KR20020043841A - 전력증폭기의 효율을 극대화하기 위한 제어 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

무선 통신단말기의 전력 증폭기의 효율을 극대화하기 위해 송신 출력 레벨을 제어하는 장치 및 방법이 개시되어 있다. 이러한 본 발명에 따른 전력증폭기 제어 장치의 수신신호 세기 검출부는, 수신신호의 세기를 검출한다. 신호 발생기는 상기 검출된 수신신호의 세기에 대응하고, 상기 수신신호의 세기에 선형적으로 변화하는 펄스밀도변조(PDM)신호를 발생하고, 이 PDM신호를 상기 전력증폭기의 바이어스를 제어하기 위한 신호로 발생한다. 상기 전력증폭기 제어 장치는, 상기 수신신호의 세기와 미리 주어진 폐루프 전력 제어값을 가산하는 가산기와, 상기 가산기에 의한 가산 결과에 대응하는 디지털 값을 상기 신호 발생기의 입력으로 출력하는 룩업테이블와, 상기 가산기와 상기 룩업테이블의 사이에 접속되고, 상기 가산 결과를 미리 설정된 범위내의 값으로 제한하는 제한기를 더 포함한다.

Description

전력증폭기의 효율을 극대화하기 위한 제어 장치 및 방법 {DEVICE AND METHOD FOR MAXIMIZING THE EFFICIENCY OF POWER AMPLIFIER}

본 발명은 무선 통신단말기의 전력 증폭기에 관한 것으로, 특히 상기 전력증폭기의 효율을 극대화하기 위해 송신 출력 레벨을 제어하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 코드분할다중접속(CDMA: Code Division Multiple Access)방식이나 개인휴대통신(PCS: Personal Communication Services)방식과 같은 무선 통신 시스템의 단말기(이하 "무선 통신단말기"라 칭함)는 고주파(RF: Radio Frequency)신호를 안테나를 통해 송신하고, 기지국으로부터의 신호를 안테나를 통해 수신한다. 이러한 송수신 동작을 위해 무선(이동) 통신단말기의 송신 종단에는 잘 알려진 바와 같이 전력증폭기가 구비된다.

상기 전력증폭기(PA: Power Amplifier)는 시스템의 특성과 전력소모에 큰 비중을 차지하는 것으로, 항상 최대 송출전력으로 구동되는 것이 아니라 기지국과의 거리에 따라, 그리고 사용자의 이동속도에 따라 그의 송출전력 레벨은 가변되게 된다. 기지국과 무선 통신단말기간의 거리가 가까운 경우, 즉 수신신호의 세기가 큰 경우에는 상대적으로 전력증폭기의 송출전력 레벨은 감소하게 된다. 이와 달리 셀(cell) 반경내에서 가장 먼 곳으로 무선 통신단말기가 이동한 경우, 즉 수신신호의 세기가 작은 경우나 사용자의 이동 속도가 증가하는 경우에는 전력증폭기는 최대 송출전력 레벨에 가까운 고주파신호를 송신하게 된다.

도 1은 종래 기술에 따른 전력증폭기 제어장치의 구성을 보여주는 도면이다.

상기 도 1을 참조하면, 제어부 205는 수신신호의 레벨에 따른 제어신호를 출력하는데, 이 제어신호는 전류 바이어스 회로 204로 인가되어 전력증폭기들 201,202를 제어한다. 상기 제어신호는 1비트 또는 2비트로 이루어지는 신호이다. 1비트의 제어신호가 사용되는 경우에, 수신신호 레벨이 어느 임계값(threshold) 이상이면 전력증폭기는 높은 전력을 내보내고, 어느 임계값 이하이면 낮은 전력을 내보내게 된다. 반면에, 2비트의 제어신호가 사용되는 경우에는 3가지의 임계값으로송신 전력을 결정하게 된다.

이와 같이 전력증폭기의 바이어스를 제어하기 위한 제어신호로서 1비트 또는 2비트를 사용하는 경우는 몇 가지의 바이어스(bias) 상태만을 갖게 되므로, 모든 송신 출력 레벨에 대하여 최적의 바이어스를 만들어 줄 수가 없다는 단점이 있다. 이러한 단점은 전력증폭기의 효율을 그만큼 낮게 하고, 무선(이동) 통신단말기의 통화시간을 단축하게 된다.

따라서 본 발명의 목적은 무선 통신단말기에서 전력증폭기의 효율을 극대화하는 장치 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 무선 통신단말기의 통화시간을 증가시키기 위한 전력증폭기 제어 장치 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 송신 출력 레벨에 따라 바이어스 전류와 전압을 제어하여 무선 통신단말기에 필요한 선형성을 만족하는 범위에서 전력증폭기의 전력 소모를 최소화하는 장치 및 방법을 제공함에 있다.

이러한 목적들을 달성하기 위한 본 발명은 전력증폭기를 더 효율적으로 사용할 수 있도록 제어하기 위해서 송신 범위의 모든 출력 전력 레벨에 대하여 적절한 바이어스를 설정한다. 본 발명에 따른 전력증폭기 제어 장치의 수신신호 세기 검출부는, 수신신호의 세기를 검출한다. 신호 발생기는 상기 검출된 수신신호의 세기에 대응하고, 상기 수신신호의 세기에 선형적으로 변화하는 펄스밀도변조(PDM)신호를발생하고, 이 PDM신호를 상기 전력증폭기의 바이어스를 제어하기 위한 신호로 발생한다. 상기 전력증폭기 제어 장치는, 상기 수신신호의 세기와 미리 주어진 폐루프 전력 제어값을 가산하는 가산기와, 상기 가산기에 의한 가산 결과에 대응하는 디지털 값을 상기 신호 발생기의 입력으로 출력하는 룩업테이블와, 상기 가산기와 상기 룩업테이블의 사이에 접속되고, 상기 가산 결과를 미리 설정된 범위내의 값으로 제한하는 제한기를 더 포함한다.

도 1은 종래 기술에 따른 전력증폭기 제어 장치의 구성을 보여주는 도면.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전력증폭기 제어 장치의 구성을 보여주는 도면.

도 3은 도 2에 도시된 제어부의 구체적인 구성을 보여주는 도면.

도 4는 종래 기술과 본 발명의 실시예에 따른 전력증폭기의 출력 전력에 따른 효율을 대비적으로 설명하기 위한 도면.

이하 본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명이 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 도면들 중 참조번호들 및 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호들 및 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전력증폭기 제어 장치의 구성을 보여주는 도면이다. 이러한 전력증폭기 제어 장치는 출력 레벨에 따라 최대 효율이 얻어지도록 하기 위해서 바이어스를 연속적으로 제어하는 것을 특징으로 한다.

상기 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전력증폭기 제어 장치는 가변 전원 공급부 301과, 제1전력증폭기(PA1: Power Amplifier 1) 302와, PA2 303과, 제어부 304 및 수신신호세기(RSSI: Received Strength Signal Indicator) 검출부305를 포함한다. 상기 RSSI 검출부 305는 수신신호의 세기를 검출하고, 그 검출결과를 상기 제어부 304로 출력한다. 상기 제어부 304는 상기 RSSI 검출부 305에 의한 검출결과를 입력하고, 전력증폭기의 전류를 제어하기 위한 신호 Vbias_cntl 및 전압을 제어하기 위한 신호를 출력한다. 또한 상기 제어부 304는 AGC 증폭기(도시하지 않음)를 제어하기 위한 신호로 출력한다. 이러한 제어부 304는 후술될 도 3에 도시된 바와 같이 구성된다. 전력증폭기는 제1전력증폭기 302와, 제2전력증폭기 303이 직렬 접속되어 구성된다. 상기 제1전력증폭기 302는 고주파신호 입력단(RFin)에 접속되고, 상기 제2전력증폭기 303은 고주파신호 출력단(RFout)에 접속된다. 상기 전력증폭기들 302,303은 각각 전원 입력단자 및 바이어스 제어단자 306을 구비하고 있다. 가변 전원 공급부 301은 상기 제어부 304로부터의 전압제어신호에 대응하는 전원 Vc를 상기 전력증폭기들 302,303의 전원 입력단자로 제공한다.

도 3은 도 2에 도시된 제어부 304의 구체적인 구성을 보여주는 도면이다.

상기 도 3을 참조하면, 상기 제어부 304는 전력증폭기 룩업테이블인 램들(PALUT RAM: Power Amplifier Look-Up Table) 401,402와, 펄스밀도변조(PDM: Pulse Density Modulation) 신호 발생기들 403,404와, 송신이득 제한기(TX_GAIN_LIMIT) 405와, 폐루프 전력 제어(Closed-Loop Power Control)값 저장부 406과, 가산기 407을 포함한다.

상기 가산기 407은 상기 RSSI 검출부 305에 의해 검출된 수신신호의 세기와 미리 주어진 폐루프 전력 제어값을 가산하고, 그 가산결과를 출력한다. 상기 송신이득 제한기 405는 상기 가산기 407의 출력이 미리 설정된 범위를 넘지 않도록 제한한다. 상기 송신이득 제한기 405의 출력은 제1룩업테이블 401 및 제2룩업테이블 402로 인가된다. 상기 룩업테이블들 401,402 각각은 상기 송신이득 제한기 405의 출력에 대응하는 값을 출력한다. 상기 룩업테이블들 401,402는 일련의 입력 값에 대응하는 출력 값을 저장하고 있다. 이때 상기 제1룩업테이블 401은 상기 전력증폭기들 302,303의 전압을 제어하기 위한 디지털 값을 출력하고, 상기 제2룩업테이블 402는 상기 전력증폭기들 302,303의 전류를 제어하기 위한 디지털 값을 출력한다. 제1PDM 신호 발생기 403은 상기 제1룩업테이블 401의 출력에 대응하는 제1PDM신호를 발생하고, 제2PDM 신호 발생기 404는 상기 제2룩업테이블 402의 출력에 대응하는 제2PDM신호를 발생한다. 상기 제1PDM 신호는 상기 전력증폭기들 302,303의 바이어스 전압을 제어하기 위한 신호이고, 상기 제2PDM 신호는 상기 전력증폭기들 302,303의 바이어스 전류를 제어하기 위한 신호이다.

전술한 바와 같이, 본 발명은 무선 통신단말기의 전력 증폭기의 출력 레벨에 따라 바이어스를 제어하여 증폭기 고유의 선형성을 유지하며 DC소 비전력을 최소화하기 위한 제어 장치로서 다음과 같은 방식으로 작동된다.

먼저, 전력 증폭기의 전체 출력레벨에 대하여 아래와 같은 원칙에 따라 전압과 전류 바이어스를 설정한다.

1. 전력증폭기의 원래 선형특성(예를 들어, ACPR: Adjacent Channel Power Rejection, IMD3: 3rd order Intermodulation Distortion)을 유지한다.

2. 급작스러운 바이어스 전류와 전압의 변화를 지양한다. 가능한 한 전류제어 신호(Vbias_cntl)와 구동전압(Vc)이 출력 레벨에 따라 선형적으로 변화하여 바이어스 전류와 전압이 점차적으로 완만하게 변화되는 범위에서 바이어스를 택한다. 이는 출력 레벨 변화에 따른 전압, 전류의 제어를 간단하고 신뢰성 있게 한다. 만약 급작스러운 바이어스 전압 전류의 변화가 있을 경우 이러한 바이어스의 과도기 상태에서 전력증폭기의 오동작을 초래 할 수도 있다.

3. 위의 두 조건을 만족하는 상태에서 전력증폭기 효율을 최대로 한다.

위와 같이 결정된 전압과 전류 바이어스를 걸어주기 위한 제어 전압은 도 2에 도시된 제어부 304에서 생성된다.

도 4의 403,404는 PDM 신호발생기로서 입력값에 따라 출력 전압이 변하게 된다. 이 출력 전압으로 전력증폭기의 전압과 전류 바이어스를 제어할 수 있는 것이다. 따라서 원하는 송신 출력 전력에 대한 PDM 제어 전압이 나올 수 있게 룩업테이블들 401,402에 적절한 값을 넣어 주어야 한다.

송신 출력 전력은 수신 신호 레벨에 의하여 결정되기 때문에 RSSI 검출부 305의 출력값이 상기 룩업테이블들 401,402의 주소를 가리키게 된다. 이때 RSSI 검출부 305의 출력값은 폐루프전력제어(Closed Loop power control)에 의한 값 406이 고려되어지고, 출력 전력 한계 405를 넘지 않도록 되게 한다. 해당되는 각 룩업테이블들 401,402의 주소에 저장되어 있는 값으로 연산을 하여 각 PDM신호 발생기 403,404의 입력값이 결정되어지고, 이 입력값에 해당되는 PDM제어 전압이 PDM신호 발생기들 403,404에 의해 생성되어 전력증폭기들 302,303의 전압과 전류 바이어스를 제어하게 된다. 전압과 전류 바이어스 제어는 각각의 룩업테이블들 401,402와PDM 신호 발생기들 403,404로 모든 송신 출력 레벨 범위에서 연속적으로 제어한다.

도 4는 종래 기술과 본 발명의 실시예에 따른 전력증폭기의 출력 전력에 따른 효율을 대비적으로 설명하기 위한 도면이다.

상기 도 4를 참조하면, 본 발명은 전력증폭기의 출력 전력 Pout이 변화함에 따라 효율(Efficiency)이 선형적인 특성을 유지하도록 함을 알 수 있다. 반면에, 종래 기술은 선형적인 특성을 유지시키지 못함을 알 수 있다.

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

상술한 바와 같이 본 발명은 이동 통신단말기의 전력증폭기를 사용함에 있어, 전압과 전류 바이어스를 낮은 출력 레벨에서도 선형특성을 유지하며 효율이 개선되도록 연속적으로 제어하여 단말기의 소모 전력을 절약할 수 있는 이점이 있다.

Claims (12)

1. 송신을 위한 신호를 전력 증폭하는 전력증폭기를 구비하는 무선 통신단말기에서 상기 전력증폭기의 출력 전력을 제어하기 위한 장치에 있어서,

   수신신호의 세기를 검출하는 수신신호 세기 검출부와,

   상기 검출된 수신신호의 세기에 대응하고, 상기 수신신호의 세기에 선형적으로 변화하는 펄스밀도변조(PDM)신호를 발생하고, 이 PDM신호를 상기 전력증폭기의 바이어스를 제어하기 위한 신호로 발생하는 신호 발생기를 포함함을 특징으로 하는 상기 장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 수신신호의 세기와 미리 주어진 폐루프 전력 제어값을 가산하는 가산기와,

   상기 가산기에 의한 가산 결과에 대응하는 디지털 값을 상기 신호 발생기의 입력으로 출력하는 룩업테이블을 더 포함함을 특징으로 하는 상기 장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 가산기와 상기 룩업테이블의 사이에 접속되고, 상기 가산 결과를 미리 설정된 범위내의 값으로 제한하는 제한기를 더 포함함을 특징으로 하는 상기 장치.
4. 송신을 위한 신호를 전력 증폭하는 전력증폭기를 구비하는 무선 통신단말기에서 상기 전력증폭기의 출력 전력을 제어하기 위한 방법에 있어서,

   수신신호의 세기를 검출하는 과정과,

   상기 검출된 수신신호의 세기에 대응하고, 상기 수신신호의 세기에 선형적으로 변화하는 펄스밀도변조(PDM)신호를 발생하고, 이 PDM신호를 상기 전력증폭기의 바이어스를 제어하기 위한 신호로 출력하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 상기 방법.
5. 제4항에 있어서,

   상기 수신신호의 세기와 미리 주어진 폐루프 전력 제어값을 가산하는 과정과,

   상기 가산 결과에 대응하는 디지털 값을 상기 PDM신호 발생을 위한 입력으로 출력하는 과정을 더 포함함을 특징으로 하는 상기 방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 가산 결과를 미리 설정된 범위내의 값으로 제한하는과정을 더 포함함을 특징으로 하는 상기 방법.
7. 송신을 위한 신호를 전력 증폭하는 전력증폭기를 구비하는 무선 통신단말기에서 상기 전력증폭기의 출력 전력을 제어하기 위한 장치에 있어서,

   수신신호의 세기를 검출하는 수신신호 세기 검출부와,

   상기 검출된 수신신호의 세기에 대응하고, 상기 수신신호의 세기에 선형적으로 변화하는 전압 펄스밀도변조(PDM)신호 및 전류 PDM신호를 발생하는 신호 발생기와,

   상기 전압 PDM신호에 대응하는 전원을 상기 전력증폭기로 공급하는 가변 전원 공급부를 포함하고,

   상기 전력증폭기의 출력 전력은 상기 가변 전원 공급부로부터의 공급되는 전원과 상기 전류 PDM신호에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 상기 장치.
8. 제7항에 있어서,

   상기 수신신호의 세기와 미리 주어진 폐루프 전력 제어값을 가산하는 가산기와,

   상기 가산기에 의한 가산 결과에 대응하는 디지털 값을 상기 신호 발생기의 입력으로 제공함으로써 상기 전압 PDM신호가 출력되도록 하는 제1룩업테이블과,

   상기 가산기에 의한 가산 결과에 대응하는 디지털 값을 상기 신호 발생기의 입력으로 제공함으로써 상기 전류 PDM신호가 출력되도록 하는 제2룩업테이블을 더 포함함을 특징으로 하는 상기 장치.
9. 제8항에 있어서, 상기 가산기와 상기 룩업테이블의 사이에 접속되고, 상기 가산 결과를 미리 설정된 범위내의 값으로 제한하는 제한기를 더 포함함을 특징으로 하는 상기 장치.
10. 송신을 위한 신호를 전력 증폭하는 전력증폭기를 구비하는 무선 통신단말기에서 상기 전력증폭기의 출력 전력을 제어하기 위한 방법에 있어서,

    수신신호의 세기를 검출하는 과정과,

    상기 검출된 수신신호의 세기에 대응하고, 상기 수신신호의 세기에 선형적으로 변화하는 전압 펄스밀도변조(PDM)신호 및 전류 PDM신호를 발생하는 과정과,

    상기 전압 PDM신호에 대응하는 전원을 상기 전력증폭기로 공급하는 과정을 포함하고,

    상기 전력증폭기의 출력 전력은 상기 전압 PDM신호에 대응하는 전원과 상기 전류 PDM신호에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 상기 방법.
11. 제10항에 있어서,

    상기 수신신호의 세기와 미리 주어진 폐루프 전력 제어값을 가산하는 과정과,

    일련의 입력값에 대응하는 출력 디지털값을 저장하고 있는 제1룩업테이블로부터 상기 가산 결과에 대응하는 디지털 값을 읽어들이고, 상기 전압 PDM신호 발생을 위해 출력하는 과정과,

    일련의 입력값에 대응하는 출력 디지털값을 저장하고 있는 제2룩업테이블로부터 상기 가산가산 결과에 대응하는 디지털 값을 읽어들이고, 상기 전류 PDM신호가 발생을 위해 출력하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 상기 방법.
12. 제11항에 있어서, 상기 가산 결과를 미리 설정된 범위내의 값으로 제한하는 과정을 더 포함함을 특징으로 하는 상기 방법.