KR20010113423A

KR20010113423A - 오에프디엠 시스템에서 고출력 증폭기에 의한 비선형 왜곡보상 방법

Info

Publication number: KR20010113423A
Application number: KR1020000034001A
Authority: KR
Inventors: 최승국
Original assignee: 최승국
Priority date: 2000-06-16
Filing date: 2000-06-16
Publication date: 2001-12-28

Abstract

고출력 증폭기를 사용하는 OFDM 시스템에서 증폭기의 비선형적인 특성은 수신 데이터 재생 시 비트 오류율(BER : bit error rate)을 증가시키는 문제가 있다. 본 발명에서는 이러한 비선형적인 특성이 수신 신호에 미치는 영향을 감소시키기 위한 보상 기법에 관한 것이다. 왜곡을 보상하기 위한 방법으로 증폭기를 비교적 선형적인 부분에서 동작시키기 위한 output back-off(OBO) 방식과 송신단의 사전 왜곡기(predistorter)를 통한 고출력 증폭기의 선형적인 보상 및 수신단에서 수신 신호의 성상도(constellation)를 역회전(de-rotation) 시키는 세 가지 보상 기법이 각각 별개로 사용되어오고 있다. 본 발명에서는 이 세 가지 방법을 적절히 혼용하여 같이 사용함으로서 비트 오류율을 개선시키는 효과적인 보상 방법을 개발하였다.

Description

오에프디엠 시스템에서 고출력 증폭기에 의한 비선형 왜곡 보상 방법{Compensation of nonlinear distortion in OFDM systems with high power amplifier}

최근 무선 초고속 멀티미디어 데이터 전송의 요구가 급속히 증가함에 따라 이를 위해 제시된 전송 방식 중의 하나가 다중 반송파 전송 방식이다. 이중 직교 주파수 분할 다중 전송(OFDM : Orthogonal Frequency Division Multiplexing)방식은 직렬로 입력되는 송신 데이터를 병렬화 한 후에 이를 상호 직교성을 가지는 다수의 부반송파를 사용하여 전송하기 때문에 기존의 주파수 분할 다중화 전송(FDM)방식에 비해 대역폭 효율이 우수하고, 전송심볼의 길이가 DS-CDMA와 같은 단일 반송파 전송 방식보다 부반송파의 수만큼 길어지게 된다. 따라서 고속 데이터 전송 시 발생되는 인접 심볼 간 간섭(ISI : Intersymbol Interference)에 강한 특징을 가지며, 다중 경로에 의한 지연 확산(delay spread)보다 긴 cyclic prefix를 보호구간(guard interval)으로 사용할 경우 심볼 간 간섭을 제거할 수 있다.

그러나 이러한 장점에도 불구하고 OFDM 방식은 단일 반송파 전송 방식에 비해 신호의 최대전력 대 평균전력의 비(PAR : Peak-to-Average Power Ratio)가 크기 때문에, 신호의 증폭을 위해 고출력 증폭기를 사용하는 경우 고출력 증폭기의 비선형적인 특성으로 인한 신호의 왜곡이 시스템의 성능에 심각한 영향을 미치게 된다. 이러한 비선형 왜곡은 출력 신호 레벨을 충분히 back-off(OBO : Output Back-Off) 시킴으로써 감소시킬 수 있으나, 이는 송신출력의 감소를 야기해 결국 증폭기의 효율성 저하와, 다중 경로 페이딩 채널에서의 성능 저하를 가져온다.

OFDM 방식은 할당된 주파수 대역을 여러 개의 부채널로 나누어 전송하는 주파수 분할 방식으로써, 이때 각각의 부채널 간격을 심볼 주기의 역수만큼 되도록 분리하여 주파수를 할당함으로써 부채널 반송파간에 직교성을 유지하도록 한다. 도 1에 OFDM 방식의 송·수신 시스템에 대한 블록도를 나타내었다. 전송되어질 데이터는 우선 QAM(Quadrature Amplitude Modulation) 인코더에 의해 주기가 긴 소스 심볼로 변환된 후, 직·병렬 변환기(S/P)를 거쳐 여러 개의 부반송파로 각각 변조된다. 이때 OFDM 변조를 도 1의 송신기에서와 같이 소스 심볼을 IFFT(Inverse Fast Fourier Transform)한 후, 아날로그 신호로 변환시킨 다음 RF변조시키는 방법으로 간단하게 실현할 수 있다. 이 변조된 신호는 TWT(Traveling Wave Tube)와 같은 HPA(High Power Amplifier)를 이용하여 증폭되어 전송되는데, 이러한 고출력 증폭기는 다음과 같이 메모리 없는 비선형 시스템으로 표현될 수 있다.

여기서 A(γ)는 증폭기의 크기(AM/AM)변환 특성, Ø(γ)은 위상(AM/PM)변환 특성을 나타내고, γ는 증폭기 입력신호의 complex envelop의 크기를 나타낸다. 위 식에서와 같이 고출력 증폭기에 가해지는 입력 신호의 크기가 증가함에 따라 출력은 더욱 비선형적으로 왜곡되어서 증가하는 것을 알 수 있다. 그러므로 입력 신호의 레벨을 증폭기의 선형 영역에서 동작하도록 충분히 back-off시키는 방법이 있으나, 과도한 back-off는 전력이용의 효율성과 fade margin을 감소시키는 결과를 가져온다. 따라서 고출력 증폭기의 성능을 활용하면서 비선형 왜곡에 의한 영향을 감소시키기 위하여 송신단에서 사전 왜곡기(predistorter)를 사용하는 방식과, 수신단에서 수신 신호의 성상도(constellation)를 역회전(de-rotation) 시키는 보상 방법이 각각 사용되고 있다.

사전 왜곡기를 이용한 방법은 송신단에서 신호를 IF나 RF단에서 미리 역으로 왜곡시켜 증폭기의 비선형성을 선형적으로 보상하는 방식이다. 보통 3차항으로 표현되는 사전 왜곡기를 사용하는 경우가 분석이 간단하며 만족할만한 특성을 가지는 것으로 알려져 있다. 3차의 사전 왜곡기에서는 complex envelop x_q(t)의 신호가 입력될 때 다음과 같은 complex envelop v (t)를 가지는 신호가 출력에 나타난다.

그러면 송신기 출력신호 x_o(t)의 discrete complex envelop x_e(t=nT_s)는 다음과 같이 표현된다.

De-rotation에 의한 방식은 고출력 증폭기에 의해 비선형 왜곡이 일어난 신호를 수신단에서 FFT 복조한 이후에 증폭기의 비직선성으로 인하여 회전된 성상도(constellation)를 다시 역회전시켜 보상하는 기법이다. 이때 회전량의 추정을 위하여 성상도 상에서 모든 상태의 심볼이 균일 확률로 분포되는 임의의 훈련신호(traning signal)를 전송한 후 수신단에서 모든 샘플의 평균 회전량을 얻는 방식을 사용한다. 그런데 증폭기에 의한 위상 왜곡은 위 증폭기 출력 특성 수식과 같이 송신 심볼의 위상과는 무관하고 그 크기에만 관계가 있다. 그러므로 4사분면 상의 같은 크기를 같는 위상 왜곡은 성상도 상에서 모두 동일하고, 또한 하나의 사분면 상의 원래 심볼의 위치와 평균 위상 왜곡의 위치에 따른 원점과의 각도는 동일한 각으로 회전하므로, 한 심볼 위치에 대한 샘플 평균으로써 회전량을 추정한 후, 그 만큼 de-rotation 시켜 보상한다.

위의 설명에서와 같이 왜곡을 보상하기 위한 방법으로 증폭기를 비교적 선형적인 부분에서 동작시키기 위한 output back-off 방식과 송신단의 사전 왜곡기(predistorter)를 통한 고출력 증폭기의 선형적인 보상 및 수신단에서 수신 신호의 성상도를 역회전(de-rotation) 시키는 세 가지 보상 기법이 각각 별개로 사용되어 오고 있다. 본 발명에서는 이 세 가지 방법을 적절히 혼용하여 같이 사용함으로서 증폭기의 비직선성에 의하여 증가하는 비트 오류율을 개선시키는 효과적인 보상 방법을 개발한다.

도 1은 OFDM 전송 시스템의 구성도

도 2는 여러 보상 방법을 사용 시에 신호 대 잡음비에 따른 에러율

본 발명에서 우선 비선형 증폭기가 수신단에서 데이터 재생 시 발생되는 비트 에러율에 미치는 영향을 분석하기 위하여 도 1의 OFDM 시스템 구성도에 따라 컴퓨터 모의 실험을 하였다. 모의 실험에서는 비선형 왜곡에 의한 영향을 주로 분석하기 위하여 다중 경로에 의한 페이딩은 고려하지 않고 AWGN(Additive White Gaussian Noise)만을 고려하였다. OFDM 시스템에서는 gray coding된 16-QAM 변조 방식을 사용하였다. QAM encoder의 출력에 나타나는 심볼들은 512개씩 블록화된 후 OFDM 변조된다. OFDM 변조 및 복조를 위해 512-point IFFT/FFT를 이용한다.

각 보상기법에 대한 분석은 OBO 와 신호 대 잡음비에 따르는 BER(Bit Error Rate)로 분석하였다. 여기에서 OBO는 다음과 같이 정의한다.

P_sat,와 P_out는 각각 TWT 출력단에서의 최대 출력 전력과 평균 전력을 의미한다. 사전 왜곡기를 통한 비선형 왜곡의 보상은 3차의 사전 왜곡기를 사용하였다. 수신단에서 성상도의 회전량을 추정하기 위하여 전송 신호 중 최초 OFDM 심볼 한 블록 512개 심볼을 훈련 심볼로 정해 송신한 후, 수신단에서 샘플 평균을 취하여 이후 OFDM 심볼의 성상도를 이 양만큼 de-rotation 시켜 보상하는 방식으로 모의실험을 수행하였다.

도 2에 OBO 가 각각 6.0dB, 6.93dB일 때 이상적인 선형 증폭기의 경우와, 비선형 고출력 증폭기를 사용한 경우, 그리고 각각의 보상 기법을 적용한 경우와, 마지막으로 두 가지의 보상 기법을 동시에 적용한 경우의 신호 대 AWGN 잡음비에 따른 BER 성능 곡선을 보였다. 도 2에서와 같이 보상 기법을 사용하지 않은 경우 비선형 증폭기에 의해 error floor가 발생하며, 보상기법을 사용할 경우 BER 성능이 개선됨을 알 수 있다. 특히 두 가지의 보상기법을 동시에 사용한 경우에서 가장 높은 성능 개선 효과를 나타냈고, 도2(b)와 같은 경우 BER=10^-4을 얻기 위해 각각의 보상기법을 적용한 경우보다 약 1.8dB에서 2.6dB의 이득이 있음을 알 수 있다. 사전 왜곡기를 사용하는 경우보다 de-rotation 방식을 적용한 경우가 성능이 우수했으나, 그림 6(b)에서와 같이 OBO가 6.93dB인 경우에 사전 왜곡기를 사용한 경우의 성능 개선이 de-rotation을 사용한 경우의 성능에 거의 근접함을 볼 수 있고, OBO가 6.0dB인 경우에 비해 두 가지 기법을 동시에 적용한 경우의 성능도 3dB 정도 증가함을 알 수 있다. 이로 인해 적절한 OBO의 선택 또한 시스템의 성능 개선에 영향을 미친다.

본 발명에서 우선 OFDM 시스템에서 고출력 증폭기의 비선형적인 특성으로 인한 신호의 비선형 왜곡에 대해 분석하였다. 분석 결과 사전 왜곡기와 de-rotation 등의 보상기법을 사용할 경우 증폭기에 의한 비선형 왜곡을 보상할 수 있으며, 특히 두 가지 기법을 동시에 사용할 경우 성능 개선의 효과가 이상적인 AWGN 채널의성능에 더 근접하는 우수한 성능을 얻을 수 있다. 이때 적절한 OBO의 선택이 시스템의 성능 향상에 중요하다.

Claims

증폭기의 비선형 특성에 의하여 데이터 전송 시에 증가되는 에러율을 감소시키기 위한 보상 방법에 있어서,

지금까지 각각 사용되어 오던 사전 왜곡기와 de-rotation 방법을 동시에 사용하는 방식,

이때 증폭기의 OBO가 7dB 정도 이상 되어야 만족할 만한 에러율을 얻을 수 있다.