KR20010110519A - 전력 증폭기의 특성 모델링 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전력 증폭기의 정확한 비선형 특성을 측정할 수 있으며, 전력 증폭기의 비선형 특성을 실시간(REAL TIME)으로 모델링 할 수 있는 전력 증폭기의 특성 모델링 장치에 관한 것으로서, 이상과 같은 본 발명에 따른 전력 증폭기의 특성 모델링 장치는 입력되는 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하는 D/A 변환기와; 상기 D/A 변환기의 출력되는 기저대역의 아날로그 신호를 반송파의 주파수로 변조하는 I/Q 변조기와; 상기 I/Q 변조기의 출력신호를 고주파 신호로 증폭하는 전력 증폭기(HPA)와; 상기 입력신호에서 분기된 입력신호에 시간 지연을 주는 지연기와; 상기 전력 증폭기에서 출력된 고주파의 신호를 저주파의 기저대역 신호로 복조하는 I/Q 복조기와; 상기 I/Q 복조기에서 출력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환기와; 상기 지연기 및 A/D 변환기의 출력신호에 따라 전력 증폭기의 비선형 특성을 모델링 하는 디지털 신호 프로세서(DSP)와; 자체적으로 발진 주파수를 만들어 I/Q 변조기 및 I/Q 복조기에 각각 제공하는 국부 발진기를 포함하여 구성된다.

Description

전력 증폭기의 특성 모델링 장치{Power Amplifier Characteristics Modeling Apparatus}
본 발명은 전력 증폭기의 특성 모델링 장치에 관한 것으로서, 특히 전력 증폭기의 비선형 특성을 보다 정확하게 측정 및 모델링 할 수 있는 전력 증폭기의 특성 모델링 장치에 관한 것이다.
일반적으로 증폭기는 증폭기에 입력된 전기적 신호의 전력을 증가시키는데 사용된다. 이상적인 증폭기는 입력된 신호를 왜곡시키지 않고 선형적으로 신호의 크기만 증가시킨다. 그러나, 이와 같은 모든 신호 증폭기는 증폭기 제작에 사용된 능동 소자가 갖는 비선형 특성 때문에 전력증폭기(12)의 출력에는 입력 신호 이외의 왜곡 성분이 나타난다.
증폭기에서 발생하는 왜곡은 입력신호 전력증가에 따른 이득 감소(AM to AM)와 입력신호 전력증가에 따른 위상변화(AM to PM)에 의해 발생한다. 이에 따라, 전력 증폭기의 비선형 특성을 개선시키기 위하여 여러 가지 선형화 기법이 이용되고 있다. 이 가운데 전치 왜곡 방식의 선형화 기법은 구성이 간단하고 입력 신호 대역이 넓은 경우에도 적용할 수 있기 때문에 널리 사용되고 있다. 이 전치 왜곡방식의 동작원리는 전력증폭기의 비선형 특성과 반대되는 장치(전치 왜곡기)를 전력 증폭기의 전단에 구성하여 전치 왜곡기와 전력증폭기 전체의 시스템 이득 위상이 일정하도록 제어하는 방식이다. 따라서 이 방법을 적용하기 위해서는 입력신호 레벨 변화에 따른 전력 증폭기의 비선형 특성을 정확히 알아야 하며 이를 토대로 전치 왜곡기의 특성을 구할 수 있다.
도 1은 종래의 전력 증폭기의 비선형 특성을 측정하기 위한 측정 시스템의 블록 구성도이며, 도 2는 종래의 전력 증폭기의 비선형 특성을 측정하기 위한 제어 흐름도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 전력증폭기(12)의 비선형 특성을 측정하기 위해서는 벡터 회로망 분석기(POWER SWEEP MODE)(11)를 이용한다. 이 벡터 회로망 분석기(11)를 통한 측정된 결과를 토대로 하여 여러 가지 방법을 이용하여 전력 증폭기(12)의 입력신호 전력증가에 따른 이득 감소(AM to AM) 및 입력신호 전력증가에 따른 위상변화(AM to PM)를 모델링 한다.
여기서, 도 1에 도시된 벡터 회로망 분석기(11)의 측정 데이터와 커브 적응(CURVE FITTING) 기법을 이용하여 전력 증폭기(12)의 입력신호 전력증가에 따른 이득 감소(AM to AM) 및 입력신호 전력증가에 따른 위상변화(AM to PM)를 유도한다. 도 1에서 사용된 전력 증폭기(12)는 TWTA (Traveling Wave Tube Amplifier)의 데이터와 커브 적응에 의한 모델링 데이터A이다.
이와 같은 종래의 기술에서는, 전력 증폭기(12)의 비선형 특성을 모델링 하기 위해서는 벡터 회로망 분석기(11)를 이용하여 사용하고자 하는 출력 범위에 대하여 전력 증폭기의 이득 및 위상 특성을 측정하는데, 이 측정된 데이터를 이용하여 전력 증폭기(12)의 비선형 특성을 모델링 한다.
그러나, 최근 발표된 논문들에 의하면 전력 증폭기의 입력신호 전력증가에 따른 이득 감소(AM to AM)는 전력 증폭기의 입력 신호의 종류에 상관없이 거의 일정한 특성을 제공하지만, 입력신호 전력증가에 따른 위상변화(AM to PM) 특성은 사용하는 입력신호의 특성에 따라 변화된다는 내용이 주류를 이루고 있다. 따라서 전력증폭기의 특성을 정확히 모델링하기 위해서는 실제 전력증폭기가 적용되는 시스템의 입력 신호를 사용하는 것이 가장 효과적이라고 할 수 있다.
그러므로, 전력 증폭기의 비선형 특성을 정확히 모델링 하기 위해서는 전력 증폭기가 사용되는 시스템의 입력신호를 이용해야만 한다. 따라서, 이상에서 설명한 연속파형(Continuous Wave)신호를 사용하는 벡터 회로망 분석기를 이용하여 전력 증폭기의 비선형 특성을 측정하여 이를 모델링하는 기술에는 정확도의 한계가 있었다.
본 발명의 목적은 상기에서 언급한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 전력 증폭기의 정확한 비선형 특성을 측정할 수 있으며, 전력 증폭기의 비선형 특성을 실시간(REAL TIME)으로 모델링할 수 있는 전력 증폭기의 특성 모델링장치를 제공하기 위한 것이다.
이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전력 증폭기의 특성 모델링 장치는 입력되는 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하는 D/A 변환기와; 상기 D/A 변환기의 출력되는 기저대역의 아날로그 신호를 반송파의 주파수로 변조하는 I/Q 변조기와, 상기 I/Q 변조기의 출력신호를 고주파 신호로 증폭하는 전력 증폭기(HPA)와, 상기 입력신호에서 분기된 입력신호에 시간 지연을 주는 지연기와, 상기 전력 증폭기에서 출력된 고주파의 신호를 저주파의 기저대역 신호로 복조하는 I/Q 복조기와, 상기 I/Q 복조기에서 출력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환기와, 상기 지연기 및 A/D 변환기의 출력신호에 따라 전력 증폭기의 비선형 특성을 모델링 하는 디지털 신호 프로세서(DSP)와, 자체적으로 발진 주파수를 만들어 I/Q 변조기 및 I/Q 복조기에 각각 제공하는 국부 발진기를 포함하여 구성된다.
또한, 본 발명에 따른 전력 증폭기의 특성 모델링 장치의 상기 디지털 신호 프로세스는 상기 지연기의 제 1, 제 2 위상출력신호의 벡터신호크기를 구하는 신호크기 계산부와, 상기 지연기의 제 1 위상 출력신호의 위상을 모델링하는 제 1 위상 모델링부와, 상기 지연기의 제 2 위상 출력신호의 위상을 모델링하는 제 2 위상 모델링부와, 상기 제 1 위상 모델링부의 출력신호와 상기 신호크기 계산부의 출력신호의 곱을 산출하는 제 1 곱셈부와, 상기 제 2 위상 모델링부의 출려신호와 상기 신호크기 계산부의 출력신호의 곱을 산출하는 제 2 곱셈부와, 상기 제 1, 제 2 곱셈부의 출력신호와 상기 A/D 변환기의 제 1, 제 2 위상 출력신호를 각각 비교한 결과에 따라 상기 제 1, 제 2 위상 모델링부를 제어하는 비교부로 이루어진다.
도 1 은 종래의 전력 증폭기의 비선형 특성을 측정하기 위한 측정 시스템의 블록 구성도.
도 2 는 종래의 전력 증폭기의 비선형 특성을 측정하기 위한 제어 흐름도.
도 3 은 종래의 전력 증폭기의 비선형 특성을 보인 그래프.
도 4 는 본 발명에 따른 전력 증폭기의 특성 모델링 장치의 블록 구성도.
도 5 는 본 발명에 따른 전력 증폭기의 특성 모델링 장치의 동작을 설명하기 위한 도면.
도 6a 및 도 6b 는 종래의 전력 증폭기와 본 발명에 따른 모델링된 전력 증폭기의 특성을 각각 비교하기 위한 그래프.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
41 : 시스템 입력원 42 : D/A 변환기
43 : I/Q 변조기 44 : 전력 증폭기
45 : 지연기 46 : 디지털 신호 프로세서
47 : A/D 변환기 48 : 복조기
51 : 제 1 위상 모델링부 52 : 진폭 처리부
53 : 제 2 위상 모델링부 54, 55 : 제 1, 2 곱셈기
56, 57 : 제 1, 2 비교기
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 4는 본 발명에 따른 전력 증폭기의 특성 모델링 장치의 블록 구성도이다. 도 4를 참조하면, 본 발명의 전력 증폭기의 특성 모델링 장치는 시스템 입력원(41)에서 제공되는 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하는 D/A 변환기(42)와, D/A 변환기(42)의 출력되는 기저대역의 아날로그 신호를 반송파의 주파수로 변조하는 I/Q 변조기(Modulator)(43)와, I/Q 변조기(43)의 출력신호를 고주파 신호로 증폭하는 전력 증폭기(HPA)(44)와, 시스템 입력원(41)에서 분기된 입력신호에 시간 지연을 주는 지연기(45)와, 전력 증폭기(44)에서 출력된 고주파의 신호를 저주파의 기저대역 신호로 복조하는 I/Q 복조기(Demodulator)(48)와, I/Q 복조기(48)에서 출력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환기(47)와, 지연기(45) 및 A/D 변환기(47)의 출력신호에 따라 전력 증폭기(44)의 비선형 특성을 모델링 하는 디지털 신호 프로세서(DSP)(46)와, 자체적으로 발진 주파수를 만들어 I/Q 변조기(43) 및 I/Q 복조기(48)에 각각 제공하는 국부 발진기(Local Oscillator)(49)로 구성된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 전력 증폭기의 특성 모델링 장치의 동작을 설명한다.
도 4를 참조하면, 시스템 입력원(41)의 입력신호는 크게 두 부분으로 나뉘어 진다. 한 신호는 D/A 변환기(42)에 입력되며, 다른 한 신호는 전력 증폭기의 비선형 특성을 모델링하기 위해 지연기(45)에 입력된다.
먼저, D/A 변환기(42)에 입력된 신호는 I/Q 변조기(43)에 의해 주파수 변환된 후 전력 증폭기(HPA)(44)에 입력된다. 전력증폭기(44)에 입력된 신호는 전력 증폭기(44) 자체가 갖는 비선형 특성에 의해 이득과 위상이 입력 신호에 따라 비선형적으로 동작한다. 전력 증폭기(44)의 출력신호는 전력 증폭기(44)의 비선형 특성을 모델링하기 위해 샘플링된 신호는 I/Q 복조기(48)에 위해 주파수 하향 변환된 후, A/D 변환기(47)에 의해 디지털 신호로 변환된 후, 디지털 신호 프로세서(DSP)(46)에 입력된다.
이어, 시스템 입력원(41)에서 샘플링된 신호는 지연기(45)에 입력된다. 이 지연기(45)는 전력 증폭기(44)의 출력신호와 입력 샘플링된 신호의 시간을 일치시켜 주기 위한 것이다. 디지털 신호 프로세서(46)에서는 입력신호와 전력 증폭기의 출력신호를 이용하여 전력 증폭기의 비선형 특성을 정확하게 모델링하게 된다.
디지털 신호 프로세서(46)를 이용한 전력 증폭기(44)의 비선형 특성 모델링 방법은 도 5에 도시되었다. 일반적으로, 전력 증폭기 비선형 특성은 아래의 수학식 1 및 수학식 2와 같이 입력신호 세기에 대한 멱급수(POWER SERIES)로 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
[수학식 2]
여기서는 동위상(INPHASE)과 90도 위상차(QUADRATURE)성분의 계수이다. 계수를 구하기 위한 에러 함수는 아래의 수학식 3 및 4와 같이 정의될 수 있다.
[수학식 3]
[수학식 4]
여기서는 전력증폭기 출력신호의 위상이다. 전력증폭기 위상 및 이득(QUADRATURE) 모델에 포함된 미지계수를 구하기 위하여 RLS(Recursive Least Sequence) 방식을 적용한다. 미지 계수는 아래의 수학식 5를 만족한다.
[수학식 5]
여기서, 수학식 5를 만족하는 미지 계수를 구하면 전력 증폭기의 비선형 특성을 정확히 모델링할 수 있다.
도 6a 및 6b는 RLS를 이용한 결과로서 제안된 전력증폭기의 모델과 전력증폭기 출력신호의 차를 각각 나타낸 것이다. 본 발명의 실험에 사용된 전력 증폭기는 TWTA를 사용하였으며, 실험을 위한 전력 증폭기의 모델은 SALEH에 의해 제안된 식을 사용하였으며 입력신호 전력증가에 따른 위상변화(AM to PM)는 다음의 수학식 6 및 7로 표시된다.
[수학식 6]
(AM to AM)
[수학식 7]
(AM to PM)
여기서, 제시된 모델과 디지털 신호 프로세서(46)에 의해 모델링된 특성이 정확히 일치함을 보이고 있음을 알 수 있다. 따라서, 이와 같은 방법으로 실제의 제품에도 적용하여 전력 증폭기의 비선형 특성을 정확히 모델링하는데 적용할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명에 의한 전력 증폭기의 특성 모델링 장치에 따르면, 종래와 같이 벡터 회로망 분석기를 이용하여 전력 증폭기의 비선형 특성을 측정하지 않고, 전력 증폭기가 사용되는 시스템의 입력신호를 이용하여 전력 증폭기의 비선형 특성을 정확히 모델링할 수 있는 효과가 있다.

Claims (3)

  1. 입력되는 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하는 D/A 변환기와;
    상기 D/A 변환기의 출력되는 기저대역의 아날로그 신호를 반송파의 주파수로 변조하는 I/Q 변조기와;
    상기 I/Q 변조기의 출력신호를 고주파 신호로 증폭하는 전력 증폭기(HPA)와;
    상기 입력신호에서 분기된 입력신호에 시간 지연을 주는 지연기와;
    상기 전력 증폭기에서 출력된 고주파의 신호를 저주파의 기저대역 신호로 복조하는 I/Q 복조기와,
    상기 I/Q 복조기에서 출력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환기와,
    상기 지연기 및 A/D 변환기의 출력신호에 따라 전력 증폭기의 비선형 특성을 모델링하는 디지털 신호 프로세서(DSP)와,
    자체적으로 발진 주파수를 만들어 I/Q 변조기 및 I/Q 복조기에 각각 제공하는 국부 발진기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기의 특성 모델링 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 디지털 신호 프로세서는
    상기 지연기의 제 1, 제 2 위상출력신호의 벡터신호크기를 구하는 신호크기계산부와,
    상기 지연기의 제 1 위상 출력신호의 위상을 모델링하는 제 1 위상 모델링부와,
    상기 지연기의 제 2 위상 출력신호의 위상을 모델링하는 제 2 위상 모델링부와,
    상기 제 1 위상 모델링부의 출력신호와 상기 신호크기 계산부의 출력신호의 곱을 산출하는 제 1 곱셈부와,
    상기 제 2 위상 모델링부의 출려신호와 상기 신호크기 계산부의 출력신호의 곱을 산출하는 제 2 곱셈부와,
    상기 제 1, 제 2 곱셈부의 출력신호와 상기 A/D 변환기의 제 1, 제 2 위상 출력신호를 각각 비교한 결과에 따라 상기 제 1, 제 2 위상 모델링부를 제어하는 비교부로 구성된 것을 특징으로 하는 전력증폭기의 모델링 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 비교부는
    비교결과에 따라 제 1, 제 2 위상 모델링부의 모델링 계수값을 조절하는 것을 특징으로 하는 특성 모델링 장치.
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