KR20010104192A - 초선형 피드포워드 ｒｆ 전력 증폭기 - Google Patents

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Abstract

종래의 피드포워드 선형 전력 증폭기 설계에서의 선형성보다도 더 높은 수준의 효과를 얻기 위해, 광대역 셀룰러 적용에 있어서의 피드포워드 고전력 선형 증폭기는 상호변조 왜곡 소거단을 제어하는 두개의 변조된 파일럿 신호와 함께 슬로프 보상을 사용한다.

Description

초선형 피드포워드 ＲＦ 전력 증폭기 {ULTRA-LINEAR FEEDFORWARD RF POWER AMPLIFIER}
본 발명은 CDMA 디지털 셀룰러 시스템에서 사용하기 위한 피드포워드 증폭기 설계에 관련된다. 특히, CDMA 디지털 셀룰러 시스템 등의 광대역 셀룰러 시스템에서는 현저하게 가입자 수가 증가할 때에 동시적인 많은 양의 셀룰러 통화를 해결하기 위해 추가적인 대역폭을 점유하는 부가적인 반송파를 사용한다. 이러한 통화 전송에 요구되는 총 전력은 그에 대응하게 증가하여, 셀룰러 기지국 전력 증폭기로 하여금 넓은 대역폭에 걸쳐 수십 와트 또는 그 이상의 용량을 가질 것을 필요로 하게 된다. 동시에 전송되는 다수 반송파 사이의 상호 간섭을 최소화하기 위해, 전력 증폭기에 제공되는 셀룰러 파형은 낮은 인접 채널 간섭 특성을 갖도록 조심스럽게 설계된다. 그러나, 파형을 적절하게 잘 설계하였더라도 전력 증폭기에서의 비선형성은 고조파 및 상호변조를 발생시킬 수 있고, 그로 인해 상당한 양의 인접 채널 간섭이 발생한다.
도 1은 참고문헌 "Feedforward Linear Power Amplifiers" 및 미합중국 특허 제 3,886,470호에 CATV 피드포워드 증폭기 설계로서 도시된 피드포워드 선형 전력 증폭기 설계의 한 예에 대한 구성요소들을 나타낸 블럭도이다. 도 1에서, 증폭될 입력 신호(101)는 스플리터(102)를 통과하여 주 전력 증폭기(103)에 제공되며 또한 증폭기에서의 지연과 정합하도록 되어있는 지연 라인(104)에 제공된다. 왜곡이 더해진 최초 입력 신호를 포함한 전력 증폭기 출력의 샘플이 방향성 커플러(105)를 통해 얻어지고, 이 샘플은 샘플링된 전력 증폭기 출력의 최초 신호 성분의 진폭이 상기 지연 라인 출력의 최초 신호 진폭과 동일하게 되도록 감쇠기(106)에 의해 감쇠된다. 최초 신호가 차동 소자(107)에서 감산되어 소거됨으로써 에러 신호가 생성된다. 에러 신호는 전력 증폭기의 출력에서 왜곡 성분의 예측을 위해 에러 증폭기(108)를 사용하여 증폭된 다음, 지연 라인(109)에 의해 적당하게 지연된 전력 증폭기 출력으로부터 차동 소자(110)에서 감산되어 비교적 왜곡이 없는 출력 신호 (111)를 얻게 된다.
온도 변화 및 기타 다른 요인들이 소거 동작의 정확성에 영향을 줄 수 있기 때문에, 기존의 피드포워드 증폭기 설계에 있어서는 증폭기 이득 및 위상 지연 특성을 제어하기 위한 소정의 수단들이 대개 포함된다. 예를 들면, 미합중국 특허 제 4,130,807호에 개시된 피드포워드 증폭기 설계에서는 에러 신호의 진폭 및 위상 조절에 의해 에러 소거 루프의 밸런스를 맞추기 위해, 도 1에 도시된 바와 같이 가/감산기(107) 및 에러 증폭기(108) 사이에 가변 필터가 삽입된다.
광대역 신호에 대하여, 기본적인 피드포워드 증폭기 설계에서의 두 루프의 밸런스를 맞추기 위해서는 증폭기 경로 및 지연 라인 경로에서 반송파 신호 위상이 신중하게 정합될 것이 요구된다. 예를 들면, 미합중국 특허 제 4,348,642호에서는, 공지의 회로인 벡터 제어기(벡터 변조기로도 알려짐)를 사용하여 주 증폭기에 대한 입력의 진폭 및 위상을 조절하는 피드포워드 증폭기 설계가 개시 되어있다. 미합중국 특허 제 4,348,642호에서는, 벡터 제어기에 의해 얻어진 위상 시프트가 수동적인 가변 저항기에 의해 결정된다. 미합중국 특허 제 4,812,779호에서의 설계는 주 증폭기의 이득 및 위상을 제어하기 위한 회로가 사용된다. 미합중국 특허 제 4,595,882호에 개시된 설계는 도 1에 도시된 양 증폭기들의 입력에 대한 (비자동적인) 진폭 및 위상 조절을 제공한다.
에러 예측 루프와 에러 소거 루프 양쪽은 적응적으로 밸런스를 맞추는 것이 바람직하다. 도 2에 도시된 종래의 피드포워드 증폭기 설계는 도 1에 적응 제어 회로를 부가하여 나타낸 것이다. 부가적인 회로로서는, 두 증폭기에 대한 입력에 진폭 및 위상을 조절하는 회로(203 및 209)가 포함되고, 이들은 에러 신호 및 피드포워드 증폭기 출력의 샘플에 대해 각각 작용하는 제어 회로(208 및 212)에 의해 각각 제어된다. 진폭 및 위상 수정 회로는 벡터 제어기에 의해 구현된다. 도 2에 도시된 제어 회로(208 및 212)는 대응하는 벡터 제어기가 원하지 않는 성분을 제거할 수 있도록 하기 위하여, 각각의 소거 후 원하지 않는 신호 성분들의 각각의 양을 예측한다. 예를 들어, 진폭 및 위상 조절 회로 (209)를 위한 제어 회로(212)는 최종 출력(214)의 고조파 및 상호변조 왜곡(IMD) 성분의 세기를 예측하고, 최종 출력의 IMD의 양을 최소화하는 방식으로 에러 증폭기 입력에 대한 적응 조절이 이루어진다.
미합중국 특허 제 4,389,618호에는, 예측 회로에서 신호의 기본적인 성분(반송성분)을 억제하는 개념을 사용하여 최종 증폭기 출력에서 IMD의 예측을 개선하기 위한 방법이 기술되어 있다. 미합중국 특허 제 4,580,105호 및 제 5,323,119호에서는, 최종 증폭기 출력에서 IMD의 검출 및 제거를 돕기 위해 주 증폭기 입력에 파일럿 신호가 부가되고; 피드포워드 증폭기의 제 1루프(IMD 예측)에서의 진폭 및 위상 조정은 수동으로 조절되는데 반해, 제 2루프(IMD 제거)는 자동으로 제어된다. 이러한 파일럿-지원 설계의 개념은 동일한 발명자에 의해 미합중국 특허 제 4,885,551호에서 더욱 발전되었으며, 이 특허에서는 파일럿 신호의 주파수 위치가 통신 신호가 존재하는 주파수들을 피하도록 변화된다. 미합중국 특허 제 5,923,214호에서는, 스위프된 주파수 파일럿 톤(swept-frequency pilot tone)이 사용된다.
본 발명의 목적은, 주 증폭기 출력 신호로부터 고조파 왜곡 및 IMD 성분들을 소거하기 위해, 서로 다른 주파수에 두개의 변조된 파일럿 신호를 주입하는 것을 포함하는 참신한 제어 기술을 사용하여, 기존의 피드포워드 전력 증폭기 설계의 선형성을 개선하기 위한 것이다. 주입된 파일럿 신호 및 그것의 왜곡 성분들에 대한 자동적인 소거는 주 증폭기의 통과대역에서 둘 이상의 깊은 IMD 소거 널(nulls)을 제공하고, 나아가, 파일럿 신호 주파수 사이의 주파수상에서 왜곡 신호 성분의 현저한 감소를 제공한다. 두개의 소거 제어 회로(각 파일럿 신호에 대해 하나씩)를 사용하면 IMD의 소거에 영향을 주는 진폭 및 위상 변화의 보정을 연속적으로 제공한다.
본 발명의 제어 기술은 또한 넓은 대역의 주파수에 걸쳐 시스템의 성능을 개선하기 위해 슬로프 보상 회로의 사용을 포함한다. 이는 생산 응용에 있어 표준 커플러 및 증폭기 성분들이 지정될 때, 요구되는 슬로프 보상 수단들을 제공하기 위한 것이다.
도 1은 종래의 피드포워드 증폭기 설계의 주요 구성요소들의 블럭도;
도 2는 설계의 성능을 개선시키기 위해 증폭에 앞서 부가적인 진폭 및 위상 조절 회로를 구비한 종래의 피드포워드 증폭기 설계의 블럭도;
도 3은 초선형 피드포워드 전력 증폭기 설계의 바람직한 실시예에 대한 전반적인 블럭도;
도 4는 바람직한 실시예의 반송파 벡터 제어기 부시스템의 세부 사항을 도시한 블럭도;
도 5는 바람직한 실시예의 파일럿 신호 발생기 및 IMD 벡터 제어기 부시스템의 세부사항을 도시한 블럭도.
본 발명의 개시의 일부를 구성하는 첨부 도면과 연계하여 후술하는 실시예의 상세한 설명 및 청구범위를 본다면 본 발명이 더욱 명확하게 이해될 것이다. 후술하는 상세한 설명은 본 발명의 예시적인 실시예를 개시하는데 초점을 맞춘 것으로, 이것은 단지 예시일 뿐이며 본 발명이 이것에 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 사상과 범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 제한된다.
본 발명의 상세한 설명을 시작하기에 앞서, 서로 다른 도면에서 동일 또는대응하거나 유사한 구성요소를 표시하기 위하여 유사한 참조 번호 및 부호가 사용된다는 점을 알아야 한다. 또한, 아래의 상세한 설명에서는 비록 본 발명이 제한되는 것은 아니지만, 예시적인 실시예 및 여러 값들이 주어질 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예의 블럭도는 도 3에 도시되어 있다. 방향성 커플러(302)를 스플리터로서 사용하여, 광대역 입력 신호(301)는 두 경로로 갈라진다. 이 광대역 입력 신호와 주입된 파일럿 신호를 더욱 용이하게 구별하기 위해, 이하에서는 상기 광대역 입력 신호를 "반송파 신호(carrier signal)"라 언급한다. 반송파 입력 신호의 주요 부분은 반송파 벡터 제어기 부시스템(303)을 통과하여 주 증폭기(305)의 입력으로 제공된다. 이것은 진폭 및 위상 조절 회로의 기능을 수행하며 이에 대해서는 아래에 자세히 기술되어 있다. 반송파 입력 신호의 다른 부분은, 입력 반송파 신호의 이러한 샘플을 시간면에서 정렬시키는 지연라인(307)에 의해 지연되어, 방향성 커플러(306)에 의해 얻어지는 주 증폭기 출력의 감쇠된 샘플로부터 방향성 커플러(308)에서 감산될 수 있도록 하여, 통상적인 피드포워드 증폭기 설계와 부합하여 주 증폭기 출력의 왜곡 성분에 대한 예측을 제공한다. 뒤에서 더욱 자세하게 설명되는 바와 같이, 파일럿 신호는 방향성 커플러(304)에 의해 주 증폭기 입력으로 주입된다.
"에러 신호"라 불리는, 주 증폭기 출력의 IMD 부분의 예측이 방향성 커플러(308)에서 얻어져, 전치증폭기(309)에 의해 증폭되어 IMD 벡터 제어기 부시스템(315)에 제공되는데, 이는 아래에 자세하게 기술되어 있다. 이 예측의 샘플은 방향성 커플러(310)를 거쳐 반송파 벡터 제어기 부시스템(303)에 피드백으로서 제공된다.
주 증폭기(305)의 출력은 에러 증폭기(316)에서의 시간 지연 및 방향성 커플러(313)에서의 개선된 왜곡 성분 소거를 가능하게 하는 지연 라인(312)에 의해 지연된다. 에러 증폭기 입력은 에러 신호와 파일럿 신호가 더해진 신호가 진폭 및 위상이 수정된 형태이다. 방향성 커플러(314)에 의해 제공된 최종적인 피드포워드 출력(317)의 샘플을 기초로 하여, IMD 벡터 제어기 부시스템은 최종 출력(317)의 IMD 및 파일럿 신호를 최소화하기 위하여 에러 신호의 진폭 및 위상을 자동으로 조절한다. 파일럿 신호 발생기 (311)에 의해 생성된 파일럿 신호는 최종 출력에서 반송파 신호에 부가되어 나타나고, 파일럿 신호 발생기는 방향성 커플러(313)에서 발생하는 소거에 의해 최종 출력에서의 파일럿 신호 제거를 보조하기 위해 IMD 벡터 제어기 부시스템(315)에 파일럿 신호의 동기 기준 버전을 제공한다. 그렇게 하므로써, 주 증폭기 출력에 존재하는 반송파 신호의 왜곡 성분들 또한 제거된다.
도 4는 반송파 벡터 제어기 부시스템(303)에 대한 예시적인 실시예의 상세한 블럭도를 나타낸다. 반송파 입력 신호는 전치증폭기(401)에 의해 증폭되고, 피드포워드 설계에서 제 1루프(에러 신호 예측)의 성능 제어를 위해 진폭 및 위상 특성을 자동으로 조절하는 벡터 제어기 회로(403)에 제공된다. 벡터 제어기는 도 4에서 Id및 Qd로 표시된 두개의 보조 입력의 함수로서, 이득 및 위상 시프트를 제공하는 회로이다. 여기에서 이득 및 위상 시프트는 아래와 같이 주어진다.
Id및 Qd의 값들은 반송파 신호 검출기에 의해 검출된다. 제거되지 않고 남은 잔류반송파에서 반송파 신호의 동기 검출을 위한 기준은, 방향성 커플러(402)를 이용하여 반송파 입력 신호를 샘플링하고 이를 분리 증폭기(404)를 거쳐 반송파 신호 검출기(405)로 전송시킴으로써 제공된다. 반송파 신호 검출기(405)는 증폭기 (309)의 출력에서 에러 신호의 잔류 반송파 신호를 계속해서 모니터하고, 잔류 반송파 신호를 최소화하기 위해 벡터 제어기(403)를 자동으로 조절하는 Id및 Qd값들을 생성한다.
도 5는 도 3에 도시된 파일럿 신호 발생기(311) 및 IMD 벡터 제어기 부시스템(315)의 예시적인 실시예를 도시화한 블럭도이다. 최종 피드포워드 출력에서 잔류 IMD 성분의 샘플(501)은 방향성 커플러(314)에 의해 제공되고, 스플리터(502)를 거쳐 두개의 검출기로 각각 제공된다. 검출기는 잔류 IMD 출력에서 두개의 파일럿 신호를 동기적으로 검출하고 두 벡터 제어기를 조절하는 각각의 제어 신호(도 5에서 Id1, Qd1, Id2및 Qd2로 표시)를 생성하도록 설계된다. 제 1 파일럿 신호 검출기(504)는 동기 검출을 보조하기 위한 두개의 기준 신호, 즉 파일럿 신호 발생기(511)로부터의 정현파 신호 및 도 5에 "M"이라 표시된 변조 신호(515)를 사용한다. 제 2 파일럿 신호 검출기(503) 역시 두개의 기준 신호, 즉 파일럿 신호발생기(510)로부터의 정현파 신호 및 변조 신호(515)가 사용된다. 동기 검출이 이용되기 때문에, 검출기는 검출된 신호를 상대적으로 오랜 시간동안 적분하는 것이 가능하고, 이것에 의해 고품질 제어 신호가 생성된다. 두 파일럿 신호 발생기(510 및 511)는 피드포워드 증폭기의 대역폭에서 원하는 곳에 각각의 주파수들을 배치할 수 있도록 조절할 수 있는 발진기이다. 변조 신호 발생기(516)는 저속 구형파(또는 여과된 구형파) 신호를 생성하고, 이 신호는 IMD 및 반송파 신호의 존재하에서 파일럿 신호의 검출을 쉽게 하며, 콤바이너에 의해 결합된 후 최상의 성능을 위해 조절될 수 있는 위상 시프터 회로에 의해 시프트된 다음에, 변조기(514)에 의해 파일럿 신호 발생기로부터의 두 정현파에 인가된다.
검출기(503 및 504)는 두개의 벡터 제어기(507 및 509)를 위해 각각의 제어 신호를 생성한다. IMD 전치증폭기(307)의 출력(505), 즉 파일럿 신호와 에러 신호의 합은, 방향성 커플러(506)가 스플리터로서 사용되어 두개의 벡터 제어기로 제공된다. 에러 신호는 벡터 제어기(509)에 연결된 지연 라인(508)에 의해 지연된다. 지연량은 도 5에서 △21로 표시되어 있다. 도 3에서의 주 증폭기 출력 경로상의 지연(312)의 양은 에러 증폭기 경로상의 지연량에 0.5△21가 더해진 값으로 설정되어야 한다. 이러한 방식으로, 두 벡터 제어기(507 및 509)에서 나온, 에러 신호가 진폭 및 위상 수정된 형태의 두 신호는, 각각 주 증폭기 경로상의 신호에 비해서 각각 0.5△21빠르고 0.5△21늦을 것이다. 명목상의 주 증폭기 경로 지연을 벡터 변조기에서 나오는 두 소거 신호에 의해 "브래킷화(bracketing)" 하는 것은 제작 샘플마다 서로 다른 성분들이 사용되어 주 증폭기와 에러 증폭기 경로 사이에서 발생될 수 있는 지연 변화에 강한, 매우 효과적인 소거를 제공한다.
두 벡터 변조기 출력은 방향성 커플러(516)에 의해 결합되고, 에러 증폭기(316)에 제공되기 전에 슬로프 보상기 회로(517)에 의해 처리된다. 슬로프 보상기(517)는 구성요소 변동에 의한 주 증폭기 출력상의 무레벨(non-level) 주파수 특성 정합을 위한 수단을 제공함으로써 광대역 성능을 개선시킨다.
이로서 본 발명의 실시예에 대한 설명을 마친다. 비록 본 발명은 도시된 실시예를 참고로 기술되었지만, 기술 분야의 당업자에 의해 본 발명의 원리의 범위 및 사상내에서 수많은 다른 변형예 및 실시예가 고안될 수 있다는 것은 명백하다. 특히, 본 발명의 사상에서 벗어나지 않고도 상술된 상세한 설명, 도면 및 첨부된 청구범위내에서 부품 및/또는 그 조합 구성의 배열에 있어서 합리적인 변형 및 수정이 가능하다. 구성요소 부품 및/또는 배열에 있어서의 변형 및 수정에 부가하여, 대안적인 사용 또한 기술분야의 당업자에게는 명백하다.
본 발명에 따르면, 주 증폭기 출력 신호로부터 고조파 왜곡 및 IMD 성분들을 소거하여 기존의 피드포워드 전력 증폭기 설계의 선형성을 개선할 수 있다.

Claims (8)

  1. 전력 증폭기에 의해 발생된 왜곡을 감소시키기 위해 적응적으로 제어되는 피드포워드 증폭기 시스템으로서,
    파일럿 신호 성분의 검출성을 강화시키는 변조된 복수의 파일럿 신호를 발생시키는 수단;
    복수의 파일럿 신호 성분과 결합하여 증폭기 입력 신호를 수신하고 상기 파일럿 신호 성분을 구비한 증폭된 출력 신호를 출력하는 주 증폭기;
    파일럿 신호 성분으로부터 입력 신호를 추출하고 추출된 입력 신호를 지연시키는 수단;
    주 증폭기 출력 신호로부터 지연된 추출 입력 신호를 감산하여, 파일럿 신호 성분 및 증폭기 고조파 및 상호변조 왜곡 신호 성분을 포함하는 에러 신호를 생성하는 수단;
    상기 에러 신호를 입력 신호로서 수신하며 파일럿 신호 성분을 포함한 증폭된 에러 신호를 출력 신호로서 생성하는 에러 증폭기;
    왜곡 성분이 없는 최종 출력 신호를 생성하기 위해 주 증폭기 출력 신호로부터 증폭된 에러 신호를 감산하는 수단;
    주 증폭기 및 에러 증폭기 입력 신호의 진폭 및 위상을 계속적으로 조절하는 적응 제어 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 적응 제어 회로는,
    기준신호로서 이용하는 추출 입력 신호 부분을 샘플링하는 수단;
    주 증폭기 출력 신호와 지연 입력 신호 사이의 차이인 상기 에러 신호 부분을 샘플링하는 수단;
    추출 입력 신호의 샘플링된 부분 및 에러 신호의 샘플링된 부분을 이용하여, 에러 신호에서 입력 신호의 잔류 부분에 대한 직각위상 성분을 나타내는 전압을 검출하는 동기 검출기; 및
    에러 신호에서 입력 신호의 잔류 부분이 원하는 레벨로 감소될 때까지 입력 신호의 진폭 및 위상을 자동으로 조절하기 위해 상기 동기검출기에 의해 검출되는 전압을 이용하는 벡터 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    복수의 파일럿신호가,
    주파수를 개별적으로 설정할 수 있는 정현파 발진기;
    상기 정현파 발진기의 출력을 결합하는 수단;
    신호원; 및
    상기 신호원을 이용하여 결합된 발진기 출력을 변조하는 수단을 포함하는 파일럿 신호 발생기에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 신호원이 구형파 신호원인 것을 특징으로 하는 시스템.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 신호원이 필터링된 구형파 신호원인 것을 특징으로 하는 시스템.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 에러증폭기로의 입력은,
    에러 신호를 전치증폭하기 위한 수단;
    전치증폭된 에러 신호를 제 1 에러 신호 및 제 2 에러 신호로 스플리트 하기 위한 수단;
    제 1 에러 신호를 지연시키기 위한 수단;
    상기 지연된 제 1 에러 신호의 진폭 및 위상을 조절하는 제 1 벡터 제어기;
    상기 제 2 에러 신호의 진폭 및 위상을 조절하는 제 2 벡터 제어기;
    상기 제 1 및 제 2 벡터 제어기의 출력을 결합하기 위한 수단;
    상기 결합된 출력 신호 부분을 샘플링하고 상기 결합된 출력 신호를 분배하기 위한 수단;
    상기 분배된 결합 출력 신호의 샘플 및 제 1 변조 파일럿 신호 부분을 수신하고 상기 제 1 벡터 제어기를 제어하기 위한 출력 신호를 생성하는 제 1 동기 검출기; 및
    상기 분배된 결합 출력 신호의 샘플 및 제 2 변조 파일럿 신호 부분을 수신하고 상기 제 2 벡터 제어기를 제어하기 위한 출력 신호를 생성하는 제 2 동기 검출기를 포함하는 프로세서에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 벡터 제어기의 결합 출력 신호가 넓은 대역폭에 걸쳐 이용되기 위해 슬로프 보상회로에 의해 처리되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  8. 제 6항에 있어서,
    주 증폭기 출력 신호의 지연이, 상기 제 1 에러 신호 지연의 1/2에 상기 제 2 벡터 변조기를 통한 상기 에러 신호 경로상의 지연을 더한 것과 동일함을 특징으로 하는 시스템.
KR10-2000-0044232A 2000-05-12 2000-07-31 초선형 피드포워드 ｒｆ 전력 증폭기 KR100390073B1 (ko)

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