KR20050077855A - 무선 통신 시스템용 전력증폭기의 채널별 송신 전력제어방법 - Google Patents

Abstract

채널별로 만들어진 전치왜곡계수를 사용하여 다 채널 기저대역 입력데이터를 전치 왜곡시키는 단계와; 전치왜곡된 각 채널별 데이터를 각 채널 별로 크기 및 위상을 변조시키고, 채널별로 중간주파수를 달리하여 인접한 채널 대역으로 채널합성하는 단계와; 주파수 상향 변환된 신호를 증폭하는 고출력 증폭기의 출력 신호의 출력레벨을 검출하는 단계와; 미리 계산된 고정 출력레벨과 비교하는 단계와; 전치왜곡 신호처리기를 통해 전치왜곡기로 전송하여 채널 합성된 신호의 이득을 조절하는 단계를 포함하여 이루어지는 무선 통신 시스템용 전력증폭기의 채널별 송신 전력제어방법.

Description

무선 통신 시스템용 전력증폭기의 채널별 송신 전력제어방법{A method of transmission power control of a power amplifier for a wireless telecommunication system}

본 발명은 무선통신 시스템의 전력증폭기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 둘 이상의 다 채널을 동시에 전송하기 위해 사용하는 전력 증폭기의 비선형 특성을 개선하여 각 채널별 간섭을 줄이고, 자동 이득 조절 기능을 사용하여 외부 환경 변화에 무관하게 송신전력이 안정된 특성을 가질 수 있도록 하는 다채널 전력증폭기의 송신전력 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로 능동 소자들을 이용한 무선주파수 증폭기는 전력 레벨의 변화에 따라 원하지 않는 왜곡 성분들을 많이 발생시킨다. 특히, 증폭기가 포화 영역 부근에서 동작하게 되면, 비직선 현상이 현저하게 나타나게 되어 출력의 크기와 위상이 왜곡되며, 2개 이상의 신호를 입력하였을 경우 입력 신호간 상호 변조 성분들이 발생하여 인접 채널에 큰 영향을 미치게 된다.

이러한 상호 변조 성분들은 잡음원으로 작용하여 통신 시스템의 전송 품질을 저하시키는 요인이 된다. 이런 문제를 해결하기 위한 방법의 하나로 증폭기에 선형화부를 추가하는 방법이 연구되어 왔다.

최근의 CDMA 방식 및 기타 방식의 셀룰러 이동통신시스템 등과 같은 통신시스템들의 경우, 신호 변조 방식으로 통상 QAM (Quadrature Amplitude Modulation) 또는 QPSK(Quadrature Phase-Shift Keying) 등과 같은 선형 변조 방식을 채택하고 있다. 이는 간섭(Interference)에 의한 영향을 줄이고, 그에 따라 통신의 품질이 높아지도록 하고 있다. 이는 CDMA방식 이외의 기타 통신 시스템들에 있어서도 공통적인 사항이 된다.

그러나, 선형 변조 방식들은 이러한 장점을 가지고 있음에도 불구하고 일정 이상의 가입자 가입이 이루어질 경우, 간섭을 증가시키게 되어 가입자들 모두에게 원활한 상태로 통신 서비스를 제공하는 것이 곤란하였다. 이는 또 다른 측면으로 가입자수 대비 주파수 대역의 부족 문제에 기인한 것으로, 이의 문제는 무선 주파수 대역의 추가적인 할당 외에는 별도의 해결이 있을 수 없게 된다.

이에, 최근에는 무선 주파수 대역의 추가적인 할당 없이도 다수의 가입자들로 원활한 통신 서비스 제공을 위해, 앞서와 같은 선형 변조 방식 외에 FA(Frequency Allocation) 방식을 제안하여 실시하고 있다. 이는 이동통신시스템의 기지국으로 FA를 여러 개 할당하는 방식이 되며, 한정된 무선 주파수 대역을 최대한 효율적으로 이용하도록 하는 방식이 된다.

이처럼, FA를 할당하는 방식이 보급되면서, 이동통신 시스템의 양방통신에 있어 기지국으로 필히 구비되는 송신용 전력증폭기로 보다 개선된 선형성이 요구되고 있다. 이에 통상은 별도의 선형화 장치를 전력 증폭기로 부가하여 전력증폭기 자체가 가지는 비선형성을 개선하도록 함으로서 전력증폭기의 선형성을 확보하고 있다.

앞서 설명에서는 CDMA 방식 및 그에 따른 FA 할당 방식의 통신 시스템으로 적용되는 전력증폭기의 선형성의 확보 문제를 대표적 실 예로서 언급하고 있으나, 그 외, 통상 전력증폭기가 적용되어 사용되는 무선 방식의 통신시스템 및 기기들 전반에 있어서도 전력증폭기의 비선형성 개선 해당 통신시스템의 성능 향상에 매우 중요한 부분이 된다. 아울러, 다양한 형태로서 전력증폭기의 선형성 개선 노력이 지속적으로 이루어지고 있다.

비선형성 극복을 위해 실시되고 있는 전치왜곡(Pre-Distortion) 방식의 선형화 장치는 인가되는 반송파 신호를 소정 전치왜곡부(Pre-Distorter)를 통해 미리 전치 왜곡 처리한다. 그리고 전치왜곡 처리된 신호를 일정 레벨로 증폭한 후 출력한다. 즉, 미리 전치왜곡 신호를 발생하여 이를 인가되는 신호에서 전치왜곡 신호 부분과 상쇄 처리한 후, 그 나머지 부분을 증폭하여 출력하는 방식이다.

도 1은 전치왜곡(Pre-Distortion)방식을 적용한 무선 통신 시스템의 전력증폭기의 구성을 나타낸 블럭도이다. 다 채널의 기저 대역 입력 데이터를 각 채널 별로 전치 왜곡시키기 위한 전치 왜곡기(101), 전치 왜곡된 각 채널 별 데이터를 크기 및 위상을 변조시키고, 중간 주파수로 상향하여 합성하기 위한 변조 및 채널 합성기(102), 변조 및 합성된 신호를 특정 주파수 대역으로 변환하기 위한 주파수 상향 변환기(103), 주파수 상향 변환된 신호를 고출력 증폭하기 위한 고출력 증폭기(HPA, High Power Amplifier, 104), 고출력 증폭된 신호를 전치 왜곡시키기 위하여 신호를 추출하는 방향성 결합기(105), 전치 왜곡시키기 위하여 추출된 신호를 특정 주파수 대역에서 중간 주파수 대역으로 변환하기 위한 주파수 하향 변환기(107), 합성된 채널을 분리하고 복조하여 기저대역 신호로 변환하는 채널 분리 및 복조기(108), 입력 데이터를 각 채널 별로 시간 지연시키기 위한 시간 지연기(110)와 채널 분리 및 복조기(108)로부터 각 채널별 기저대역 데이터와 시간 지연된 데이터를 비교하여 전치 왜곡을 위한 계수들을 생성하여 전치 왜곡기(101)로 전송하는 전치 왜곡 신호처리기(109)로 구성된다. 설명되지 않은 안테나(106)는 고출력 증폭된 신호를 자유공간으로 방사하기 위한 것이다.

여러 채널로부터 입력되는 데이터를 각각 전치 왜곡시킨 후 합성하여, 고출력 증폭하고 방사함으로 각 채널을 합성하여 전치왜곡 하는데 발생하는 비선형성으로 인한 영향을 없앨 수 있다.

먼저 여러 개의 채널로부터 입력되는 다수의 채널 신호는 전치왜곡기(101)와 시간지연기(110)로 함께 입력된다. 시간 지연기(110)는 다수의 채널을 각각의 채널별로 시간 지연시키고, 시간 지연된 신호는 전치왜곡을 위한 계수생성을 위해, 전치 왜곡기(101)에서 전치 왜곡시켜 고출력 증폭된 신호를 다시 복조한 신호와 비교하기 위하여 이용된다.

그러나, 초기에는 전치 왜곡된 신호가 없음으로 전치 왜곡기(101)에서 사용하는 전치계수는 초기값으로 설정되어 있을 수 있으며, 비선형성이 있게 된다.

전치 왜곡기(101)로 입력된 다채널 데이터는 각각 따로 따로 전치 왜곡된 후에, 도 2에서 보는 바와 같이 변조 및 채널 합성기(102)에서 합성되는데, 합성에 앞서서 먼저 전치 왜곡된 다수의 신호가 각각 크기 및 위상을 변조하고, 변조된 다수의 신호를 합성하게 된다. 도 3은 2개의 채널을 기준으로 하여 각각의 채널을 전치 왜곡하고, 변조시킨 후 합성한 것을 도시한 것이다.

이렇게 합성된 신호는 주파수 상향 변환기(103)로 입력되어, 특정 주파수로 상향 변환되고, HPA(104)에서 고출력 증폭이 되어 방향성 결합기(105)로 전송되어진다.

방향성 결합기(105)는 수신된 고출력 증폭 신호를 안테나(106)로 전송하여 자유공간에 방사시킬 수 있도록 하는 한편, 전치왜곡 계수 계산을 위하여 주파수 하향 변환기(106)로 고출력 증폭된 신호를 추출하여 전송한다.

주파수 하향 변환기(106)는 고출력 증폭된 신호를 다시 중간 주파수로 하향 변환시키고, 중간 주파수로 다시 하향 변환된 신호는 채널분리 및 복조기(108)로 보내져서 먼저 도 4에서 보는 바와 같이 채널이 분리된 후, 다시 복조된다. 도 5는 도 4에 도시된 채널분리 및 복조기의 동작에 따른 파형 예시도이다.

이와 같이 복조된 신호는 시간 지연기(110)를 통해 전송되는 시간 지연된 입력 데이터 신호화 함께 전치 왜곡 신호처리기(109)로 보내져 비교되어 비선형성 정도를 비교하게 되고, 각 채널별로 비교를 통해 비선형 정보를 계산한 다음 만들어진 각 채널별 전치 왜곡 계수를 전치 왜곡기(101)로 전송하여 전치 왜곡기(101)에서 다음에 입력되는 기저대역의 데이터를 전치 왜곡 계수를 이용하여 전치 왜곡시킬 수 있도록 하는 것이다.

이와 같은 일련의 과정이 되풀이되면서 고출력 증폭기(104)에서 출력되는 신호는 비선형 특성이 선형으로 바뀌어 인접채널에 영향을 끼치지 않는 신호 대역을 가질 수 있다. 즉, 출력되어 나오는 고출력 신호를 다시 원래 입력신호의 시간 지연된 신호와 비교하여 선형성을 비교하고 전치왜곡 계수를 계산하여 전치 왜곡시키는 과정이 되풀이됨으로써, 점점 비선형 특성이 사라지게 되는 것이다.

그러나, 이러한 이득조정방법은 다채널 송신시스템이라 하더라도 주파수 영역에서 보았을 때, 전체 출력 스펙트럼의 파워를 판단하여 하나의 신호로 간주한 다음, 이득을 조정하였으므로 개별채널을 제어할 수 없다.

본 발명은 무선 통신 시스템용 전력증폭기에서 채널별로 송신 전력을 제어할 수 있는 송신전력 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 송신전력 제어방법은 채널분리 및 복조기에서 각각의 I, Q 데이터의 전력(Power)을 추출하고 두 값을 더해 전체 전력을 산출한 다음, 실제 송신 전력과의 비교 결과에 따라 변조 및 채널합성기를 통해 각 채널의 이득 값을 조절함으로써 채널별 출력의 이득을 제어하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 송신전력 제어방법의 다른 특징은 채널별로 만들어진 전치왜곡계수를 사용하여 다 채널 기저대역 입력데이터를 전치 왜곡시키는 단계와; 전치왜곡된 각 채널별 데이터를 각 채널 별로 크기 및 위상을 변조시키고, 채널별로 중간주파수를 달리하여 인접한 채널 대역으로 채널합성하는 단계와; 주파수 상향 변환된 신호를 증폭하는 고출력 증폭기의 출력 신호의 출력레벨을 검출하는 단계와; 미리 계산된 고정 출력레벨과 비교하는 단계와; 전치왜곡 신호처리기를 통해 전치왜곡기로 전송하여 채널 합성된 신호의 이득을 조절하는 단계를 포함하여 이루어지는 점이다.

이하, 첨부된 도면을 참조로 본 발명에 따른 전력증폭기 선형화장치의 구성과 그에 따른 동작을 설명한다.

도 6은 본 발명에 따른 송신전력 제어방법을 구현하기 위한 다 채널 전력증폭기의 구성을 개략적으로 나타낸 블럭도이다. 종래 기술에 따른 전력증폭기의 구성과 달리, 채널분리 및 복조기(208)와 변조 및 채널합성기(202)의 사이에 채널별 및 전체 출력의 이득을 제어하기 위한 제어부(211)가 구성된 것을 알 수 있다.

한편, 본 발명에 의한 송신전력 제어방법을 구현하기 위한 변조 및 채널분리기의 구성은 도 7에서와 같이 구성된다. 도 2에 도시된 종래의 변조 및 채널분리기와 달리, 데이터 발생기에서 발생하는 단일 주파수 신호를 사용하여 각 채널별 전력의 합을 구한다. 스케일 팩터(K₁)를 조절하여 아래와 같은 식 1)의 좌·우변의 전력값이 동일한 값을 가질 수 있는 스케일 팩터(K₁)를 구한다.

…………식 1)

채널합성 및 복조기의 구성은 도 8에 도시된 바와 같다. 도 4에 도시된 종래의 채널합성 및 복조기와 달리 이득 값(C)을 적용하여 채널을 필터링하는 것을 알 수 있다.

…………식 2)

식 1)의 우변 값을 식 2)의 좌변에 대입하게 되면, 식 2)의 우변 값은 복조 및 채널분리기에서 계산 가능하다. 따라서, K₂의 값을 찾을 수 있다. 여기에서 이득 K₂의 의미는 고출력 증폭기의 이득과 피드백 경로상의 이득을 모두 포함하는 것이다.

이후,

…………식 3)

식 2)의 값을 식 3)의 좌변에 대입하게 되면, 식 3)의 우변의 각 채널별 전력값의 계산이 가능하므로 C의 값을 구할 수 있게 된다.

위의 식 1), 식 2) 및 식 3)으로부터 각 상수값(K₁, K₂, C)를 구하여 식 4)와 같은 결과를 얻을 수 있다.

…………식 4)

즉, 실제 운용상황에서 식 4)의 우변은 식 1)의 우변과 동일한 값을 가져야 하므로, 식 4)의 우변의 상수 을 제외한 수신 전력(Power)가 변화하게 되면, 송신 전력(Power)이 변화한 결과이므로, 식 1)의 우변의 K₁을 제어함으로써 일정한 송신 전력을 유지할 수 있다.

만약, 최종 송신전력은 동일한 상태에서 특정 채널의 송신 전력을 변경하고자 하면, 변경하고자 하는 채널의 상수 A 또는 B를 변화시키면 된다. 변화시키기 이전에, 식 1)의 우변값을 저장해 두어 최종 송신 전력을 알 수 있게 한다음, 상수 A 또는 B를 변화시키고 그 변화에 따른 최종 송신 전력(Power)을 바로 잡기 위해 K₁의 값을 증가 또는 감소시켜, 식 1)의 우변값이 미리 저장해 둔 우변값과 동일하도록 만든다.

도 9는 본 발명에 따른 송신전력 제어방법의 구현과정을 나타낸 흐름도이다. 본 발명은 전력증폭기의 송신전력 제어방법에 관한 것이므로, 이하의 설명에서는 전력증폭기에서의 전치왜곡을 이용한 비선형 특성의 선형화 과정 등은 본 발명의 요지를 벗어날 것을 우려하여 생략하기로 한다.

입력되는 다 채널의 기저대역 데이터는 전치 왜곡기(201)와 시간 지연기(210)로 동시에 입력된다. 전치 왜곡기(201)로 입력된 데이터는 각 채널별로 만들어진 전치 왜곡 계수들을 사용하여 전치 왜곡이 이루어진다(S1).

전치 왜곡된 각 채널별 데이터는 변조 및 채널 합성기(202)에서 각 채널별로 크기 및 위상을 변조시키고, 각 채널 별로 중간 주파수를 달리하여 인접한 채널 대역으로 채널 합성이 이루어 진다(S2).

채널 합성이 이루어진 신호는 이득 조정이 이루어 진다. 이 이득 조정은 채널 분리 및 복조기(208)에서 고출력 증폭기(204)의 출력 레벨을 계산한다(S3).

제어부(211)에서는 채널분리 및 복조기(208)로부터 제공된 값과 미리 계산된 고정출력 레벨을 비교한 다음(S4), 변조 및 채널합성기(202)에서 각 채널의 이득값을 조정하게 된다(S5).

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명을 사용하게 됨으로써 각 채널별 및 전체 출력의 제어가 가능하다.

도 1은 종래 기술에 의한 다채널 전력증폭기의 구성을 개략적으로 나타낸 블럭도이다.

도 2는 도 1의 변조 및 채널합성기의 상세한 구성을 나타낸 예시도이다.

도 3은 도 2에 도시된 변조 및 채널합성기의 동작에 따른 파형 예시도이다.

도 4는 도 1의 채널분리 및 복조기의 상세한 구성을 나타낸 예시도이다.

도 5는 도 4에 도시된 채널분리 및 복조기의 동작에 따른 파형 예시도이다.

도 6은 본 발명에 따른 송신전력 제어방법을 구현하기 위한 다 채널 전력증폭기의 구성을 개략적으로 나타낸 블럭도이다.

도 7은 본 발명에 따른 제어방법을 구현하기 위한 변조 및 채널합성기의 구성을 나타낸 예시도이다.

도 8은 본 발명에 따른 제어방법을 구현하기 위한 채널분리 및 복조기의 구성을 나타낸 예시도이다.

도 9는 본 발명에 따른 송신전력 제어방법의 구현과정을 나타낸 흐름도이다.

Claims (2)

1. 기저대역 입력데이터를 채널별로 전치 왜곡시키는 전치왜곡기에서 출력되는 각 채널 별 데이터를 크기 및 위상을 변조시키고, 중간 주파수로 상향하여 합성하는 변조 및 채널합성기와; 주파수 상향 변환된 신호를 증폭하는 고출력 증폭기의 출력 신호로부터 추출된 신호에서 합성된 채널을 분리하고 복조하여 기저대역 신호로 변환하는 채널분리 및 복조기를 갖는 다 채널 송신을 위한 전력증폭기에서의 채널별 송신전력 제어방법에 있어서,

   상기 채널분리 및 복조기에서 각각의 I, Q 데이터의 전력(Power)을 추출하고 두 값을 더해 전체 전력을 산출한 다음, 실제 송신 전력과의 비교 결과에 따라 상기 변조 및 채널합성기를 통해 각 채널의 이득 값(Gain)을 조절함으로써 채널별 출력의 이득을 제어하는 것을 특징으로 하는 무선 통신 시스템용 전력증폭기의 채널별 송신전력 제어방법.
2. 채널별로 만들어진 전치왜곡계수를 사용하여 다 채널 기저대역 입력데이터를 전치 왜곡시키는 단계와;

   전치왜곡된 각 채널별 데이터를 각 채널 별로 크기 및 위상을 변조시키고, 채널별로 중간주파수를 달리하여 인접한 채널 대역으로 채널합성하는 단계와;

   주파수 상향 변환된 신호를 증폭하는 고출력 증폭기의 출력 신호의 출력레벨을 검출하는 단계와;

   미리 계산된 고정 출력레벨과 비교하는 단계와;

   전치왜곡 신호처리기를 통해 전치왜곡기로 전송하여 채널 합성된 신호의 이득을 조절하는 단계를 포함하는 무선 통신 시스템용 전력증폭기의 채널별 송신전력 제어방법.