증폭기의 복소 출력 V0를 시각 t에서 T개 표본화(sampling; 302)하여 출력 스펙트럼의 인접 채널 전력비(ACPR; adjacent channel power ratio)를 추정(303)한다.
이어서, 산출된 인접 채널 전력(ACPR)을 목표 임계값(threshold power; Pth)과 비교하는 단계(304)를 수행하고, 그 산출된 인접 채널 전력이 임계값보다 큰 경우(즉, 전력 증폭기의 왜곡 비선형 특성이 두드러진 경우)에는 참조표를 갱신 할 것을 결정한다. 참조표 갱신의 필요성이 결정되면(304), 시스템 지연 시간을 추산 (305)하게 된다.
한편, 시스템 지연을 추산하는 방법은 수학식 1에 표현된 시스템 지연 시간 d에 따른 입력 및 출력 신호의 상관 함수의 근사값을 계산하여, 최대값이 나타내는 시간 d를 전체 시스템의 지연 시간으로 추정한다.
수학식 1에서 td는 실제 지연 시간의 예상값이고, 그 밖의 변수들도 실험적인 방법으로 결정될 수 있다.
수학식 1에서 D는 td보다 크고, T는 N + D 보다 크거나 같다. 등가 모델 추정 단계에서는 전력 증폭기의 기저 대역 등가 표현을 수학식 2와 같은 (2M + 1) 차의 복소 다항식으로 가정하고, (M + 1) 개의 복소 다항식의 계수들을 RLS (Recursive Least Squares)와 같은 적응 알고리즘을 이용하여 추정한다.
여기서, Vd= Id+ jQd, V0= I0+ jQ0, Ck= ak+ jbk인 관계가 있다.
수학식 2를 이용한 RLS 알고리즘의 반복식은 다음과 같다.
여기서,
이고,
d는 전 단계에서 추정한 궤환 루프의 지연 시간이다. 수학식 3에 따라 본 발명에서 제시한 적응 추정 장치는 궤환 신호의 실수부 데이터만 입력으로 사용하므로, 궤환 경로는 실수부(I)와 허수부(Q) 2채널에서 단일 채널로 축소할 수 있다.
최종적으로 추정된 전력 증폭기의 기저 대역 등가 표현을 이용하여 디지털 영역에서 사전 왜곡기에 필요한 참조표를 갱신한다. 방법은 일반적인 1차원 참조표를 이용한 디지털 방식의 사전 왜곡기에서와 같이 크기와 위상에 대하여 각각 입출력의 오차가 최소가 되도록 LMS(Least Mean Squares) 알고리즘을 사용할 수 있다.
전술한 내용은 후술할 발명의 특허 청구 범위를 보다 잘 이해할 수 있도록 본 발명의 특징과 기술적 장점을 다소 폭넓게 개설하였다. 본 발명의 특허 청구 범위를 구성하는 부가적인 특징과 장점들이 이하에서 상술될 것이다. 개시된 본 발명의 개념과 특정 실시예는 본 발명과 유사 목적을 수행하기 위한 다른 구조의 설계나 수정의 기본으로서 즉시 사용될 수 있음이 당해 기술 분야의 숙련된 사람들에 의해 인식되어야 한다.
또한, 본 발명에서 개시된 발명 개념과 실시예가 본 발명의 동일 목적을 수행하기 위하여 다른 구조로 수정하거나 설계하기 위한 기초로서 당해 기술 분야의 숙련된 사람들에 의해 사용되어질 수 있을 것이다. 또한, 당해 기술 분야의 숙련된 사람에 의한 그와 같은 수정 또는 변경된 등가 구조는 특허 청구 범위에서 기술한 발명의 사상이나 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변화, 치환 및 변경이 가능하다.
이와 같이 본 발명에서 제시한 사전 왜곡 방식의 선형화기는 알에프 전력 증폭기의 실시간 기저 대역 등가 표현 추정 장치를 이용하여 임의의 입력 신호로 전력 증폭기의 비선형 특성 추정이 가능하다.
따라서, 기존의 사전 왜곡 방식의 선형화기에서와 같이 특정 훈련 신호의 입력이 불필요하므로, 전력 증폭기의 송출 동작에 영향을 미치지 않고 시간에 따른 전력 증폭기의 특성 변화를 추정할 수 있다. 또한, 전력 증폭기의 등가 표현을 이용하여 사전 왜곡기에 필요한 전력 증폭기의 역전달 특성을 정확히 계산을 할 수 있으므로 향상된 선형화기의 성능을 기대할 수 있다.
또한, 본 발명의 전력 증폭기의 등가 표현 추정 장치는 입력 데이터로 궤환 복소 신호의 실수부와 허수부 중 택일할 수 있으므로, 궤환 회로를 2 채널에서 단일 채널로 간략화할 수 있다.

Claims (9)

  1. 비선형 특성을 지니는 전력 증폭기를 선형화하기 위한 장치에 있어서,
    상기 전력 증폭기의 기저 대역 입력 신호와 출력 궤환 신호를 입력 받아 상기 전력 증폭기의 기저 대역 등가 표현을 추정하는 적응 추정 수단과;
    상기 적응 추정 수단이 생성하는 기저 대역 등가 표현을 이용하여 갱신되는 참조표에 따라 입력 신호를 왜곡시키는 사전 왜곡 수단
    을 포함하는 사전 왜곡 선형화 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 사전 왜곡 선형화 장치는 신호의 주파수 대역 변환을 위한 직각 변조기와 직각 복조기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 사전 왜곡 선형화 장치.
  3. 비선형 특성을 지니는 전력 증폭기를 선형화하기 위한 방법에 있어서,
    (a) 펄스 성형된 입력 신호에 대한 상기 전력 증폭기의 출력을 선정된 갯수만큼 표본화 하는 단계;
    (b) 상기 전력 증폭기의 출력 스펙트럼의 인접 채널 전력비를 추정하는 단계;
    (c) 상기 인접 채널 전력비와 선정된 임계값과의 크기를 비교하는 단계;
    (d) 전체 시스템의 지연 시간을 산출하는 단계;
    (e) 상기 전력 증폭기의 기저 대역 등가 모델을 추정하는 단계;
    (f) 상기 기저 대역 등가 모델로부터 참조표를 생성하는 단계;
    (g) 상기 참조표를 이용하여 입력 왜곡 신호를 생성하는 단계
    를 포함하는 사전 왜곡 선형화 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 인접 채널 전력비와 선정된 임계값과의 크기를 비교하는 단계는, 그 크기 비교 결과 상기 인접 채널 전력비가 선정된 임계값보다 큰 경우에는 상기 (d), (e), (f), (g) 단계들을 수행하고, 상기 인접 채널 전력비가 선정된 임계값보다 작은 경우에는 상기 (d), (e), (f), (g) 단계를 생략하고 (a) 단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 사전 왜곡 선형화 방법.
  5. 제3항에 있어서, 상기 전체 시스템의 지연 시간을 산출하는 단계는 입력 신호와 궤환 신호의 상관 함수를 이용하여 산출하는 단계를 포함하는 사전 왜곡 선형화 방법.
  6. 제3항에 있어서, 상기 전력 증폭기의 기저 대역 모델을 추정하는 단계는 상기 전력 증폭기의 기저 대역 등가 표현을 (2M + 1) 차의 복소 다항식으로 설정하고, (M + 1) 개의 복소 다항식의 계수를 RLS(Recursive Least Square) 방식으로 산출하는 것을 특징으로 하는 사전 왜곡 선형화 방법.
  7. 제3항에 있어서, 상기 전력 증폭기의 기저 대역 모델을 추정하는 단계는
    임의의 기저 대역 신호를 알에프 대역으로 주파수 이동하는 단계;
    상기 전력 증폭기의 출력 신호를 기저 대역으로 주파수 이동하는 단계
    를 포함하는 사전 왜곡 선형화 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 전력 증폭기의 출력 신호를 기저 대역으로 주파수 이동 하는 단계는 상기 전력 증폭기의 출력으로 실수부 또는 허수부 중 어느 하나를 이용하는 것을 특징으로 하는 사전 왜곡 선형화 방법.
  9. 제3항에 있어서, 상기 전력 증폭기 기저 대역 등가 모델을 추정하는 단계는 상기 전력 증폭기의 전달 특성의 변화에 따라 다수회 반복하여 추정하는 것을 특징으로 하는 사전 왜곡 선형화 방법.
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