KR20050064485A - 전력 증폭기의 비선형 왜곡 특성을 보상하는 전치보상장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전력 증폭기의 비선형 왜곡 특성을 보상하는 다항식형 전치보상 장치에 있어서, 복소 변조된 기저대역의 입력 신호를 입력받으면, 복소 전치보상 이득을 가지고 상기 입력 신호를 전치보상하여 전력 증폭기로 출력하는 전치보상기와, 상기 전치 보상기 뒷단 전력 증폭기를 제외한 송신 경로에서 발생하는 선형 왜곡을 보상하기 위한 보상 필터와, 상기 전력 증폭기의 역 비선형 왜곡 특성을 계산하여 다항식 계수들을 결정하고, 상기 결정된 다항식 계수들을 이용하여 가능한 모든 입력 신호의 크기 범위에 대한 전치보상 이득들을 계산하여 상기 전치 보상기에 출력하는 적응 제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

전력 증폭기의 비선형 왜곡 특성을 보상하는 전치보상 장치 및 방법{PREDISTORTION APPARATUS AND METHOD FOR COMPENSATING NON-LINEARILITY OF THE POWER AMPLIFIER}

본 발명은 광대역 전력증폭에 관한 것으로서, 특히 전력 증폭기에 의한 비선형 왜곡 특성을 선형화하기 위한 기저 대역 신호 전치보상기(Predistorter) 및 전치 보상 방법에 관한 것이다.

고주파(Radio Frequency: RF)신호를 사용하여 통신하는 전형적인 이동 통신시스템에서 고주파 증폭기(RF Amplifier)는 저전력 저잡음 수신 증폭기와 고전력 송신 증폭기로 분류된다. 고전력 송신 증폭기에 있어서 잡음보다는 효율이 더 중요한 고려대상이다. 이로 인해 이동통신 시스템에서 널리 쓰이고 있는 고전력 증폭기(High Power Amplifier: HPA)는 고효율을 얻을 수 있도록 비선형 동작점에 근접하여 동작하게 된다.

이러한 경우 증폭기의 출력은 혼 변조 왜곡(inter modulation distortion: IMD) 성분을 만들어 내어 대역내(in-band) 뿐만 아니라 다른 주파수 대역에 스퓨리어스(spurious) 신호로 영향을 주게 된다. 스퓨어리스 성분을 제거하기 위해서는 주로 피드 포워드(feed forward) 방식이 사용된다. 피드 포워드 방식은 스퓨어리스 성분을 거의 완벽하게 제거할 수 있지만 증폭 효율이 낮아질 뿐만 아니라 고주파단(RF stage)에서의 제어가 필요하므로 부피가 커지고 시스템의 가격이 높다는 단점이 있다.

이동통신 시스템 분야에서는 높은 효율과 적은 비용을 고려하여 디지털 전치보상(Digital Predistortion: DPD) 방식이 연구되고 있다. 디지털 전치보상 방식은 디지털부(digital stage)에서 전력 증폭기의 비선형 특성(Nonlinearity)에 대한 역(inverse)을 취하여 입력신호를 전치보상함으로써 전력 증폭기의 출력신호를 선형화한다.

비선형 특성은 입력신호의 크기에 따라서 출력신호의 크기가 바뀌는 AM/AM(Amplitude Modulation to AM) 특성과 입력신호의 크기에 따라서 출력신호의 위상이 바뀌는 AM/PM(AM to Phase Modulation) 특성으로 구분될 수 있다.

전력 증폭기의 비선형 특성을 보상하는 대표적인 방식으로는 복소 다항식(Complex Polynomial)을 사용하는 방식이 있다. 복소 다항식형 전치보상기는 전력 증폭기의 역 비선형 왜곡 특성을 계산하기 위해 다항식을 사용하므로, 전력 증폭기의 비선형성을 제거하는데 걸리는 시간이 짧다. 즉 수렴 속도가 빠르다. 메모리 효과를 고려하지 않을 경우, P차의 전치보상 다항식은 하기의 <수학식 1>과 같이 나타내어진다.

여기서 d(n)는 전치보상 신호이며, 입력 신호 x(n)에 곱하여지는 { }안의 부분은 x(n)의 전치보상 이득으로 볼 수 있다.

현재까지 대부분의 전치보상기는 단일 톤이나 협대역 주파수의 신호에 대해서 많이 연구되었으므로, 전력 증폭기의 비기억성(Memoryless) 비선형 특성(즉 현재의 입력만이 현재의 출력에 영향을 미침)에 대해서만 보상하는 방식이 거의 대부분이었다. 그러나 광대역 주파수에서 비선형 증폭기의 기억성 특성은 현재 입력신호 뿐만 아니라 과거의 입력된 신호들이 현재의 비선형 증폭기의 출력에 영향을 줌으로써 AM/AM 특성과 AM/PM 특성을 확연하게 변화시킨다. 이러한 현상을 메모리 효과(Memory Effects)라고 하며, 전력 증폭기의 비선형성은 입력신호의 주파수 대역폭에 따라 다르게 나타난다. 최근 이동통신 시스템의 사용 주파수 대역이 점차 광대역화 되면서 비선형 증폭기의 메모리 효과를 고려한 연구와 개발이 보다 활발하게 진행되고 있다. 이산 볼테라 급수(discrete Volterra series) 방식은 과거 입력 샘플들을 고려하는 다항식을 사용하여 메모리 효과를 보상한다.

다항식형 전치보상기의 비선형성 제거 능력은 얼마나 많은 과거의 입력 샘플들을 고려하느냐와 다항식의 차수를 얼마로 할 것인가에 따라 달려 있다. 고려하여야 할 과거의 입력 샘플을 하나 늘릴 때마다 계산량이 기하급수적으로 증가하므로, 다항식형 전치보상기는 수렴 속도는 빠르지만 수식이 매우 복잡하고 계산량이 많아 구현하기가 용이하지 않을 뿐 아니라 많은 수의 고속 곱셈기들이 필요하게 되어 로직의 크기가 커지게 된다.

이러한 문제점을 해소할 수 있는 전치보상 기술로는 룩업 테이블(Look-up table: LUT)을 이용하는 기술이 있다. 룩업 테이블은 입력 신호의 가능한 진폭 레벨 범위에 대한 전치보상 이득들을 저장하기 때문에, 일반적으로 매우 적은 계산량만을 필요로 한다. 그러나 메모리 효과를 가지는 전력 증폭기의 비선형성을 정확히 제거하기 위해서는 룩업 테이블의 각 요소들(entries), 즉 전력 크기에 따른 전치보상 이득들에 대하여 각각 적응 알고리즘을 적용하여야 하므로, 전력 증폭기를 선형화하는데 걸리는 시간이 길다는, 즉 수렴 속도가 느리다는 단점을 가진다.

또한, 입력 신호의 대역폭이 증가함에 따라 송신측 경로의 디지털 아날로그 변환기의 sin(x)/x 특성으로 인한 왜곡이 증가된다. 도 1a는 송신측 경로의 디지털 아날로그 변환기에 의한 왜곡이 도시되어 있다. 또한, 도 1b는 필터 및 상향 컨버터 등 아날로그 회로의 그룹 딜레이 및 증폭 리플 특성이 저하된 상태를 도시한 도면이다. 상기 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같은 왜곡으로 인해 요구되는 사양을 맞추기 어려워진다. 이에 따라 전력 증폭기를 제외한 송신 경로에서 발생하는 선형 왜곡이 증가하고, 송신 경로를 선형화하기 위해 사용되는 전치 왜곡기의 부하를 가중시킨다는 단점이 있다.

따라서 상기한 바와 같이 동작되는 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 본 발명의 목적은 송신 경로상의 디지털 아날로그 컨버터 및 아날로그 필터와 업 컨버터에 의한 선형 왜곡을 보상하는 보상 필터 및 보상 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 룩업 테이블을 사용하여 메모리 효과를 가지는 전력 증폭기의 비선형 왜곡 특성을 보상하는 전치보상기 및 전치보상 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 전치보상 다항식을 통해 추출한 전치보상 파라미터들을 이용하여 룩업 테이블의 구성요소들을 계산하는 전치 보상기 및 전치보상 방법을 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예는 전력 증폭기의 비선형 왜곡 특성을 보상하는 다항식형 전치보상 장치에 있어서, 복소 변조된 기저대역의 입력 신호를 입력받으면, 복소 전치보상 이득을 가지고 상기 입력 신호를 전치보상하여 전력 증폭기로 출력하는 전치보상기와, 상기 전치 보상기 뒷단 전력 증폭기를 제외한 송신 경로에서 발생하는 선형 왜곡을 보상하기 위한 보상 필터와, 상기 전력 증폭기의 역 비선형 왜곡 특성을 계산하여 다항식 계수들을 결정하고, 상기 결정된 다항식 계수들을 이용하여 가능한 모든 입력 신호의 크기 범위에 대한 전치보상 이득들을 계산하여 상기 전치 보상기에 출력하는 적응 제어기를 포함하는 것을 특징으로 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. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

후술되는 본 발명의 특징은 송신 경로상의 디지털 아날로그 컨버터 및 아날로그 필터와 업 컨버터에 의한 선형 왜곡을 보상하는 것이다. 또한, 전력 증폭의 선형화를 위한 전치보상 파라미터들을 전치보상 다항식에 의해 계산하고, 상기 계산된 전치보상 파라미터들을 룩업 테이블(Look-up Table: LUT) 형태로 변환하는 것이다. 여기서 전치보상 파라미터들은 특히 복소 다항식 계수들을 의미한다.

도 2은 본 발명의 일 실시예에 따라 송신 경로상의 선형 왜곡을 보상하여 선형화된 증폭신호를 출력하는 송신기를 나타낸 블럭 구성도이다. 이러한 구조의 송신기는 예를 들어 고주파(Radio Frequency: RF)를 사용하여 무선통신을 수행하는 이동통신 시스템에서 사용된다.

상기 도 1을 참조하면, 송신기(200)의 전송경로(Forward Path)는 디지털 전치보상기(Digital Pre-Distorter: DPD)(202)와 보상 필터(Correction Filter : CF)(203)와 디지털 변조기(Modulator: MOD)(204)와 디지털/아날로그 변환기(Digital to Analog Converter: DAC)(206)와 중간주파수(Intermediate Frequency: IF) 대역통과필터(Band Pass Filter: BPF)(208)와 주파수 상승 변환기(Frequency Up Converter)(210)와 고주파(Radio Frequency: RF) 대역통과필터(BPF)(212)와 전력 증폭기(Power Amplifier: PA)(114)와 송신 안테나(232)로 구성된다. 상기 송신기(200)의 궤환경로(Feedback Path)는 상기 전력 증폭기(214)와 상기 송신 안테나(232) 사이의 방향성 결합기(Directional Coupler: DC)(216)와 주파수 하강 변환기(Frequency Down Converter)(222)와 피드백 대역통과필터(FB BPF)(224)와 아날로그/디지털 변환기(Analog to Digital Converter: ADC)(226)와 디지털 복조기(De-Modulator: DEM)(228)와 적응 제어기(Adaption Controller: ADAP)(230)로 구성된다.

동위상(In phase: I) 신호성분과 직교위상(Quadrature: Q) 신호성분으로 이루어진 기저대역의 디지털 입력 신호는 상기 전치보상기(202)로 입력된다. 상기 전치보상기(202)는 상기 전력 증폭기(214)에서 일어나는 왜곡을 보상하기 위하여 상기 동위상 및 직교위상 입력 신호들을 변환한다. 상기 전치보상기(202)는 상기 전력 증폭기(214)의 역 비선형 왜곡 특성을 모델링한 다항식 계수들을 이용하여 전치보상 이득들을 구하고, 상기 구해진 전치보상 이득들을 룩업 테이블에 저장하여 사용한다.

상기 전치보상기(202)의 출력은 보상 필터(203)에 인가되며, 상기 보상 필터(203)는 상기 도 1a 및 도 1b에 도시된 RF 송신 경로에서 나타나는 진폭 특성과 그룹 딜레이 특성의 역 주파수 응답을 갖는다. 따라서, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 송신 경로에서 발생하는 신호 왜곡을 보상할 수 있다.

도 3을 참조하면, 각각 필터로 표시된 (jw)와 (jw)는 하나의 필터 G(jw)로 표현될 수 있다. 즉, 디지털 선형 필터를 전치 왜곡부 후위에 사용하여 전력 증폭기를 제외한 송신 경로의 선형 왜곡을 보상할 수 있다. 이를 사용함으로써 전력 증폭기를 제외한 송신 경로의 선형 왜곡을 보상해야 하는 전치 왜곡기의 선형화 처리 부담을 줄일 수 있다. 이 보상 필터는 디지털 구적 변조(Digital Quadrature Modulation : DQM) 형태의 송신 경로에 적용할 경우, 전치 왜곡부 후위에 DQM 출력에 1종류만 사용하면 되며, 아날로그 구적 변조(Analog Quadrature Modulation : AQM)형태의 송신 경로에 적용할 경우 I, Q 경로 각각에 1종류의 보상 필터가 사용된다.

상기 보상 필터(203)의 출력은 디지털 변조기(204)에 인가되며, 상기 디지털 변조기(204)는 상기 동위상 및 직교위상 입력 신호들을 직교 변조방식(Quadrature Modulation)에 의해 단일 디지털 신호로 변환한다. 상기 디지털 변조기(204)로부터의 상기 디지털 신호는 상기 디지털/아날로그 변환기(206)에 의해 중간 주파수(IF)의 아날로그 신호로 변환된다. 이 때, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 보상 필터(203)에서 보상된 신호에 의해 디지털/아날로그 변환기(206)의 왜곡 성분이 상쇄된다.

상기 중간주파수 대역통과필터(208)는 상기 디지털/아날로그 변환기(206)로부터의 중간주파수 신호에서 대역외 성분을 제거한다. 상기 중간주파수 대역통과필터(208)로부터의 필터링된 출력은 주파수 상승 변환기(210)에 의해 이동통신 시스템의 주파수 대역내의 주파수를 가지는 고주파 신호로 변환된다. 보다 상세하게 상기 주파수 상승 변환기(210)는 위상동기루프(Phase Locked Loop: PLL)(218)로부터의 기준 클럭(Reference Clock: Ref. CLK)을 가지고 발진기(Oscillator)(220)에 의해 생성된 송신 국부발진 신호(Transmit Local Oscillation Signal: LO_TX)를 상기 필터링된 중간주파수 출력에 혼합하여 원하는 주파수를 생성하는 믹서(Mixer)이다. 상기 기준 클럭은 상기 디지털 변조기(104)에서의 변조 동작을 위해서도 사용된다.

상기 고주파 대역통과필터(212)는 상기 주파수 상승 변환기(210)에 의해 변환된 상기 고주파 신호에서 대역외 성분을 제거한다. 상기 전력 증폭기(214)는 상기 고주파 대역통과필터(212)로부터의 필터링된 고주파 출력을 증폭하여 송신 안테나(232)로 전달한다.

상기 전치보상기(202)의 전치보상 동작을 위한 궤환경로는 상기 전력 증폭기(214)로부터의 증폭된 신호를 감시한다. 이를 위하여 상기 방향성 결합기(216)는 상기 전력 증폭기(214)로부터 상기 송신 안테나(232)로 출력되는 신호의 일부를 상기 주파수 하강 변환기(222)로 전달한다. 상기 주파수 하강 변환기(222)는 상기 주파수 상승 변환기(212)의 반대되는 방식으로 동작한다. 특히 상기 주파수 하강 변환기(222)는 상기 전력 증폭기(214)에 의해 증폭된 신호의 주파수를 중간주파수로 낮춘다. 이를 위하여 상기 주파수 하강 변환기(222)는 상기 발진기(220)에 의해 생성된 수신 국부발진 신호(Receive Local Oscillation Signal: LO_RX)를 상기 증폭된 고주파 출력에 혼합하여 원하는 주파수를 생성하는 믹서로 구성된다. 상기 궤환 대역통과필터(224)는 상기 주파수 하강 변환기(222)로부터의 중간주파수 출력에서 대역외 신호를 제거한다.

상기 궤환 대역통과필터(224)에 의해 필터링된 아날로그 중간주파수 출력은 상기 아날로그/디지털 변환기(226)에 의해 디지털 신호로 변환된다. 상기 디지털 복조기(228)는 상기 기준 클럭에 동기하여 상기 디지털 변조기(204)의 반대되는 방식으로 상기 디지털 신호를 복조함으로써 동위상 신호성분 신호와 직교위상 신호성분 신호를 상기 적응 제어기(230)로 출력한다.

상기 적응 제어기(230)는 또한 상기 전치보상기(202)로부터의 출력 신호를 주기적으로 감시한다. 이로써 상기 적응 제어기(230)는 상기 전치보상기(202)로부터의 출력 신호(전송하고자 하는 신호)와 상기 디지털 복조기(228)로부터의 출력 신호(실제로 전송되는 신호)를 입력받게 되고, 이 입력들을 이용하여 전치보상 다항식을 계산하기 위한 계수들을 결정하며 상기 결정된 다항식 계수들을 이용하여 입력 신호의 가능한 모든 크기들에 대한 전치보상 이득들을 계산한다. 상기 계산된 전치보상 이득들은 상기 전치보상기(202)내의 룩업 테이블에 저장된다.

룩업 테이블을 포함하는 상기 전치보상기(202)의 상세한 구성은 도 4에 나타내었다. 상기 도 4를 참조하면, 상기 전치보상기(202)는 입력 신호의 순간적인 크기를 계산하는 크기 계산기(Magnitude Calculator)(402)를 포함한다. 상기 계산된 크기는 룩업 테이블(LUT)(204)에서 상기 계산된 크기에 대응하는 복소 전치보상 이득을 액세스하는데 이용된다. 상기 복소 전치보상 이득들은 상기 전력 증폭기(214)의 전송 특성을 보상하기 위한 것이다. 상기 룩업 테이블(404)은 상기 적응 제어기(230)에 의하여, 상기 복소 전치보상 이득들이 상기 전력 증폭기(214)의 전송 특성 변화를 반영할 수 있도록 주기적으로 갱신된다.

상기 룩업 테이블(404)로부터 상기 복소 전치보상 이득은 곱셈기(406)로 제공되며, 상기 곱셈기(406)는 상기 입력 신호에 상기 복소 전치보상 이득을 곱하여 상기 입력 신호를 전치보상한다. 상기 전치보상된 신호가 상기 전력 증폭기(214)에 의해 증폭될 때 상기 전력 증폭기(214)에 의해 야기되는 비선형 왜곡이 제거된다.

이하 다항식 형태로 주어진 전치보상 특성을 룩업-테이블 형태로 변환하는 동작에 대해, 상기 적응 제어기(230)의 상세 구성을 나타낸 도 5을 참조하여 설명한다. 상기 도 5를 참조하면, 상기 적응 제어기(230)는 메모리(230a)와 디지털 신호처리 프로세서(Digital Signalling Processor: DSP)(230b)로 구성되며, 상기 디지털 신호처리 프로세서(230b)는 기능적으로 계수 계산기(Coefficient Calculator: Coeff Cal.)(230c)와 이득 계산기(Gain Calculator: Gain Cal.)(230d)로 구분된다.

이하에서는 입력신호와 과거의 전치보상된 신호를 고려하여 전치보상 다항식 계수들을 결정하며 복소 벡터 곱셈을 이용하여 입력신호를 전치보상하는 다항식 방식을 예로 하여 설명할 것이나, 본 발명의 특징은 다항식 방식에 의해 구해진 전치보상 이득들을 룩업 테이블에 저장하는 것으로 이해되어야 하며 여기서 사용된 전치보상 방식에 의해 제한되는 것이 아님은 물론이다.

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되지 않으며, 후술되는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 동작하는 본 발명에 있어서, 개시되는 발명중 대표적인 것에 의하여 얻어지는 효과를 간단히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 전치 왜곡부의 출력단에 보상 필터를 추가하여 디지털 아날로그 변환기 및 아날로그 필터와 상승 변환기에 의해 선형 왜곡을 보상함으로써, 전치 왜곡기의 성능을 향상시킬 수 있다는 이점이 있다. 또한, 복잡한 전치 왜곡기의 탭을 간단한 보상 필터로 대체함으로써 하드웨어 회로를 간소화하고, 전치 왜곡부의 선형화 부담을 줄여 디지털 시그널 프로세서의 계산량을 줄일 수 있다는 이점이 있다.

도 1a는 송신 경로의 디지털 아날로그 변화기에 의한 신호 왜곡을 도시한 도면,

도 1b는 RF 송신 경로에 의한 신호 왜곡을 도시한 도면,

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따라 전치보상기를 사용하여 선형화된 증폭신호를 출력하는 송신기의 구성을 나타낸 블록도,

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 보상 필터의 전력 증폭기를 제외한 송신 경로의 주파수 응답특성에 대한 보상을 도시한 도면,

도 4은 본 발명에 따라 룩업 테이블을 갱신하는 적응 제어기의 상세 구성을 나타낸 블럭도.

도 5는 입력 신호의 크기에 대해 룩업 테이블에 저장된 전치보상 이득들을 나타낸 도면.

Claims (5)

1. 전력 증폭기의 비선형 왜곡 특성을 보상하는 다항식형 전치보상 장치에 있어서,

   복소 변조된 기저대역의 입력 신호를 입력받으면, 복소 전치보상 이득을 가지고 상기 입력 신호를 전치보상하여 전력 증폭기로 출력하는 전치보상기와,

   상기 전치 보상기 뒷단 전력 증폭기를 제외한 송신 경로에서 발생하는 선형 왜곡을 보상하기 위한 보상 필터와,

   상기 전력 증폭기의 역 비선형 왜곡 특성을 계산하여 다항식 계수들을 결정하고, 상기 결정된 다항식 계수들을 이용하여 가능한 모든 입력 신호의 크기 범위에 대한 전치보상 이득들을 계산하여 상기 전치 보상기에 출력하는 적응 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 전치보상 장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 전치 보상기는

   상기 입력 신호의 크기들로 어드레스된 복소 전치보상 이득들을 저장하고 있는 룩업 테이블에서 입력 신호의 크기에 대응하는 복소 전치보상 이득을 액세스하는 것을 특징으로 하는 전치 보상 장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 적응 제어기는,

   운영자에 의해 지시된 또는 주기적인 학습 모드에서 상기 전치보상 이득들을 계산하여 상기 룩업 테이블을 갱신하는 것을 특징으로 하는 전치보상 장치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 입력 신호는,

   상기 전치보상 장치에 의해 이전에 처리된 과거 입력 신호 샘플들과 상기 현재 입력 신호 샘플들의 조합으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전치보상 장치.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 입력 신호는,

   상기 전치보상 장치에 의해 이전에 처리된 과거 전치보상된 신호 샘플들과 상기 현재 입력 신호 샘플들의 조합으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전치보상 장치.