KR20090077615A - 통신 시스템에서 신호 전력 증폭 장치 및 방법 - Google Patents

통신 시스템에서 신호 전력 증폭 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 통신 시스템에서 신호 전력 증폭하는 송신기에 관한 것이다. 상기 송신기는 싱글 톤 신호를 생성하는 싱글 톤 신호 생성기와, 기저대역 신호를 생성하는 기저대역 신호 생성기와, 상기 기저대역 신호를 사용하여 양의 바이어스 신호를 제 1 전력 증폭기로 스위칭하고, 상기 기저대역 신호를 사용하여 음의 바이어스 신호를 제 2 전력 증폭기로 스위칭하는 바이어스 변조기와, 상기 양의 바이어스 신호를 사용하여 상기 싱글 톤 신호를 전력 증폭하는 상기 제 1 전력 증폭기와, 상기 음의 바이어스 신호를 사용하여 상기 싱글 톤 신호를 전력 증폭하는 상기 제 2 전력 증폭기를 포함한다.
Figure P1020080003672
바이어스 전력 증폭기, 양의 바이어스 신호, 음의 바이어스 신호, 전력 증폭기

Description

통신 시스템에서 신호 전력 증폭 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR AMPLIFYING SIGNAL POWER IN A COMMUNICATION SYSTEM}
본 발명은 통신 시스템에 관한 것으로서 특히, 통신 시스템에서 신호 전력 증폭 장치 및 방법에 관한 것이다.
통신 시스템은 신호 송신 시 송신기 내부에 송신 신호를 증폭하여 송신하기 위한 전력 증폭기(power amplifier)를 구비하고 있으며, 상기 송신기는 송신 신호를 상기 전력 증폭기를 통해 전력 증폭하여 송신한다.
현재 통신 시스템은 점차 진화하고 있으며, 이와 같은 통신 시스템의 진화로 인해 상기 송신기는 점차 광대역 신호의 사용이 요구된다. 또한, 상기 통신 시스템은 신호 송신에 따른 송신 신호의 높은 피크 대 평균비(PAR: Peak to Average Ratio)를 요구한다. 그러므로 상기 송신기에 구비된 전력 증폭기는 더 높은 선형성과 더 높은 효율성이 요구된다.
상기 전력 증폭기에 사용되는 전력 증폭 방식으로 도허티(Doherty) 방식, 포락선 제거 및 복구(Envelope Elimination and Restoration, 이하 'EER'이라 칭하기로 한다) 방식, 델타 시그마 변조(Delta-Sigma Modulation, 이하 'DSM'이라 칭하기 로 한다) 방식, 비선형 컴포넌트 사용 선형 증폭(LInear amplification using Nonlinear Component, 이하 'LINC'라 칭하기로 한다) 방식이 있다.
상기 전력 증폭 방식들 중에서 도허티 방식과 EER 방식은 효율적 측면에서 우수하며, 상기 DSM 방식과 상기 LINC 방식은 선형성 측면에서 우수하다. 상기 전력 증폭 방식들 중에서 상기 EER 전력 증폭 방식은 I(동위상), Q(구적) 성분으로 표시되는 직각(IQ) 신호(상기 I 성분과 Q 성분이 90도의 위상차를 갖는 신호)를 사용하지 않고 극성(polar) 성분의 신호를 사용한다. 상기 EER 전력 증폭 방식은 포락선(envelope) 정보가 제거(envelope elimination)되어 일정한 포락선(constant envelope)을 갖는 신호의 위상(phase) 성분을 전력 증폭기의 입력으로 사용한다. 그리고 상기 EER 전력 증폭 방식은 상기 포락선의 복원(envelope restoration)을 위해 스위치 모드(switch mode) 또는 집중 전력 증폭기(saturation power amplifier)의 직류 바이어스(DC bias: Direct Current bias)를 변조한다. 다음으로 상기 EER 전력 증폭 방식을 하기의 도 1을 참조하여 설명하기로 한다.
도 1은 일반적인 통신 시스템에서 EER 전력 증폭 방식을 사용한 송신기의 구조를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 상기 송신기는 기저대역 신호 생성기(baseband signal generator)(111), 직각/극성 변환기(Rectangular to Polar Converter)(113), 바이어스 변조기(bias modulator)(115), 위상 변조기(phase modulator)(119), 전력 증폭기(power amplifier)(119)를 포함한다.
상기 기저대역 신호 생성기(111)는 음성(voice signal) 신호 또는 데이터를 사용하여 기저대역의 직각(IQ) 신호를 생성한다.
상기 직각/극성 변환기(113)는 상기 직각 신호를 진폭(amplitude) 성분과 위상(phase) 성분으로 구분되는 극성 신호로 변환한다.
상기 바이어스 변조기(115)는 전력 증폭기에 전원, 즉 전압 또는 전류를 공급하며, 상기 진폭 성분의 신호에 해당하는 전압 또는 전류 성분을 상기 전력 증폭기(119)에 공급한다.
상기 위상 변조기(117)는 상기 위상 성분의 신호를 원하는 주파수 대역의 무선(RF: Radio Frequency) 신호로 생성하기 위해 위상 변조를 한다.
상기 전력 증폭기(119)는 상기 위상 변조기(117)에서 위상 변조된 신호를 수신하여 송신 신호의 전력을 증폭하고, 상기 바이어스 변조기(115)에서 생성된 크기 성분에 의한 바이어스 전압의 변화로 크기 성분을 결합하여 원신호가 복원되도록 한다. 여기서 상기 전력 증폭기(119)의 입력은 일정한 포락선을 가지며, 스위치 모드 또는 집중 전력 증폭기를 사용하더라도 입력 신호에 대한 왜곡이 없으므로 상기 전력 증폭기(119)는 높은 효율 특성을 갖게 된다. 다음으로 하기의 도 2a 내지 도 2c를 참조하여 상기 EER 전력 증폭 방식을 사용한 송신기 내부의 신호를 설명하기로 한다.
도 2a 내지 도 2c는 일반적인 통신 시스템에서 EER 전력 증폭 방식을 사용한 송신기 내부의 신호를 도시한 그래프이다.
도 2a 내지 도 2c를 설명하기에 앞서, 본 발명에서 사용되는 기저대역 신호는 저주파수 대역의 정현파(sine wave)를 사용한다고 가정한다. 각 그래프에서 가 로축은 시간을 나타내고, 세로축은 신호의 크기를 나타낸다. 일예로, 도 2a를 참조하면, 진폭 '1'과 주기 '1'을 갖는 정현파 신호이다.
도 2a를 참조하면, 송신기 내부의 기저대역 신호 생성기의 출력 신호(a)와 상기 송신기 내부의 직각/극성 변환기에서 'a' 신호를 극성 변환한 진폭 성분에 해당하는 출력 신호(b)가 나타나있다.
상기 'a' 신호는 저주파 정현파 신호이고, 'b' 신호는 직각/극성 변환기에서 출력되는 신호의 진폭 신호로서 포락선 신호이다.
도 2b를 참조하면, 송신기 내부의 직각/극성 변환기에서 상기 'a' 신호를 극성 변환한 위상 성분에 해당하는 출력 신호(c)와 송신기 내부의 위상 변환기에서 상기 'c' 신호를 위상 변조한 신호(d)가 나타나있다. 상기 'c' 신호를 도시한 그래프의 세로축은 위상을 나타낸다. 상기 'd' 신호는 위상 신호가 저주파 정현파의 기저대역 신호에 비해 약 10배 빠른 주파수의 반송파 신호로 변조된 것이다.
도 2c를 참조하면, 송신기 내부의 전력 증폭기의 비정상적인 출력 신호(e)와 상기 전력 증폭기의 정상적인 출력 신호(f)가 도시되어 있다.
상기 'e' 신호는 대역 제한으로 인해 왜곡된 신호이고, 상기 'f' 신호는 전력 증폭기에서 정상적으로 출력되어야 하는 신호이다.
상기 EER 전력 증폭 방식을 사용한 송신기는 직각 신호를 극성 형태의 신호로 변환하여 사용하므로 진폭 성분과 위상 성분이 원 신호에 비하여 고주파수 성분을 많이 가지게 되므로 바이어스 변조기는 일예로, 기저대역 신호 대비 2배 내지 5배의 동작 대역폭을 가져야 하며, 상기 전력 증폭기는 일예로, 기저대역 신호 대비 5배 내지 20배의 동작 대역폭을 가져야 한다. 그러므로 상기 EER 전력 증폭 방식을 사용한 송신기는 상기 송신기 내부의 각 하드웨어 모듈의 동작 대역폭이 증가하게 된다는 문제점이 있었다.
또한, 상기 EER 전력 증폭 방식을 사용한 송신기는 상기한 동작 대역폭의 증가에 따라 디지털/아날로그 변환기(Digital to Analog Converter, 이하 'DAC'라 칭하기로 한다)의 구현에 발생하는 제약과 스위칭 소자의 스위칭 주파수 한계 및 손실 등에 따른 바이어스 변환기 구현에 발생하는 제약으로 인해 송신 신호 전력 증폭에 따른 비선형성이 증가되는 문제점이 있었다.
따라서 본 발명의 목적은 통신 시스템에서 신호 전력 증폭 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 통신 시스템에서 송신기 내부 하드웨어 모듈들의 동작 대역폭이 감소된 신호 전력 증폭 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 통신 시스템에서 비선형성이 증가되지 않는 신호 전력 증폭 장치 및 방법을 제공함에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 방법은 통신 시스템에서 제 1 전력 증폭기와 제 2 전력 증폭기를 포함하는 송신기의 신호 전력 증폭 방법에 있어서, 상기 송신기는 싱글 톤 신호와 기저대역 신호를 생성하는 과정과, 상기 기저대역 신호를 사용하여 양의 바이어스 신호를 상기 제 1 전력 증폭기로 스위칭하고, 상기 기저대역 신호를 사용하여 음의 바이어스 신호를 상기 제 2 전력 증폭기로 스위칭하는 과정과, 상기 제 1 전력 증폭기에서 상기 양의 바이어스 신호를 사용하여 상기 싱글 톤 신호를 전력 증폭하고, 상기 제 2 전력 증폭기에 상기 음의 바이어스 신호를 사용하여 상기 싱글 톤 신호를 전력 증폭하는 과정을 포함한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 장치는 통신 시스템에서 신호 전력 증폭 장치에 있어서, 싱글 톤 신호를 생성하는 싱글 톤 신호 생성기와, 기저대역 신호를 생성하는 기저대역 신호 생성기와, 상기 기저대역 신호를 사용하여 양의 바 이어스 신호를 제 1 전력 증폭기로 스위칭하고, 상기 기저대역 신호를 사용하여 음의 바이어스 신호를 제 2 전력 증폭기로 스위칭하는 바이어스 변조기와, 상기 양의 바이어스 신호를 사용하여 상기 싱글 톤 신호를 전력 증폭하는 상기 제 1 전력 증폭기와, 상기 음의 바이어스 신호를 사용하여 상기 싱글 톤 신호를 전력 증폭하는 상기 제 2 전력 증폭기를 포함한다.
본 발명은, 통신 시스템에서 송신기는 기저대역 신호를 사용한 양의 바이어스 신호와 음의 바이어스 신호가 각각 인가되는 전력 증폭기들을 구비한다. 또한, 상기 전력 증폭기들은 싱글 톤 신호가 입력된다. 본 발명은 기저대역 신호를 사용하여 바이어스 신호를 생성하므로 바이어스 변조기의 동작 대역폭이 증가하지 않고, 상기 전력 증폭기들도 싱글 톤 신호를 입력으로 하므로 동작 대역폭이 증가하지 않음으로 송신기 내부 하드웨어 모듈들의 동작 대역폭이 증가하지 않는다는 이점을 갖는다. 또한, 본 발명은 송신기에서 디지털 아날로그 변환기와 스위칭 소자가 포함된 바이어스 변환기의 구현 시 동작 대역폭이 증가하지 않음으로 인해 비선형성이 증가하지 않는다는 이점을 갖는다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기의 설명에서는 본 발명에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
본 발명은 통신 시스템에서 신호 전력 증폭 장치 및 방법을 제공한다. 특히, 본 발명은 통신 시스템에서 송신기 내부의 하드웨어 모듈들의 동작 대역폭이 감소하고, 비선형성이 감소된 신호 전력 증폭 장치 및 방법을 제공한다.
본 발명의 신호 전력 증폭 방법은 일반적인 통신 시스템의 송신기, 일예로 기지국(BS: Base Station) 또는 이동 단말기(MS: Mobile Station) 등에 적용할 수 있다.
다음으로 본 발명의 통신 시스템의 송신기의 구조를 하기의 도 3과 도 4를 참조하여 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 전력 증폭 방식을 사용한 송신기의 구조를 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 송신기는 기저대역 신호 생성기(baseband signal generator)(311), 싱글 톤 생성기(single tone generator)(313), 디지털/아날로그 변환기(digital to analog converter)(315), 바이어스 변조기(bias modulator)(317), 캐리어 변조기(carrier modulator)(327), 전력 증폭부(power amplifier)(329)를 포함한다.
상기 기저대역 신호 생성기(311)는 90도의 위상차를 갖는 I (동위상) 성분과 Q (구적) 성분을 포함하는 기저대역 신호를 생성한다. 상기 기저대역 신호 생성기(311)에서 생성된 기저대역 신호는 디지털 신호이다.
상기 싱글 톤 생성기(313)는 캐리어 변조를 위한 싱글 톤 신호, 일예로, 고정된 진폭을 갖는 일정한 신호(constant signal) 또는 중간 주파수 신호(IF signal: Intermediate Frequency signal)를 생성한다. 여기서 상기 싱글 톤 생성기(313)가 생성하는 중간 주파수 신호는 일예로, 중간 주파수의 정현파 신호(일예로, 사인파(sine wave))가 될 수 있다. 상기 싱글 톤 생성기(313)에 의해 생성된 싱글 톤 신호는 디지털 신호이다.
상기 디지털/아날로그 변환기(315)는 상기 기저대역 신호 생성기에 의해 생성된 기저대역 신호와 상기 싱글 톤 생성기(313)에 의해 생성된 싱글 톤 신호를 각각 아날로그 신호로 변환한다.
상기 캐리어 변조기(327)는 상기 아날로그 신호로 변환된 싱글 톤 신호를 고주파수의 캐리어 신호로 변조한다. 일예로, 상기 캐리어 변조기(327)는 상기 싱글 톤 신호가 중간 주파수의 정현파 신호인 경우 고주파수의 정현파 신호로 변조한다. 이하 상기 캐리어 변조기(327)에 의해 고주파수 신호로 변조된 싱글 톤 신호를 "캐리어 변조신호"라 칭하기로 한다.
상기 바이어스 변조기(317)는 상기 아날로그 신호로 변환된 기저대역 신호의 크기에 대응하여 상기 전력 증폭부(329)로 바이어스 전원을 공급한다. 상기 바이어스 전원은 상기 전력 증폭부(329)의 동작을 위한 전압과 전류를 통칭한다. 상기 바 이어스 변조기(317)에서 공급된 전압 및 전류를 통해 상기 전력 증폭부(329)에서 신호 복원을 위한 변조가 가능하다.
상기 디지털/아날로그 변환기(315)로부터 상기 바이어스 변조기(317)에게 제공되는 상기 기저대역 신호는 양의 전압(positive voltage) 성분과 음의 전압(negative voltage) 성분을 모두 가진다. 따라서 상기 바이어스 변조기(317)에서는 상기 기저대역 신호의 양의 전압(positive voltage) 성분을 스윙 (swing)하는 동작과, 상기 기저대역 신호의 음의 전압(negative voltage) 성분을 스윙 (swing)하는 동작이 요구된다. 그리고 상기 동작에 의해 상기 바이어스 변조기(317)는 양의 바이어스 신호와 음의 바이어스 신호를 생성하고, 상기 양의 바이어스 신호와 상기 음의 바이어스 신호를 상기 전력 증폭부(329)의 바이어스 전원으로 제공한다.
상기 바이어스 변조기(317)는 펄스 폭 변조 신호 생성기(pulse width modulation signal generator)(319), 하이 사이드 스위치(high side switch)(321), 로우 사이드 스위치(low side switch)(323), 저역 통과 필터(LPF: low pass filter)(325)를 포함한다.
상기 펄스 폭 변조 신호 생성기(319)는 상기 아날로그 변환된 기저대역 신호를 사용하여 펄스 폭 변조 신호를 생성한다. 상기 펄스 폭 변조 신호 생성기(319)에서 생성된 펄스 폭 변조 신호는 각각 상기 하이 사이드 스위치(321)와 상기 로우 사이드 스위치(323) 제어하기 위한 신호이다.
상기 하이 사이드 스위치(321) 과 로우 사이드 스위치(323) 의 동작은 다음과 같다.
상기 펄스 폭 변조 신호 생성기(319)에서 생성된 펄스 폭 변조 신호의 크기는 양의 전압(positive voltage)과 음의 전압(negative voltage) 값으로 출력된다. 상기 펄스 폭 변조 신호 생성기(319)에서 양의 전압 신호가 출력 될 때는 하이 사이드 스위치(321)가 동작하여 스위치에 인가된 양의 바이어스 신호를 출력하게 되고 상기 펄스 폭 변조 신호 생성기(319)에서 음의 전압 신호가 출력 될 때에는 로우 사이드 스위치(323)가 동작하여 스위치에 인가된 음의 바이어스 신호를 출력하게 되어 상기 기저 대역 신호의 양의 전압 성분과 음의 전압 성분을 모두 출력하게 된다.
상기 저역 통과 필터(325)는 상기 하이 사이드 스위치(321)와 상기 로우 사이드 스위치(323)에서 출력되는 신호를 저역 통과 필터링에 의해 음의 바이어스 전원과 양의 바이어스 전원을 출력한다. 상기 저역 통과 필터(325)에 의해 출력되는 상기 음의 바이어스 전원과 상기 양의 바이어스 전원은 원래 신호의 복원에 대응한다. 상기 저역 통과 필터는 일예로, 인덕터(inductor)와 커패시터(capacitor)로 구성될 수 있다. 상기 저역 통과 필터는 일예로, 인덕터(inductor)와 커패시터(capacitor)로 구성될 수 있다.
상기 전력 증폭부(329)는 상기 캐리어 변조 신호를 상기 양의 바이어스 신호와 음의 바이어스 신호를 사용하여 전력 증폭하여 출력한다.
상기 전력 증폭부(329)는 전치 구동 증폭기(pre-drive amplifier)(331), 구동 증폭기(drive amplifier)(333), 제 1 주 증폭기(main amplifier)(335), 제 2 주 증폭기(337)를 포함한다. 여기서, 상기 제 1 주 증폭기(335)와 상기 제 2 주 증폭 기(337)는 상기 전력 증폭부(329) 내에서 실제 전력 증폭을 수행하는 전력 증폭 소자로서 일반적으로 전력 증폭기라 칭한다. 하지만, 이하에서는 설명의 편의를 위하여 하기에서는 제 1 주 증폭기(335)와 제 2 주 증폭기(337)라 칭하기로 한다.
상기 전치 구동 증폭기(331)는 상기 캐리어 변조기(327)로부터 제공되는 캐리어 변조신호를 1차 전력 증폭하여 일정 크기로 증폭된 캐리어 변조신호를 출력한다.
상기 구동 증폭기(333)는 상기 전치 구동 증폭기(331)에 의해 1차 전력 증폭이 이루어진 캐리어 변조신호를 2차 전력 증폭하여 일정 크기로 증폭된 캐리어 변조신호를 출력한다.
상기 전치 구동 증폭기(331)와 상기 구동 증폭기(333)는 상기 제 1 주 증폭기(335)와 제 2 주 증폭기(337)가 구조상 충분한 전력 이득을 갖지 못하는 경우가 많고, 전력 증폭기가 충분한 전력으로 증폭하기 위해서 일정 크기로 전력 증폭된 신호를 출력한다. 상기 전치 구동 증폭기(331)와 상기 구동 증폭기(333) 모두 사용되거나 상기 전치 구동 증폭기(331)와 상기 구동 증폭기(333) 중 하나만이 사용될 수도 있다. 상기 전치 구동 증폭기(331)와 상기 구동 증폭기(333)는 상기 제 1 주 증폭기(335)와 상기 제 2 주 증폭기(337)의 전력 이득을 보정한다.
본 발명에서 상기 전력 증폭부(329)는 두 개의 주 증폭기를 사용한다. 즉 본 발명에서 제안하는 상기 전력 증폭부(329)는 양의 바이어스 신호가 인가되는 적어도 하나의 주 증폭기와 음의 바이어스 신호가 인가되는 적어도 하나의 주 증폭기를 포함한다.
상기 제 1 주 증폭기(335)의 입력 단자로는 상기 구동 증폭기(333)에서 전력 증폭된 캐리어 변조신호가 입력되며, 바이어스 단자로는 상기 바이어스 변조기(317)로부터의 양의 바이어스 신호가 입력된다.
상기 제 1 주 증폭기(335)는 상기 구동 증폭기(333)에서 전력 증폭된 캐리어 변조 신호를 상기 바이어스 변조기(317)로부터 제공되는 양의 바이어스 신호를 사용하여 증폭 및 변조한다. 상기 제1주 증폭기(335)에 의한 변조는 양의 바이어스 구간에서의 주파수 변조에 해당한다. 즉 상기 제1주 증폭기(335)는 상기 구동 증폭기(333)에서 전력 증폭된 캐리어 변조신호의 주파수를 상기 바이어스 변조기(317)로부터 제공되는 양의 바이어스 신호의 진폭에 따라 변화시킨 변조신호 (이하 "양의 구간 변조신호"라 칭함)를 출력한다.
상기 제 2 주 증폭기(337)의 입력 단자로는 상기 구동 증폭기(333)에서 전력 증폭된 캐리어 변조신호가 입력되며, 바이어스 단자로는 상기 바이어스 변조기(317)로부터의 음의 바이어스 신호가 입력된다.
상기 제 2 주 증폭기(337)는 상기 구동 증폭기(333)에서 전력 증폭된 캐리어 변조 신호를 상기 바이어스 변조기(317)로부터 제공되는 음의 바이어스 신호를 사용하여 증폭 및 변조한다. 상기 제2주 증폭기(337)에 의한 변조는 음의 바이어스 구간에서의 주파수 변조에 해당한다. 즉 상기 제2주 증폭기(337)는 상기 구동 증폭기(333)에서 전력 증폭된 캐리어 변조신호의 주파수를 상기 바이어스 변조기(317)로부터 제공되는 음의 바이어스 신호의 진폭에 따라 변화시킨 변조신호(이하 "음의 구간 변조신호"라 칭함)를 출력한다.
전술한 바와 같이 상기 제 1 주 증폭기(335)와 상기 제 2 주 증폭기(337)는 각각 양의 바이어스 영역, 음의 바이어스 영역에서 캐리어 변조 신호의 증폭 또는 변조를 수행한다.　 한편 상기 제1주 증폭기(335)로부터 출력되는 양의 구간 변조신호와 상기 제2주 증폭기(337)로부터 출력되는 음의 구간 변조신호가 결합된 변조신호가 상기 전력 증폭부(329)의 최종 신호로써 출력된다.
본 발명에서의 상기 전력 증폭부(329)는 일반적인 EER 전력 증폭 방식과 유사하게 일정한 포락선 신호를 입력받는다. 하지만 본 발명에서의 상기 전력 증폭부(329)는 스위치 모드로 동작하는 바이어스 입력을 통해 높은 효율 특성을 갖는 것이 가능하다.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 전력 증폭 방식을 사용한 송신기의 구조를 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 송신기는 기저대역 신호 생성기(411), 싱글 톤 생성기(413), 디지털/아날로그 변환기(415), 바이어스 변조기(417), 캐리어 변조기(429), 전력 증폭부(431)를 포함한다.
상기 바이어스 변조기(417)는 펄스 폭 변조 신호 생성기(419), 직/병렬 변환기(serial to parallel converter)(421), 적어도 두 개의 하이 사이드 스위치들(423), 적어도 두 개의 로우 사이드 스위치들(425), 저역 통과 필터(427)를 포함한다.
상기 전력 증폭부(431)는 전치 구동 증폭기(433), 구동 증폭기(435), 제 1 주 증폭기(437), 제 2 주 증폭기(439)를 포함한다.
상기 송신기는 도 3에서 도시한 송신기와 상기 바이어스 변조기(417)의 구성상의 차이점을 갖는다.
도 4의 기저대역 신호 생성기(411), 싱글 톤 생성기(413), 디지털/아날로그 변환기(415), 캐리어 변조기(429), 전력 증폭부(431)와 같은 동일한 장치의 동작은 도 3의 송신기 구조의 설명을 참조하기로 하며, 하기에서는 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 바이어스 변조기(417)는 상기 아날로그 신호로 변환된 기저대역 신호의 크기에 대응하여 상기 전력 증폭부(431)로 바이어스 전원을 공급한다. 상기 바이어스 전원은 상기 전력 증폭부(431)의 동작을 위한 전압과 전류를 통칭한다. 상기 바이어스 변조기(417)에서 공급된 전압 및 전류를 통해 상기 전력 증폭부(431)에서 신호 복원을 위한 변조가 가능하다.
상기 디지털/아날로그 변환기(415)로부터 상기 바이어스 변조기(417)에게 제공되는 상기 기저대역 신호는 양의 전압(positive voltage) 성분과 음의 전압(negative voltage) 성분을 모두 가진다. 따라서 상기 바이어스 변조기(417)에서는 상기 기저대역 신호의 양의 전압(positive voltage) 성분을 스윙 (swing)하는 동작과, 상기 기저대역 신호의 음의 전압(negative voltage) 성분을 스윙 (swing)하는 동작이 요구된다. 그리고 상기 동작에 의해 상기 바이어스 변조기(417)는 양의 바이어스 신호와 음의 바이어스 신호를 생성하고, 상기 양의 바이어스 신호와 상기 음의 바이어스 신호를 상기 전력 증폭부(431)의 바이어스 전원으로 제공한다.
상기 바이어스 변조기(417)는 펄스 폭 변조 신호 생성기(419), 직/병렬 변환 기(serial to parallel converter)(421), 하이 사이드 스위치들(423), 로우 사이드 스위치들(425) 상기 저역 통과 필터(427)를 포함한다.
상기 펄스 폭 변조 신호 생성기(419)는 상기 아날로그 변환된 기저대역 신호를 사용하여 펄스 폭 변조 신호를 생성한다. 상기 펄스 폭 변조 신호 생성기(419)에서 생성된 펄스 폭 변조 신호는 각각 상기 하이 사이드 스위치(423)들과 상기 로우 사이드 스위치(425)들을 제어하기 위한 신호이다.
상기 직/병렬 변환기(421)는 상기 펄스 폭 변조 신호 생성기(419)에서 생성된 펄스 폭 변조 신호를 병렬 신호로 변환한다. 상기 직/병렬 변환기(421)의 동작은 다음과 같다. 상기 펄스 폭 변조 신호 생성기(419)에 의해 생성된 펄스 폭 변조 신호를 일정한 시간 간격으로 나누어 각 하이 사이드 스위치들(423) 과 로우 사이드 스위치들(425) 에 순차적으로 보내 준다. 이는 하나의 스위치에 원 펄스 폭 변조 신호보다 작은 시간 동안 스위치를 동작시킴으로써 저용량의 빠른 속도의 스위칭 특성을 갖는 스위치를 사용할 수 있게 한다.
상기 하이 사이드 스위치들(423)과 로우 사이드 스위치들(425)의 동작은 다음과 같다. 상기 펄스 폭 변조 신호 생성기(419)에서 생성된 펄스 폭 변조 신호의 크기는 양의 전압(positive voltage)과 음의 전압(negative voltage) 값으로 출력된다. 상기 펄스 폭 변조 신호 생성기(419)에서 양의 전압 신호가 출력될 때는 하이 사이드 스위치들(423)이 동작하여 스위치에 인가된 양의 바이어스 신호를 출력하게 되고 상기 펄스 폭 변조 신호 생성기(419)에서 음의 전압 신호가 출력될 때에는 로우 사이드 스위치들(425)이 동작하여 스위치에 인가된 음의 바이어스 신호를 출력하게 되어 상기 기저 대역 신호의 양의 전압 성분과 음의 전압 성분을 모두 출력하게 된다.
상기 저역 통과 필터(427)는 상기 하이 사이드 스위치들(423)로부터 출력되는 양의 펄스 폭 변조신호와 상기 로우 사이드 스위치들(425)로부터 출력되는 음의 펄스 폭 변조신호에 대한 저역 통과 필터링에 의해 음의 바이어스 전원과 양의 바이어스 전원을 출력한다. 상기 저역 통과 필터(325)에 의해 출력되는 상기 음의 바이어스 전원과 상기 양의 바이어스 전원은 원래 신호의 복원에 대응한다. 상기 저역 통과 필터는 일예로, 인덕터(inductor)와 커패시터(capacitor)로 구성될 수 있다.
상기 복수개의 하이 사이드 스위치들(423)의 출력 신호들은 결합되어 상기 저역 통과 필터(427)에 입력되고, 상기 복수개의 로우 사이드 스위치들(425)의 출력 신호들은 결합되어 상기 저역 통과 필터에 각각 입력된다.
상기 전력 증폭부(431)는 상기 캐리어 변조 신호를 상기 양의 바이어스 신호와 음의 바이어스 신호를 사용하여 전력 증폭하여 출력한다.
상기 바이어스 변조기(417)는 상기 하이 사이드 스위치와 로우 사이드 스위치가 충분한 스위칭 속도(switching speed)를 갖지 못하는 경우 직/병렬 변환기(421)를 사용하고, 상기 하이 사이드 스위치와 로우 사이드 스위치 각각을 상기 직/병렬 변환기의 출력에 따라 병렬로 구성하여 충분한 스위칭 속도를 갖도록 한다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 실시예에 따른 통신 시스템의 전력 증폭 방식 을 사용한 송신기 내부의 신호를 도시한 그래프이다.
각 그래프에서 가로축은 시간을 나타내고, 세로축은 신호의 크기를 나타낸다.
도 5a 내지 도 5c를 설명하기에 앞서, 본 발명에서 사용되는 기저대역 신호는 저주파수 대역의 정현파를 사용한다고 가정한다.
도 5a를 참조하면, 송신기 내부의 기저대역 신호 생성기의 출력 신호(a)와 상기 송신기 내부의 캐리어 변조기에서 아날로그 신호로 변환된 싱글 톤 신호를 고주파수 신호로 변조한 출력 신호(b)가 나타나있다.
상기 'a' 신호가 정현파 신호인 경우이므로, 고주파수의 정현파 신호로 변조되었다.
도 5b를 참조하면, 송신기 내부의 전력 증폭기에서 전력 증폭을 통해 출력한 출력 신호(c)와 송신기 내부의 제 1 주 증폭기에서 전력 증폭을 통해 출력한 출력 신호(d)가 나타나있다.
도 5c를 참조하면, 송신기 내부의 제 2 주 증폭기에서 전력 증폭을 통해 출력한 신호 (e)가 나타나있다.
결국, 본 발명에 따른 송신기의 구조를 사용하면, 도 2의 전력 증폭을 통해 획득하기를 희망하는 'f' 신호와 같은 도 5b의 'c' 신호를 생성하는 것이 가능하다.
본 발명에서는 기저대역 신호를 바이어스 변조기의 입력 신호로 사용함에 따라 양의 전압뿐만 아니라 음의 전압 성분을 포함하므로, 전력 증폭기에 양의 바이 어스 신호와 음의 바이어스 신호가 모두 인가된다. 또한, 본 발명의 전력 증폭기는 싱글 톤 신호만을 수신하고, 상기 양의 바이어스 신호가 인가되는 제 1 전력 증폭기와 상기 음의 바이어스 신호가 인가되는 제 2 전력 증폭기를 각각 구비하여 송신 신호를 전력 증폭한다.
본 발명의 바이어스 변조기는 기저대역 신호를 사용함에 따라 포락선 신호 처리를 위한 2배 내지 5배의 동작 대역폭이 필요하지 않다. 그러므로 상기 바이어스 변조기의 구현 시 동작 대역폭이 증가하지 않는다. 또한, 본 발명의 전력 증폭기는 위상 성분이 포함되어 있지 않은 싱글 톤 신호를 수신하므로 기저대역 신호 대비 5배 내지 20배의 동작 대역폭이 필요하지 않다. 그러므로 상기 전력 증폭기의 구현 시 동작 대역폭이 증가하지 않는다. 그러므로 본 발명의 송신기에서 바이어스 변조기와 전력 증폭기는 더 높은 효율을 갖도록 제작하는 것이 가능하다. 또한, 본 발명은 상기한 동작 대역폭이 증가하지 않으므로 인해 디지털/아날로그 변환기의 구현에 발생하는 제약이 발생하지 않고, 스위칭 소자의 스위칭 주파수 한계 및 손실 등에 따른 제약으로 인한 바이어스 변조기의 구현에 발생하는 제약이 발생하지 않으므로 비선형성이 증가하지 않는다. 또한, 본 발명의 전력 증폭기에 입력되는 신호와 전력 증폭기에 인가되는 바이어스 신호들 간에 신호 위치를 정확하게 일치할 필요가 없다. 따라서 본 발명의 송신기는 시간 정렬을 위한 별도의 동작을 필요로 하지 않는다.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이 다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
도 1은 일반적인 통신 시스템에서 EER 전력 증폭 방식을 사용한 송신기의 구조를 도시한 도면,
도 2a 내지 도 2c는 일반적인 통신 시스템에서 EER 전력 증폭 방식을 사용한 송신기 내부의 신호를 도시한 그래프,
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 전력 증폭 방식을 사용한 송신기의 구조를 도시한 도면,
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 전력 증폭 방식을 사용한 송신기의 구조를 도시한 도면,
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 실시예에 따른 통신 시스템의 전력 증폭 방식을 사용한 송신기 내부의 신호를 도시한 그래프.

Claims (15)

  1. 통신 시스템에서 제 1 전력 증폭기와 제 2 전력 증폭기를 포함하는 송신기의 신호 전력 증폭 방법에 있어서,
    싱글 톤 신호와 기저대역 신호를 생성하는 과정과,
    상기 기저대역 신호를 사용하여 양의 바이어스 신호를 상기 제 1 전력 증폭기로 스위칭하고, 상기 기저대역 신호를 사용하여 음의 바이어스 신호를 상기 제 2 전력 증폭기로 스위칭하는 과정과,
    상기 제 1 전력 증폭기에서 상기 양의 바이어스 신호를 사용하여 상기 싱글 톤 신호를 전력 증폭하고, 상기 제 2 전력 증폭기에 상기 음의 바이어스 신호를 사용하여 상기 싱글 톤 신호를 전력 증폭하는 과정을 포함하는 신호 전력 증폭 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 생성된 싱글 톤 신호를 아날로그 신호로 변환하는 과정과,
    상기 아날로그 신호로 변환된 싱글 톤 신호를 고주파수 신호를 변조하여 상기 제 1 전력 증폭기와 상기 제 2 전력 증폭기 각각에서 전력 증폭하는 과정을 더 포함하는 신호 전력 증폭 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 생성된 기저대역 신호를 아날로그 신호로 변환하는 과정과,
    상기 아날로그 신호로 변환된 기저대역 신호를 펄스 폭 변조하여 펄스 폭 변조 신호를 생성하는 과정과,
    상기 펄스 폭 변조 신호를 사용하여 양의 바이어스 전압에서 음의 바이어스 전압까지 스윙하는 양의 바이어스 신호와 음의 바이어스 신호를 생성하는 과정과,
    상기 생성된 양의 바이어스 신호를 상기 제 1 저력 증폭기의 양의 바이어스 단자와, 상기 생성된 음의 바이어스 신호를 상기 제 2 전력 증폭기의 음의 바이어스 단자로 스위칭하는 과정을 더 포함하는 신호 전력 증폭 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 스위칭되는 양의 펄스 폭 변조 신호를 저역 통과 필터링을 통해 양의 바이어스 전원을 상기 제 1 전력 증폭기로 출력하고, 상기 스위칭되는 음의 펄스 폭 변조 신호를 저역 통과 필터링을 통해 음의 바이어스 전원을 상기 제 2 전력 증폭기로 출력하는 과정을 더 포함하는 신호 전력 증폭 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 생성된 기저대역 신호를 아날로그 신호로 변환하는 과정과,
    상기 아날로그 신호로 변환된 기저대역 신호를 펄스 폭 변조하여 펄스 폭 변조 신호를 생성하는 과정과,
    상기 펄스 폭 변조 신호를 직/병렬 변환하는 과정과,
    상기 병렬로 변환된 펄스 폭 변조 신호들 각각을 양의 바이어스 전압에서 음 의 바이어스 전압까지 스윙하는 양의 바이어스 신호와 음의 바이어스 신호를 생성하는 과정과,
    상기 생성된 양의 바이어스 신호를 상기 제 1 저력 증폭기의 양의 바이어스 단자와, 상기 생성된 음의 바이어스 신호를 상기 제 2 전력 증폭기의 음의 바이어스 단자로 스위칭하는 과정을 더 포함하는 신호 전력 증폭 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 스위칭되는 양의 펄스 폭 변조 신호를 저역 통과 필터링을 통해 양의 바이어스 전원을 상기 제 1 전력 증폭기로 출력하고, 상기 스위칭되는 음의 펄스 폭 변조 신호를 저역 통과 필터링을 통해 음의 바이어스 전원을 상기 제 2 전력 증폭기로 출력하는 과정을 더 포함하는 신호 전력 증폭 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 싱글 톤 신호는 고정된 진폭을 갖는 일정한 신호와 중간 주파수 신호 중 적어도 하나임을 특징으로 하는 신호 전력 증폭 방법.
  8. 통신 시스템에서 신호 전력 증폭 장치에 있어서,
    싱글 톤 신호를 생성하는 싱글 톤 신호 생성기와,
    기저대역 신호를 생성하는 기저대역 신호 생성기와,
    상기 기저대역 신호를 사용하여 양의 바이어스 신호를 제 1 전력 증폭기로 스위칭하고, 상기 기저대역 신호를 사용하여 음의 바이어스 신호를 제 2 전력 증폭기로 스위칭하는 바이어스 변조기와,
    상기 양의 바이어스 신호를 사용하여 상기 싱글 톤 신호를 전력 증폭하는 상기 제 1 전력 증폭기와,
    상기 음의 바이어스 신호를 사용하여 상기 싱글 톤 신호를 전력 증폭하는 상기 제 2 전력 증폭기를 포함하는 신호 전력 증폭 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 생성된 싱글 톤 신호와 상기 생성된 기저대역 신호 각각을 아날로그 신호로 변환하는 디지털/아날로그 변환기를 더 포함하는 신호 전력 증폭 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 아날로그 신호로 변환된 싱글 톤 신호를 고주파수 신호를 변조하여 상기 제 1 전력 증폭기와 상기 제 2 전력 증폭기로 출력하는 캐리어 변조기를 더 포함하는 신호 전력 증폭 장치.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 바이어스 변조기는 상기 아날로그 신호로 변환된 기저대역 신호를 펄스 폭 변조하여 펄스 폭 변조 신호를 생성하는 펄스 폭 변조 신호 생성기와,
    상기 펄스 폭 변조 신호를 사용하여 양의 바이어스 신호를 상기 제 1 전력 증폭기의 양의 바이어스 단자로 스위칭하는 하이 사이드 스위치와,
    상기 펄스 폭 변조 신호를 사용하여 음의 바이어스 신호를 상기 제 2 전력 증폭기의 음의 바이어스 단자로 스위칭하는 로우 사이드 스위치를 더 포함하는 신호 전력 증폭 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 바이어스 변조기는 상기 스위칭되는 양의 펄스 폭 변조 신호를 저역 통과 필터링을 통해 양의 바이어스 전원을 상기 제 1 전력 증폭기로 출력하고, 상기 스위칭되는 음의 펄스 폭 변조 신호를 저역 통과 필터링을 통해 음의 바이어스 전원을 상기 제 2 전력 증폭기로 출력하는 저역 통과 필터를 더 포함하는 신호 전력 증폭 장치.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 바이어스 변조기는 상기 아날로그 신호로 변환된 기저대역 신호를 펄스 폭 변조하여 펄스 폭 변조 신호를 생성하는 펄스 폭 변조 신호 생성기와,
    상기 펄스 폭 변조 신호를 직/병렬 변환하는 직/병렬 변환기와,
    상기 펄스 폭 변조 신호를 사용하여 양의 바이어스 신호를 상기 제 1 전력 증폭기의 양의 바이어스 단자로 스위칭하는 하이 사이드 스위치와,
    상기 펄스 폭 변조 신호를 사용하여 음의 바이어스 신호를 상기 제 2 전력 증폭기의 음의 바이어스 단자로 스위칭하는 로우 사이드 스위치를 더 포함하는 신 호 전력 증폭 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 바이어스 변조기는 상기 스위칭되는 양의 펄스 폭 변조 신호를 저역 통과 필터링을 통해 양의 바이어스 전원을 상기 제 1 전력 증폭기로 출력하고, 상기 스위칭되는 음의 펄스 폭 변조 신호를 저역 통과 필터링을 통해 음의 바이어스 전원을 상기 제 2 전력 증폭기로 출력하는 저역 통과 필터를 더 포함하는 신호 전력 증폭 장치.
  15. 제 8 항에 있어서,
    상기 싱글 톤 신호는 고정된 진폭을 갖는 일정한 신호와 중간 주파수 신호 중 적어도 하나임을 특징으로 하는 신호 전력 증폭 장치.
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