KR20100069126A - 신호를 증폭하는 장치 및 방법, 이를 이용한 무선 송신 장치 - Google Patents

신호를 증폭하는 장치 및 방법, 이를 이용한 무선 송신 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 신호를 증폭하는 장치 및 방법과 이를 이용한 무선 송신 장치에 관한 것으로서, 넓은 주파수 대역에서도 고효율로 신호를 증폭하고자 한다. 이를 위하여 본 발명에 따른 신호 증폭 장치는 신호를 극좌표로 변환하여 포락선 신호 및 위상 신호를 출력하는 극좌표 변환부, 포락선 신호를 다중 레벨로 양자화하여 다중 레벨 양자화 신호를 출력하는 다중 레벨 양자화부, 다중 레벨 양자화 신호를 이용하여 증폭 스테이트를 제어하는 증폭 스테이트 제어부, 및 제어된 증폭 스테이트에 따라 위상 신호를 증폭하는 전력 증폭부를 포함한다.
광대역 증폭, 극좌표(Polar), 델타-시그마(delta-sigma) 변환, 스위칭 전력증폭기

Description

신호를 증폭하는 장치 및 방법, 이를 이용한 무선 송신 장치{APPARATUS AND METHOD FOR AMPLIFYING SIGNAL, AND WIRELESS TRANSMITTER THEREWITH}
본 발명은 신호를 증폭하는 장치 및 방법과 이를 이용한 무선 송신 장치에 관한 것이다.
최근 이동통신 시스템은 높은 데이터 전송 속도를 갖는 방향으로 발전하고 있다. 이에 따라, 기존 CDMA(Code Division Multiple Access) 계열의 시스템으로부터 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 등 복수의 부반송파 변조 방식을 사용하는 시스템으로 기술이 이동하고 있다. 예를 들어, WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access), WiBro(Wireless Broadband), 3G LTE(3rd Generation Long Term Evolution) 등의 시스템은 OFDM 변조 방식을 사용한다.
이러한 OFDM 시스템에서는 부반송파의 합(summation)에 의해 송신 신호의 PAPR(Peak to Average Power Ratio)이 높아지는 단점이 있다. 이에 따라, 단말기의 송신 장치에서 효율을 증가시키고자 하는 다양한 방법이 논의되고 있다. 이러한 방 법 중 하나로서, 극좌표 변환을 이용하여 위상 신호를 스위칭 전력 증폭부에 입력하고, 포락선 정보를 스위칭 전력 증폭부의 바이어스부에 인가하는 방법이 알려져 있다. 이때, 바이어스부에 포락선 정보를 변환 없이 아날로그로 인가하는 방법과 디지털 변환하여 인가하는 방법이 알려져 있다.
도 1a 및 도 1b는 종래기술에 의한 송신기를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1a에 도시된 송신기는 바이어스부에 포락선 정보를 변환 없이 아날로그로인가하는 방법을 사용한다. 도 1a를 참조하면, 모뎀(101)은 기저대역 신호 I(t), Q(t)를 출력한다. 극좌표 변환부(102)는 기저대역 신호 I(t), Q(t)를 입력 받아 극좌표로 변환하여 위상 정보 및 포락선 정보를 출력한다. 위상 정보는 위상 변조기(104)에서 RF(Radio Frequency) 주파수로 상향 변환된 후, 일정한 크기의 포락선을 갖는 형태로 스위칭 전력 증폭기(105)에 입력된다. 한편, 극좌표 변환부(102)로부터 출력된 포락선 정보는 아날로그 변환기(103)를 통과하여 스위칭 전력 증폭기(105)의 바이어스부에 인가된다. 스위칭 전력 증폭기(105)는 입력된 위상 정보 및 바이어스부에 인가된 포락선 정보를 결합하여 최종 출력한다. 전원(106)은 스위칭 전력 증폭기(105)에 전력을 공급한다.
아날로그 변환기(103)에는 일반적으로 Class-S급 증폭기를 사용하거나 Class-AB급 증폭기를 사용한다. 그러나, 이러한 구조는 포락선 정보가 전력 증폭기(105)의 바이어스로서 인가되기 때문에 급격히 변화하는 포락선 특성을 갖는 시스템에 부적합하다. 예를 들어, OFDM(Orthgonal Frequency Division Multiplexing) 등의 시스템에서는 스위칭 전력 증폭기(105)가 항상 “활성화”되기 위한 조건으로 서, VDD/VCC 전압이 무릎전압보다 큰 조건(VDD/VCC > VKnee)을 만족해야 하므로 무릎전압보다 작은 포락선 크기를 표현할 수 없는 단점이 있다.
한편, 도 1b에 도시된 송신기는 바이어스부에 포락선 정보를 디지털 변환하여 인가하는 방법을 사용한다. 도 1b를 참조하면, 극좌표 변환부(112)는 모뎀(111)으로부터 출력된 기저대역 신호를 입력받아 극좌표로 변환하여 위상 정보 및 포락선 정보를 출력한다. 위상 정보는 위상 변조기(114)를 거쳐 스위칭 전력 증폭기(115)로 입력된다. 여기까지의 과정은 전술한 도 1a의 송신기와 유사하다. 극좌표 변환부(112)에서 출력된 포락선 정보는 디지털 변환기(113)에서 디지털 변환되어 일정한 비트 시퀀스를 갖는 펄스 형태로 출력된다. 이때 디지털 변환기(113)는 널리 알려진 바와 같이 델타-시그마(delta-sigma) 변환기 형태로 구현될 수 있다. 스위칭 전력 증폭기(115)는 디지털 변환기(113)에서 출력된 펄스 형태의 포락선 정보를 바이어스로 입력받고, 이를 위상 정보와 결합하여 출력한다. 전원(116)과 전력 제어부(117)는 각각 스위칭 전력 증폭기(115)에 전력을 공급하거나 제어한다.
이와 같이 디지털 변환기를 이용하는 구조는 포락선 정보의 비트 시퀀스 변환으로 인한 양자화 잡음이 필수적으로 발생한다. 양자화 잡음을 제거하기 위해서 스위칭 전력 증폭기(115)의 출력에 대역 통과 필터 등을 내장할 필요가 있다. 델타-시그마 변환기를 이용한 기술은 포락선 정보의 오버 샘플링 레이트(over sampling rate)와 델타-시그마 변환기의 차수에 따라 양자화 잡음의 노이즈 쉐이핑(noise shaping) 형태가 결정된다. 따라서, 일반적으로는 시스템의 안정도를 위하여 2차 델타-시그마 변환기를 사용하는 경우, 인-밴드(in-band) 및 아웃-밴드(out-band) 잡음양을 필터에 의해 제거할 수 있는 오버 샘플링 비율은 16 내지 32가 되어야 한다. 그러나, 최근의 고속 데이터 전송을 위한 시스템은 채널 밴드 폭이 20MHz부터 80MHz까지로서, 광대역 특성을 지닌다. 따라서, 32 오버 샘플링하는 경우, 델타-시그마 변환기는 80MHz의 32배인 2.56GHz의 속도로 고속 샘플링하여야 한다. 그러나 이는 하드웨어적으로 구현이 어려우며, 고속 디지털 회로로 인하여 전력 소모가 증가하는 단점이 있다.
따라서, 본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 넓은 주파수 대역에서도 효율이 높은 신호 증폭 방법 및 장치, 무선 송신 장치를 제공하는 것을 일 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 신호를 증폭함에 있어서, 작은 오버샘플링 레이트에서도 채널누설전력 특성과 에러 특성을 우수하게 하고자 한다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 더욱 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
전술한 바와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 증폭 장치는 신호를 극좌표로 변환하여 포락선 신호 및 위상 신호를 출력하는 극좌표 변환부, 포락선 신호를 다중 레벨(level)로 양자화하여 다중 레벨 양자화 신호를 출력하는 다중 레벨 양자화부, 다중 레벨 양자화 신호를 이용하여 증폭 스테이트(state)를 제어하는 증폭 스테이트 제어부, 및 제어된 증폭 스테이트에 따라 위상 신호를 증폭하는 전력 증폭부를 포함한다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 무선 송신 장치는 신호를 극좌표로 변환하여 포락선 신호 및 위상 신호를 출력하는 극좌표 변환부, 포락선 신호를 다중 레벨로 양자화하여 다중 레벨 양자화 신호를 출력하는 다중 레벨 양자화부, 다중 레벨 양자화 신호를 이용하여 증폭 스테이트를 제어하는 증폭 스테이트 제어부, 및 제어된 증폭 스테이트에 따라 위상 신호를 증폭하는 전력 증폭부를 포함한다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 신호 증폭 방법은 신호를 극좌표로 변환하여 포락선 신호 및 위상 신호를 출력하는 단계, 포락선 신호를 다중 레벨로 양자화하여 다중 레벨 양자화 신호를 출력하는 단계, 다중 레벨 양자화 신호를 이용하여 증폭 스테이트를 제어하는 단계, 및 제어된 증폭 스테이트에 따라 위상 신호를 증폭하는 단계를 포함한다.
전술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 넓은 주파수 대역에서도 고효율로 신호를 증폭할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 의하면, 신호를 증폭함에 있어서 작은 오버샘플링 레이트에서도 채널누설전력 특성과 에러 특성이 우수한 효과가 있다.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
이하의 내용은 단지 본 발명의 원리를 예시한다. 그러므로 당업자는 비록 본 명세서에 명확히 설명되거나 도시되지 않았지만 본 발명의 원리를 구현하고 본 발명의 개념과 범위에 포함된 다양한 장치를 발명할 수 있는 것이다. 또한, 본 명세서에 열거된 모든 조건부 용어 및 실시예들은 원칙적으로, 본 발명의 개념이 이해되도록 하기 위한 목적으로만 명백히 의도되고, 이와 같이 특별히 열거된 실시예들 및 상태들에 제한적이지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 발명의 원리, 관점 및 실시예들 뿐만 아니라 특정 실시예를 열거하 는 모든 상세한 설명은 이러한 사항의 구조적 및 기능적 균등물을 포함하도록 의도되는 것으로 이해되어야 한다. 또한 이러한 균등물들은 현재 공지된 균등물 뿐만 아니라 장래에 개발될 균등물 즉 구조와 무관하게 동일한 기능을 수행하도록 발명된 모든 소자를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
따라서, 예를 들어, 본 명세서의 블록도는 본 발명의 원리를 구체화하는 예시적인 회로의 개념적인 관점을 나타내는 것으로 이해되어야 한다. 이와 유사하게, 모든 흐름도, 상태 변환도, 의사 코드 등은 컴퓨터가 판독 가능한 매체에 실질적으로 나타낼 수 있고 컴퓨터 또는 프로세서가 명백히 도시되었는지 여부를 불문하고 컴퓨터 또는 프로세서에 의해 수행되는 다양한 프로세스를 나타내는 것으로 이해되어야 한다.
프로세서 또는 이와 유사한 개념으로 표시된 기능 블록을 포함하는 도면에 도시된 다양한 소자의 기능은 전용 하드웨어뿐만 아니라 적절한 소프트웨어와 관련하여 소프트웨어를 실행할 능력을 가진 하드웨어의 사용으로 제공될 수 있다. 프로세서에 의해 제공될 때, 상기 기능은 단일 전용 프로세서, 단일 공유 프로세서 또는 복수의 개별적 프로세서에 의해 제공될 수 있고, 이들 중 일부는 공유될 수 있다.
또한 프로세서, 제어 또는 이와 유사한 개념으로 제시되는 용어의 명확한 사용은 소프트웨어를 실행할 능력을 가진 하드웨어를 배타적으로 인용하여 해석되어서는 아니 되고, 제한 없이 디지털 신호 프로세서(DSP) 하드웨어, 소프트웨어를 저장하기 위한 롬(ROM), 램(RAM) 및 비 휘발성 메모리를 암시적으로 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 주지관용의 다른 하드웨어도 포함될 수 있다.
본 명세서의 청구범위에서, 상세한 설명에 기재된 기능을 수행하기 위한 수단으로 표현된 구성요소는 예를 들어 상기 기능을 수행하는 회로 소자의 조합 또는 펌웨어/마이크로 코드 등을 포함하는 모든 형식의 소프트웨어를 포함하는 기능을 수행하는 모든 방법을 포함하는 것으로 의도되었으며, 상기 기능을 수행하도록 상기 소프트웨어를 실행하기 위한 적절한 회로와 결합된다. 이러한 청구범위에 의해 정의되는 본 발명은 다양하게 열거된 수단에 의해 제공되는 기능들이 결합되고 청구항이 요구하는 방식과 결합되기 때문에 상기 기능을 제공할 수 있는 어떠한 수단도 본 명세서로부터 파악되는 것과 균등한 것으로 이해되어야 한다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명에서는 극좌표 변환을 이용하여 신호를 증폭한다. 신호를 극좌표로 변환하면 포락선 신호와 위상 신호가 출력된다. 극좌표 변환되어 출력된 포락선 신호는 여러 레벨로 양자화되어 증폭의 스테이트(state)를 제어하는 데에 이용된다. 위상 신호는 제어된 증폭 스테이트에 따라 증폭된다.
전술한 바와 같이 종래의 기술에 의하면 양자화 잡음으로 인해 증폭기 또는송신기를 광대역에서 구현하기 어려운 문제가 있다. 그러나 본 발명에 의하면, 포락선 신호를 여러 레벨로 양자화 함으로써, 양자화 잡음을 줄일 수 있다. 또한, 본 발명에 의하면 작은 오버 샘플링 레이트(over sampling rate)에서도 채널누설전력 특성(예를 들어 Adjacent Channel Leakage Power Ratio 등) 및 에러 특성(예를 들어, Error Vector Magnitude 등)이 우수하다. 따라서, 광대역에서도 고효율의 증폭을 수행할 수 있는 효과가 있다.
<신호 증폭 장치>
이하에서는 본 발명에 따른 신호 증폭 장치의 일 실시예에 대해 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 증폭 장치(200)의 구조도이다.
신호 증폭 장치(200)는 전술한 신호 증폭 장치를 포함할 수 있다. 신호 증폭 장치(200)는 신호를 극좌표로 변환하여 포락선 신호 및 위상 신호를 출력하는 극좌표 변환부(202), 포락선 신호를 다중 레벨로 양자화하여 다중 레벨 양자화 신호를 출력하는 다중 레벨 양자화부(204), 다중 레벨 양자화 신호를 이용하여 증폭 스테이트를 제어하는 증폭 스테이트 제어부(206), 및 제어된 증폭 스테이트에 따라 위상 신호를 증폭하는 전력 증폭부(208)를 포함한다.
광대역에서는 포락선 신호를 1비트의 디지털 신호로 변환하는 방법을 구현하기 위해 높은 오버 샘플링 레이트를 유지해야 한다. 이 경우, 집적 기술의 한계 등 의 문제 때문에 구현이 어려워진다. 다중 레벨로 양자화된 포락선 신호의 레벨 개수는 전력 증폭부(208)의 증폭 스테이트의 개수와 동일할 수 있다. 예를 들어, 포락선 신호가 4 레벨로 양자화되는 경우, 4 레벨 양자화 신호는 증폭 스테이트 제어부(206)를 통해 4 가지의 스테이트를 갖는 전력 증폭부(208)의 각 스테이트를 제어할 수 있다. 이때, 증폭의 정도는 각 스테이트에 따라 달라질 수 있다. 이와 같이, 다중 레벨 양자화를 이용하면, 양자화 잡음을 줄이고 넓은 주파수 대역에서도 고효율을 유지할 수 있는 효과가 있다.
증폭 스테이트 제어부(206)는 다중 레벨 양자화 신호를 다중 레벨 양자화 신호의 레벨보다 적은 수의 레벨을 갖는 제어 신호로 변환하는 레벨 변환부(도 2에 도시되지 않음) 및 제어 신호에 따라 증폭 스테이트를 결정하는 증폭 스테이트 결정부(도 2에 도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 다중 레벨 양자화부(204)에서 레벨의 수를 많이 늘릴수록 신호 증폭 장치(200)의 복잡도가 증가하고 증폭 스테이트를 제어하는 것이 어려워질 수 있다. 다중 레벨 양자화 신호의 레벨보다 적은 수의 레벨을 갖는 제어 신호를 사용함으로써, 신호 증폭 장치(200) 또는 전력 증폭부(208)의 복잡도 및 사이즈를 감소시키는 효과가 있다.
레벨 변환부는 다중 레벨을 더 적은 수의 그룹으로 묶어서 그 그룹에 따른 제어 신호를 생성할 수 있다. 예를 들어, 레벨 변환부로서 16 to 4 멀티플렉서(Multiplexer: Mux) 등이 사용될 수 있다. 이 경우, 레벨 변환부는 16 레벨 양자화 신호를 4 레벨을 갖는 제어 신호로 변환한다. 증폭 스테이트 결정부는 레벨 변환부에서 출력된 제어 신호에 따라 증폭 스테이트를 결정함으로써, 전력 증폭 부(208)의 증폭 스테이트를 제어할 수 있다.
이때, 제어 신호는 다중 레벨 양자화 신호의 레벨에 따른 신호의 확률 분포를 이용하여 결정될 수 있다. 확률 분포를 이용하는 것 또는 위상 신호의 크기를 제어하는 것은 전력 증폭부(208)를 최적화하고 효율을 높일 수 있는 효과가 있다. 전력 증폭부(208)는 출력 전력 레벨의 차이가 크지 않은 구간에서는 효율이 크게 감소하지 않기 때문에, 출력 전력 레벨의 크기가 유사하게 되는 포락선 신호를 그룹핑(grouping)하는 것이다.
예를 들어, 포락선 신호를 16 레벨로 양자화한 경우, 신호가 가장 큰 16번째 레벨에는 신호의 분포가 많지 않을 확률이 높다. 한편, 중간 정도 레벨 (예를 들어, 4 내지 8번째 레벨, 9 내지 13번째 레벨)에는 신호의 분포가 많을 확률이 높다. 따라서, 이와 같은 확률 분포에 따라 제어 신호가 결정될 수 있다. 예를 들어, 16개의 레벨을 사용하는 다중 레벨 양자화 신호는 4개의 레벨을 갖는 제어 신호로 변환될 때 표 1과 같이 변환될 수 있다.
다중 레벨 양자화 신호(레벨 수:16개) 제어 신호(레벨 수:4개)
1 내지 3번째 레벨 1
4 내지 8번째 레벨 2
9 내지 13번째 레벨 3
14 내지 16번째 레벨 4
또한, 위상 신호의 크기는 포락선 신호의 크기에 따라 제어될 수 있다. 다중 레벨 양자화 신호의 레벨보다 적은 수의 레벨을 갖는 제어 신호로 전력 증폭부(208)를 제어하기 때문에, 전력 증폭부(208)에 입력으로 제공되는 위상 신호를 제어하여 고효율을 유지할 수 있다. 예를 들어, 포락선 신호의 크기에 비례하게 위상 신호의 크기가 제어되는 경우를 설명한다. 양자화 신호의 1 내지 3번째 레벨은 모두 동일한 제어 신호 1로 변환되어 전력 증폭부(208)의 바이어스로 제공되지만, 1 내지 3번째 레벨은 그 크기가 다르기 때문에 위상 신호의 크기 또한 다르게 된다. 따라서, 전력 증폭부(208)의 출력은 다중 레벨 양자화 신호의 모든 레벨을 나타낼 수 있다.
한편, 다중 레벨 양자화 신호는 포락선 신호를 델타-시그마 변환하여 생성될 수 있다. 델타-시그마 모듈레이터는 일종의 폐쇄형 루프(closed-loop)시스템으로서, 입력 신호의 풀스케일(full scale) 비율과 출력의 디지털 평균 수를 동일하게 유지할 수 있다.
신호 증폭 장치(200)는 전력 증폭부(208)의 출력 전력 레벨이 기 설정된 전력 레벨보다 크거나 같도록 설정된 경우에, 극좌표 변환부(202)가 포락선 신호 및 위상 신호를 출력하도록 제어하는 모드 제어부(210)를 더 포함할 수 있다. 이때, 기 설정된 전력 레벨은 증폭의 무릎전압에 대응되는 출력 전력 레벨이 될 수 있다. 모드 제어부(210)를 통해 증폭의 출력 전력 레벨에 따라 극좌표 변환부(202)를 제어함으로써, 전력 증폭부(208)의 입력 전압이 제한되는 문제를 해결하고 전력 증폭부(208)의 동적 범위를 넓히는 효과가 있다.
전력 증폭부(208)의 출력 전력 레벨에 따라 전력 증폭 방법을 달리할 필요가있다. 예를 들어, 전력 증폭부(208)에 공급되는 전압이 무릎 전압보다 낮아지면 전력 증폭부(208)는 활성화(Active)되지 않을 수 있다. 작은 포락선 신호는 무릎 전압보다 작아질 수 있는데, 이 경우 전력 증폭부(208)는 증폭의 기능을 수행하지 못하기 때문에 모드 제어부(210)가 사용된다. 모드 제어부(210)는 출력 전력 레벨이 기 설정된 전력 레벨보다 크거나 같도록 설정된 경우에만 극좌표 변환부(202)가 작동되도록 할 수 있다. 따라서, 그 외의 경우에는 극좌표 변환부(202)가 작동되지 않을 수 있고, 신호 증폭 장치(200)는 일반적인 직접 변환 방식을 이용하여 신호를 송신할 수 있다. 또한, 이 문제점을 해결하기 위해 다중 레벨 양자화부(204)에서 출력되는 레벨이 일정한 값 이상으로 유지되도록 제어할 수 있다.
한편, 신호 증폭 장치(200)는 위상 신호의 위상값 또는 크기를 전력 증폭부(208)의 공급 전압, 전력 증폭부(208)의 입력 전력, 증폭 스테이트 중 적어도 하나에 따라 제어하는 오차 보상부(212)를 더 포함할 수 있다. 오차 보상부(212)를 통해 위상 신호의 위상값 또는 크기를 제어함으로써, 신호 증폭 장치(200)에서 발생할 수 있는 오차를 보정할 수 있는 효과가 있다.
실제로 구현된 전력 증폭부(208)는 이상적이지 않을 수 있고, 반도체로 구현될 경우 반도체의 특성으로 인한 오차가 발생할 수 있다. 이러한 오차는 최종 출력에서 이득 또는 위상에 오차로 반영되기 때문에, 채널누설전력 특성과 에러 특성을 열화시킨다. 이러한 오차를 보정하기 위하여 오차 보상부(212)가 사용될 수 있다. 오차 보상부(212)는 위상 신호의 위상값 또는 크기를 제어함으로써, 오차를 보정할 수 있다.
<무선 송신 장치>
이하에서는 본 발명에 따른 무선 송신 장치의 일 실시예에 대해 설명한다.
무선 송신 장치는 전술한 신호 증폭 장치를 포함할 수 있다. 무선 송신 장치는 신호를 극좌표로 변환하여 포락선 신호 및 위상 신호를 출력하는 극좌표 변환부, 포락선 신호를 다중 레벨로 양자화하여 다중 레벨 양자화 신호를 출력하는 다중 레벨 양자화부, 다중 레벨 양자화 신호를 이용하여 증폭 스테이트를 제어하는 증폭 스테이트 제어부, 및 제어된 증폭 스테이트에 따라 위상 신호를 증폭하는 전력 증폭부를 포함한다. 다중 레벨 양자화를 이용함으로써, 양자화 잡음을 줄이고 넓은 주파수 대역에서도 고효율을 유지할 수 있는 효과가 있다.
증폭 스테이트 제어부는 다중 레벨 양자화 신호를 다중 레벨 양자화 신호의 레벨보다 적은 수의 레벨을 갖는 제어 신호로 변환하는 레벨 변환부 및 제어 신호에 따라 증폭 스테이트를 결정하는 증폭 스테이트 결정부를 포함할 수 있다. 다중 레벨 양자화 신호의 레벨보다 적은 수의 레벨을 갖는 제어 신호를 사용함으로써, 무선 송신 장치 또는 전력 증폭부의 복잡도 및 사이즈를 감소시키는 효과가 있다.
이때, 제어 신호는 다중 레벨 양자화 신호의 레벨에 따른 신호의 확률 분포를 이용하여 결정될 수 있다. 또한, 위상 신호의 크기는 포락선 신호의 크기에 따라 제어될 수 있다. 확률 분포를 이용하는 것 또는 위상 신호의 크기를 제어하는 것은 전력 증폭부를 최적화하고 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.
한편, 다중 레벨 양자화 신호는 포락선 신호를 델타-시그마 변환하여 생성될 수 있다.
무선 송신 장치는 전력 증폭부의 출력 전력 레벨이 기 설정된 전력 레벨보다 크거나 같도록 설정된 경우에, 극좌표 변환부가 포락선 신호 및 위상 신호를 출력하도록 제어하는 모드 제어부를 더 포함할 수 있다. 이때, 기 설정된 전력 레벨은 증폭의 무릎전압에 대응되는 출력 전력 레벨이 될 수 있다. 모드 제어부를 통해 증폭의 출력 전력 레벨에 따라 극좌표 변환부를 제어함으로써, 전력 증폭부의 입력 전압이 제한되는 문제를 해결하고 전력 증폭부의 동적 범위를 넓히는 효과가 있다.
한편, 무선 송신 장치는 위상 신호의 위상값 또는 크기를 전력 증폭부의 공급 전압, 전력 증폭부의 입력 전력, 증폭 스테이트 중 적어도 하나에 따라 제어하는 오차 보상부를 더 포함할 수 있다. 오차 보상부를 통해 위상 신호의 위상값 또는 크기를 제어함으로써, 무선 송신 장치에서 발생할 수 있는 오차를 보정할 수 있는 효과가 있다.
기타 무선 송신 장치에 대한 상세한 설명은 전술한 신호 증폭 장치의 설명과 중복되므로, 여기서는 생략하기로 한다.
<신호 증폭 방법>
이하에서는 본 발명에 따른 신호 증폭 방법의 일 실시예에 대해 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 증폭 방법을 설명하는 흐름도이다. 도 3을 참조하면, 신호 증폭 방법은 신호를 극좌표로 변환하여 포락선 신호 및 위상 신호를 출력하는 단계(302), 포락선 신호를 다중 레벨로 양자화하여 다중 레벨 양자화 신호를 출력하는 단계(304), 다중 레벨 양자화 신호를 이용하여 증폭 스테이트를 제어하는 단계(306), 및 제어된 증폭 스테이트에 따라 위상 신호를 증폭하는 단계(308)를 포함한다. 다중 레벨 양자화를 이용함으로써, 양자화 잡음을 줄이고 넓은 주파수 대역에서도 고효율을 유지할 수 있는 효과가 있다.
증폭 스테이트를 제어하는 단계(306)는 다중 레벨 양자화 신호를 다중 레벨 양자화 신호의 레벨보다 적은 수의 레벨을 갖는 제어 신호로 변환하는 단계 및 제어 신호에 따라 증폭 스테이트를 결정하는 단계를 포함할 수 있다. 다중 레벨 양자화 신호의 레벨보다 적은 수의 레벨을 갖는 제어 신호를 사용함으로써, 증폭을 수행함에 있어서 복잡도 및 사이즈를 감소시키는 효과가 있다.
이때, 제어 신호는 다중 레벨 양자화 신호의 레벨에 따른 신호의 확률 분포를 이용하여 결정될 수 있다. 또한, 위상 신호의 크기는 포락선 신호의 크기에 따라 제어될 수 있다. 확률 분포를 이용하는 것 또는 위상 신호의 크기를 제어하는 것은 증폭을 최적화하고 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.
한편, 다중 레벨 양자화 신호는 포락선 신호를 델타-시그마 변환하여 생성될 수 있다.
위상 신호를 증폭하는 단계(308)는 증폭의 출력 전력 레벨이 기 설정된 전력 레벨보다 크거나 같은 경우에 수행될 수 있다. 이때, 기 설정된 전력 레벨은 증폭의 무릎전압에 대응되는 출력 전력 레벨이 될 수 있다. 증폭의 출력 전력 레벨에 따라 위상 신호를 증폭함으로써, 증폭에 있어서 입력 전압이 제한되는 문제를 해결하고 증폭의 동적 범위를 넓히는 효과가 있다.
한편, 위상 신호의 위상값 또는 크기는 증폭의 공급 전압, 증폭의 입력 전력, 증폭 스테이트 중 적어도 하나에 따라 제어될 수 있다. 위상 신호의 위상값 또는 크기가 제어됨으로써, 신호를 증폭하는 방법이 수행되는 도중에 발생하는 오차를 보정할 수 있는 효과가 있다.
기타 신호 증폭 방법에 대한 상세한 설명은 전술한 신호 증폭 장치의 설명과 중복되므로, 여기서는 생략하기로 한다.
<무선 송신 장치의 구체적인 실시예>
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 송신 장치(400)의 구조도이다.
우선, 기저대역부(402)는 기저대역 신호인 I(t) 및 Q(t)를 극좌표 변환부(404)로 전달한다. 극좌표 변환부(404)는 입력된 기저대역 신호를 극좌표로 변환하여 포락선 신호 A(t) 및 위상 신호 Gcosθ(t), Gsinθ(t)를 출력한다. 이때, 극좌표 변환부(404)는 CORDIC(Coordinate Rotation Digital Computer)를 이용할 수 있다.
극좌표 변환부(404)는 기저대역 신호에 대하여 오버 샘플링을 수행할 수 있다. 또한, 극좌표 변환부(404)는 델타-시그마 변환기의 클럭 속도와 동일하게 오버 샘플링한 후에 발생하는 이미지 스펙트럼을 제거할 수 있도록 LPF(Low Pass Filter)를 포함할 수 있다.
포락선 신호 A(t)는 M-레벨 델타 시그마 변환기(406)에 의해 M-레벨로 양자화 된다. 여기서 M은 2 이상의 정수이다. M-레벨로 양자화된 포락선 신호는 레벨 변환부(408)에 의해 더 적은 수의 레벨(예를 들어 N 레벨, N은 M보다 작은 양수)로 변환된다. 이 과정에서 M-레벨은 신호의 확률 분포가 비슷한 레벨끼리 그룹핑될 수 있다. 이때, 레벨 변환부(408)는 M to N Mux 또는 비교기(comparator)를 이용할 수 있다.
레벨 변환부(408)에서 출력된 신호는 디코더(410)를 거쳐 증폭 스테이트 결정부(412)에 입력된다. 디코더(410)는 레벨 변환부(408)의 디지털 출력을 아날로그 회로에 적용할 수 있도록 한다. 실시예에 따라서 디코더(410)는 생략될 수 있고, 레벨 변환부(408)의 출력이 증폭 스테이트 결정부(412)로 바로 제공될 수 있다. 증폭 스테이트 결정부(412)는 전력 증폭부(420)의 스테이트를 결정하여 증폭을 제어할 수 있다.
한편, 위상 신호 Gcosθ(t) 및 Gsinθ(t)는 각각 DAC(Digital to Analog Converter)(414), DAC(416)에 의해 아날로그 신호로 변환된다. 위상 신호의 G는 포락선 신호의 크기에 따라 결정될 수 있다. 위상 신호는 오버 샘플링 레이트 만큼의 속도록 출력될 필요가 없기 때문에 기저대역의 I(t), Q(t)의 샘플링 속도로 계산되어 DAC(414, 416)에 제공될 수 있다.
위상 신호가 DAC(414, 416)에 의해 아날로그 신호로 출력될 때 위상 신호의 이미지 성분이 클럭 속도의 절반에 해당하는 주파수에서 발생하게 되는데, 이는 아날로그 LPF에 의해 제거 된다. 하지만, 샘플링 속도가 낮은 경우 위상 신호를 LPF로 필터링하면 왜곡이 발생할 수 있다. 이러한 왜곡을 방지하기 위해 DAC(414, 416)를 통과하기 전의 위상 신호는 임의의 비율로 오버 샘플링될 수도 있다. 이러한 특성은 시스템의 밴드폭 또는 신호의 특성에 의해서 결정되는 것이므로, 위상 신호에 대한 오버 샘플링 사용 여부는 실시예에 따라 충분히 다르게 구현될 수 있다.
아날로그 신호로 변환된 위상 신호는 RF 변조기(418)에 의해 RF 주파수로 상향 변조된다. 변조된 위상 신호 Gcos(ωct+θ(t))는 전력 증폭부(420)에 입력으로 제공되고, 증폭 스테이트 결정부(412)의 제어에 따라 증폭된다. 이렇게 증폭된 최종 송신 신호는 안테나 포트로 제공될 수 있다. 전력 증폭부(420)의 셀은 내부적으로 여러 스테이트로 구성될 수 있고, 스테이트에 따라 MOS(Metal Oxide Semiconductor) 스위치 등으로부터 전원을 공급받을 수 있다.
또한, 전력 증폭부(420)는 고효율 특성을 지니기 위하여 스위칭 전력 증폭기 구조를 포함할 수 있다. 전력 증폭부(420)의 입력 전력 레벨은 위상 신호의 G 값에 따라 결정된다. 위상 신호의 G값에 따라 전력 증폭부(420)가 선형적으로 동작하여야 하기 때문에, 전력 증폭부(420)는 바이어스 전류가 일정 레벨 이상으로 걸려있는 Quasi-Class E/F/D 형태로 구현될 수 있다.
한편, 기저대역부(402)는 전력 증폭부(420)의 출력 전력 레벨을 제어할 수 있도록 전력 제어 정보를 전력 제어 관리부(422)로 전달한다. 전력 제어 관리부(422)는 전력 제어 정보에 따라 전력 증폭부(420)의 출력 전력 레벨을 제어할 수 있도록 DC/DC 변환부(428)에 출력 전력 레벨 정보를 전달한다. DC/DC 변환부(428)는 전원(430)의 전압을 변환하여 증폭 스테이트 결정부(412)를 통해 전력 증폭부(420)에 공급한다. 이렇게 전력 제어 관리부(422)에 의해 전력 증폭부(420)의 출력 전력 레벨이 제어될 수 있다.
한편, 전력제어 관리부(422)는 전력 제어 정보를 모드 제어부(424)에 전달한다. 모드 제어부(424)는 전력 제어 정보에 따라 무선 송신 장치(400)의 출력 모드를 제어한다. 여기서, 모드라고 함은 극좌표 변환을 시용할 것인지 아니면 기저대역 신호에 대한 직접 변환 방식을 사용할 것인지 여부가 될 수 있다.
증폭 스테이트 결정부(412)에 공급되는 전압에 따라 전력 증폭부(420)의 출력 전력 레벨이 제어된다. 이때, 증폭 스테이트 결정부(412)에 공급되는 전압은 전력 증폭부(420)의 무릎 전압 이상으로 제한된다. 즉, DC/DC 변환부(428)는 전원(430)의 전압부터 무릎 전압까지의 전압을 출력함으로써, 전력 증폭부(420)의 출력 전력 레벨을 제어한다. 이때, 출력 전력 레벨이 가변될 수 있는 범위는 수학식 1과 같다.
(출력 전력 레벨의 가변 범위) = 10*log{(VCC-Vknee)2}
수학식 1에서 VCC는 전원(430)의 전압이고, Vknee는 전력 증폭부(420)의 무릎 전압이다. 상용되는 반도체는 일반적으로 무릎 전압이 0.2 내지 0.3V 이므로, 출력 전력 레벨의 가변 범위는 약 18 내지 20dB 정도가 된다.
즉, 최대 출력 전력 레벨로부터 20dB만큼 낮은 출력 전력 레벨까지는 극좌표 변환부에 의한 폴라 송신 구조를 통해 신호가 송신되고, 그 이하의 출력 전력 레벨에서는 일반적인 직접 변환 방식을 통해 신호가 송신된다. 일반적으로 무선 송신 장치의 송신 전력에 대한 확률 분포에 의하면, 최대 출력 전력 레벨부터 20dB만큼 낮은 출력 전력 레벨까지 전력 범위에서 사용되는 경우가 대부분이다. 따라서, 이와 같이 구성하더라도 직접 변환 방식을 통해 신호를 송신할 확률이 적기 때문에, 무선 송신 장치(400)의 전체적인 효율은 크게 감소되지 않는다.
무선 송신 장치(400)가 이렇게 두 가지 모드로 동작될 수있도록, 위상 신호는 직접 변환 방식 구조로 송신되며 두 개의 DAC(414, 416) 및 RF 변조기(418)가 사용된다. 또한, 모드 제어부(424)는 전력 제어 정보에 따라 무선 송신 장치(400)의 송신 모드를 결정한다. 직접 변환 방식으로 동작할 경우에, 극좌표 변환부(404)는 동작하지 않는다. 이때, 기저대역부(402)에서 출력된 I(t) 및 Q(t)가 극좌표 변환부(404)를 바이패스하여 각각 DAC(414, 416)로 입력됨으로써, 일반적인 직접 변환 방식으로 송신된다.
한편, 전력 증폭부(420)의 스테이트에 따라 전력값, 위상 신호의 크기 등이 이상적이지 않을 수 있고, 무선 송신 장치(400)가 구현되는 반도체의 특성에 따라 오차가 발생할 수 있다. 오차 보상부(432)는 이러한 오차를 수정한다.
오차 보상부(432)는 open loop predistortion 방법을 사용할 수 있다. 전력 증폭부(420)가 증폭 스테이트에 따라 여러 단으로 증폭을 하는 경우, 오차 보상부(432)는 출력 또는 위상 신호에 대한 오차를 추출하여 위상 신호의 θ(t)값과 G(t) 값에 반영한다. 즉, 오차 보정값은 cosθ(t), sinθ(t)에 각각 cos{θ(t)+θe(t)}, sin{θ(t)+θe(t)} 등의 형태로 반영될 수 있고, 이득에 대한 오차는 G(t)에 G(t)×Ge(t)의 형태로 반영될 수 있다.
오차 보상부(432)는 전력 증폭부(420)의 AM/AM, AM/PM 오차 방법을 세 가지 인자에 따라 수행한다. 즉, 오차 보상부(432)는 전력 증폭부(420)의 공급 전압(VCC), 입력 전력(input power), 스테이트(state)에 따라 오차를 보상한다.
예를 들어, θe(t)=f(VCC, input power, state), Ge(t)=g(VCC, input power, state)로 정의될 수 있다. 함수 f와 g는 실시예에 따라 다양하게 구성될 수 있다. 이러한 오차 보정 방법은 디지털 룩업 테이블(Look up table)로 구현될 수 있고, 룩업 테이블은 전력 증폭부(420)의 공급 전압, 입력 전력, 스테이트에 따른 3-D 레이아웃 메모리 구조를 가질 수 있다.
도 5는 M-레벨 델타 시그마 변환기(406) 및 레벨 변환부(408)의 상세 구조도이다.
M-레벨 델타 시그마 변환기(406)는 1차 델타-시그마 모듈레이터를 이용한다. 낮은 오버 샘플링 레이트를 사용하는 경우에는 높은 차수의 델타-시그마 모듈레이터보다 1차 델타-시그마 모듈레이터가 아웃-밴드 잡음 억제(out-band noise suppression) 효과가 크기 때문이다. 실시예에 따라서 2차 또는 3차 등 높은 차수의 델타-시그마 모듈레이터가 사용될 수 있다.
1차 델타-시그마 모듈레이터는 구조가 매우 간단하여 지연부(504) 셀 블록 하나만으로 구현될 수 있고, 디지털에서 전력 소모량이 매우 작다. 1차 델타-시그 마 모듈레이터를 디지털 회로로 구현하는 경우 M-레벨을 표현할 수 있는 비트수가 할당되어야 한다.
만약, 도 5에 도시된 바와 달리 1차 델타 시그마 모듈레이터가 아날로그 회로로 구현되는 경우, 디지털 포락선 신호인 A(t)를 아날로그 신호로 변환하는 DAC(Digital to Analog Converter)가 더 포함될 수 있다. 이때, DAC의 출력이 아날로그 델타-시그마 모듈레이터로 제공되게 된다.
M-레벨로 델타-시그마 변환된 포락선 신호는 신호의 확률 분포에 따라 0부터 M까지의 크기를 가지며, 그 평균 크기는 원래의 포락선 신호 A(t)의 평균 크기와 같다. 즉, M-레벨로 양자화된 후에도 양자화 전의 포락선 신호와 비교할 때 신호 크기에 따른 확률 분포가 동일하다.
지연부(504)와 합산부(502)에 의해 적분이 수행되고, M-레벨 양자화부(506)에 의해 M-비트의 양자화된 신호 a가 출력된다. 레벨 변환부(408)는 M 레벨의 양자화 신호 a를 그룹핑하여 N 레벨의 제어 신호로 변환한다. 레벨 변환부(408)의 출력은 N개 만큼의 디지털 회로 출력 개수를 가질 수 있다. 레벨 변환부(408)는 멀티플렉서의 형태로 구현될 수 있고, 디지털로 구현되는 경우에는 계산 시간을 줄이기 위해 룩업 테이블을 참조하는 형태로 구현될 수 있다.
도 6은 레벨 변환부(408), 증폭 스테이트 결정부(412), 및 전력 증폭부(420)의 상세 구조도이다.
M-레벨의 양자화 신호를 입력 받은 레벨 변환부(408)는 N 레벨(N은 M보다 작 은 양수)의 제어 신호를 출력한다. 레벨 변환부(408)를 생략하고 직접 M-레벨로 전력 증폭부(420)의 증폭 스테이트를 제어하는 경우, 설계 복잡도 및 칩의 사이즈가 크게 증가할 수 있어서 비효율적일 수 있다. 따라서, 레벨 변환부(408)를 통해 전력 증폭부(420)를 제어하는 레벨의 수를 줄이는 것이다. 전력 증폭부(420)를 제어하는 레벨의 수가 줄어든 만큼, 전력 증폭부(420)의 입력인 위상 신호의 크기를 제어한다. 전력 증폭부(420)의 입력 레벨 대 출력 전력 레벨에 의한 효율은 최대 출력으로부터 약 3~4dB 정도 낮은 출력 전력 레벨에서도 고효율 특성이 유지되기 때문에 충분히 효과적이다.
한편, N 개의 레벨을 갖는 제어 신호는 전력 증폭부(420)의 N-스테이트를 제어할 수 있도록 증폭 스테이트 결정부(412)로 입력된다. 증폭 스테이트 결정부(412)는 MOS 스위치 등으로 구현될 수 있다. 증폭 스테이트 결정부(412)는 전력 증폭부(408) 내부에 PMOS(Positive channel Metal Oxide Semiconductor)로 구성될 수 있고, 전력 증폭부(408)가 구현되는 칩 외부의 제어 블록으로 구성될 수도 있다. 증폭 스테이트 결정부(412)는 전력 증폭부(408)의 바이어스 단에 전원을 제공한다.
증폭 스테이트 결정부(412)가 MOS 스위치로 구현되는 경우, MOS 스위치의 사이즈는 스테이트에 따라 최대로 흐르는 전류의 양에 따라 결정될 수 있다. 최대 출력 스테이트에서 전력을 공급하는 MOS 스위치는 게이트(gate) 또는 에미터(emitor)의 사이즈가 크게 되고, 최소 출력 스테이트에서 전력을 공급하는 MOS 스위치는 작은 사이즈를 갖도록 구현될 수 있다.
구체적인 신호의 동작을 예를 들어 살펴본다.
레벨 변환부(408)의 입력과 출력이 표 2와 같은 경우를 예로 들어 설명한다.
입력(M-레벨 양자화 신호) 출력(N-레벨 제어 신호)
M N
M-1
M-2 N-1
M-3
… …
최대 크기인 M 레벨의 포락선 신호가 입력되는 경우, 레벨 변환부(408)의 출력은 N이 된다. 증폭 스테이트 제어부(412)에 N이 입력되면 전력 증폭부(420)는 “고전력 스테이트 증폭기(High power state amplifier)”가 “활성화(active)”된다.
M-1 레벨의 포락선 신호가 입력되는 경우, 레벨 변환부(408)의 출력은 여전히 N이 된다. 따라서, 증폭 스테이트 제어부(412)에 N이 입력되고, 전력 증폭부(420)도 여전히 “고전력 스테이트 증폭기”가 활성화된 상태이다. 여기서, 위상 신호의 크기인 G는 포락선 신호의 크기인 M-1에 따라 결정된다. 예를 들어, 이때 G는 M 레벨의 포락선 신호가 입력되는 경우보다 M-1/M의 비율로 작아질 수 있다. 이 경우에 최대 출력보다 3~4dB 정도 작은 레벨에서도 고효율이 유지되는 전력 증폭부(420)의 특성상 전체 효율의 감소는 크지 않다.
레벨 변환부(408)에 M-2 또는 M-3 레벨의 포락선 신호가 입력되는 경우, 레벨 변환부(408)의 출력은 N-1이 된다. 증폭 스테이트 제어부(412)에 N-1이 입력되면 전력 증폭부(420)는 “중전력 스테이트 증폭기(Medium power state amplifier)”가 활성화 된다. 위상 신호의 크기 G 값은 포락선 신호의 크기에 따라 제어될 수 있다.
이러한 방식은 전력 증폭부(420)의 구조를 상당히 간략화할 수 있고, 작은 오버 샘플링 레이트를 사용하면서도 델타-시그마 극좌표 송신기로서 구현이 가능하기 때문에, 효율이 상당히 높다.
도 7은 포락선 신호 A(t) 및 M-레벨 양자화 신호 a를 도시하는 그래프이다.
도 7은 20MHz의 밴드폭을 갖는 기저대역 신호로부터 변환된 포락선 신호 A(t)를 도시한다. 또한, 도 7은 A(t)가 M-레벨 양자화부(506)를 통과하여 16 레벨(M=16)의 양자화 신호 a를 도시한다. 오른쪽 축의 N은 레벨 변환부(408)가 M-레벨을 그룹핑하는 구간을 표시한다. N으로 표시된 구간에 따라 레벨 변환부(408)는 16 레벨의 양자화 신호를 모두 4개의 제어 신호로 변환한다.
도 8은 증폭 스테이트 결정부(412) 및 전력 증폭부(420)의 상세 구조도이다. 도 8은 4개의 스테이트로 증폭을 제어하는 증폭 스테이트 결정부(412)와, 4개의 스테이트를 갖는 전력 증폭부(420)의 구조를 개략적으로 도시한다.
도 8을 참조하면, 3단으로 구성된 증폭기를 갖는 전력 증폭부(420)에 레벨 변환부(408)로부터 CTRL(control) 전압의 형태로 제어 신호가 제공된다. 도 8에서 제어 신호는 CTRL1, CTRL2, CTRL3 로 도시된다.
가장 작은 크기의 레벨을 출력하는 스테이트로 제어되는 경우에, 3단의 증폭기는 모두 “비활성화(disable)”된다. 따라서, RF 변조기(418)로부터 입력되는 위상 신호는 바이패스되어, 3개의 지연부(812, 822, 832)를 통과하여 출력된다.
한편, 다음으로 큰 레벨을 출력하는 스테이트로 제어되는 경우에, 제어 신호는 CTRL1=”활성화”, CTRL2=”비활성화”, CTRL3=”비활성화”로 제공된다. 따라서, 위상 신호는 첫 단의 증폭기에 의해 증폭된 후, 두 개의 지연부(822, 832)를 통과하여 출력된다.
세번 째 레벨을 출력하는 스테이트로 제어되는 경우에, 제어 신호는 CTRL1=”활성화”, CTRL2=”활성화”, CTRL3=”비활성화”로 제공된다. 따라서, 위상 신호는 첫 단과 둘째 단의 증폭기에 의해 증폭된 후, 지연부(832)를 통과하여 출력된다.
가장 큰 레벨을 출력하는 스테이트로 제어되는 경우에, 제어 신호는 모두 “활성화”로 제공된다. 따라서, 위상 신호는 세 단의 증폭기에 의해 증폭된 후 출력된다.
3단으로 구성된 전력 증폭부(420)는 각 스테이트에 따라 전력 또는 이득 등이 시스템에 최적화된다. 증폭 스테이트 결정부(412) 및 전력 증폭부(420)는 HBT(Hetero junction Bipolar Transistor) 또는 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 등으로 구현될 수 있다. 세부적인 회로는 실시예에 따라 다양하게 구현될 수 있으므로, 여기서는 설명을 생략한다.
도 9a 및 도 9b는 무선 송신 장치(400)에 의한 송신 출력과 전력 증폭부(420)의 효율을 도시하는 그래프이다. 도 9a 및 도 9b는 도 4에 도시된 무선 송신 장치(400)를 이용한 경우, 20MHz의 광대역 밴드폭을 갖는 3G LTE 상향 링크 송신 신호에 대한 스펙트럼을 도시한다. M-레벨 델타 시그마 변환기(406)는 16 레벨(M=16)의 변환을 사용하고, 레벨 변환부(408)는 16 레벨을 4 스테이트(N=4)로 변환하도록 한다.
도 9a는 오버 샘플링 레이트가 8인 경우, RF 주파수 스펙트럼을 나타낸다.
도 9b는 4 스테이트를 갖는 전력 증폭부(420)의 출력 전력 및 M-레벨에 따른 효율을 나타낸다. 도 9b를 토대로 산출된 최대 채널 출력 전력이 23dBm인 경우의 전력 효율은 약 30%로서, 일반적인 Class AB 방식의 전력 증폭기의 효율인 10 내지 15%보다 약 2배 내지 3배이다. 이와 같이 무선 송신 장치(400)는 고효율 특성을 갖는다.
상술한 바와 같은 본 발명의 방법은 프로그램으로 구현되어 컴퓨터로 읽을 수 있는 형태로 기록매체(씨디롬, 램, 롬, 플로피 디스크, 하드 디스크, 광자기 디스크 등)에 저장될 수 있다. 이러한 과정은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있으므로 더 이상 상세히 설명하지 않기로 한다.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
도 1a 및 도 1b는 종래기술에 의한 송신기를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 증폭 장치(200)의 구조도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 신호 증폭 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 송신 장치(400)의 구조도이다.
도 5는 M-레벨 델타 시그마 변환기(406) 및 레벨 변환부(408)의 상세 구조도이다.
도 6은 레벨 변환부(408), 증폭 스테이트 결정부(412), 및 전력 증폭부(420)의 상세 구조도이다.
도 7은 포락선 신호 A(t) 및 M-레벨 양자화 신호 a를 도시하는 그래프이다.
도 8은 전력 증폭부(420)의 상세 구조도이다.
도 9a 및 도 9b는 무선 송신 장치(400)에 의한 송신 출력과 전력 증폭부(420)의 효율을 도시하는 그래프이다.

Claims (15)

  1. 신호를 극좌표로 변환하여 포락선 신호 및 위상 신호를 출력하는 극좌표 변환부;
    상기 포락선 신호를 다중 레벨(level)로 양자화하여 다중 레벨 양자화 신호를 출력하는 다중 레벨 양자화부;
    상기 다중 레벨 양자화 신호를 이용하여 증폭 스테이트(state)를 제어하는 증폭 스테이트 제어부; 및
    상기 제어된 증폭 스테이트에 따라 상기 위상 신호를 증폭하는 전력 증폭부를
    포함하는, 신호 증폭 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 증폭 스테이트 제어부는
    상기 다중 레벨 양자화 신호를 상기 다중 레벨 양자화 신호의 레벨보다 적은 수의 레벨을 갖는 제어 신호로 변환하는 레벨 변환부; 및
    상기 제어 신호에 따라 상기 증폭 스테이트를 결정하는 증폭 스테이트 결정부를 포함하는, 신호 증폭 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어 신호는
    상기 다중 레벨 양자화 신호의 레벨에 따른 확률 분포를 이용하여 결정되는, 신호 증폭 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 위상 신호의 크기는
    상기 포락선 신호의 크기에 따라 제어되는, 신호 증폭 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 다중 레벨 양자화 신호는
    상기 포락선 신호를 델타-시그마(delta-sigma) 변환하여 생성되는, 신호 증폭 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전력 증폭부의 출력 전력 레벨이 기 설정된 전력 레벨보다 크거나 같도 록 설정된 경우에, 상기 극좌표 변환부가 상기 포락선 신호 및 상기 위상 신호를 출력하도록 제어하는 모드 제어부를 더 포함하는, 신호 증폭 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 기 설정된 전력 레벨은
    상기 전력 증폭부의 무릎전압에 대응되는 출력 전력 레벨인, 신호 증폭 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 위상 신호의 위상값 또는 크기를 상기 전력 증폭부의 공급 전압, 상기 전력 증폭부의 입력 전력, 상기 증폭 스테이트 중 적어도 하나에 따라 제어하는 오차 보상부를 더 포함하는, 신호 증폭 장치.
  9. 신호를 극좌표로 변환하여 포락선 신호 및 위상 신호를 출력하는 극좌표 변환부;
    상기 포락선 신호를 다중 레벨(level)로 양자화하여 다중 레벨 양자화 신호를 출력하는 다중 레벨 양자화부;
    상기 다중 레벨 양자화 신호를 이용하여 증폭 스테이트(state)를 제어하는 증폭 스테이트 제어부; 및
    상기 제어된 증폭 스테이트에 따라 상기 위상 신호를 증폭하는 전력 증폭부를
    포함하는, 무선 송신 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 증폭 스테이트 제어부는
    상기 다중 레벨 양자화 신호를 상기 다중 레벨 양자화 신호의 레벨보다 적은 수의 레벨을 갖는 제어 신호로 변환하는 레벨 변환부; 및
    상기 제어 신호에 따라 상기 증폭 스테이트를 결정하는 증폭 스테이트 결정부를 포함하는, 무선 송신 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 위상 신호의 크기는
    상기 포락선 신호의 크기에 따라 제어되는, 무선 송신 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 전력 증폭부의 출력 전력 레벨이 기 설정된 전력 레벨보다 크거나 같도록 설정된 경우에, 상기 극좌표 변환부가 상기 포락선 신호 및 상기 위상 신호를 출력하도록 제어하는 모드 제어부를 더 포함하는, 무선 송신 장치.
  13. 신호를 극좌표로 변환하여 포락선 신호 및 위상 신호를 출력하는 단계;
    상기 포락선 신호를 다중 레벨(level)로 양자화하여 다중 레벨 양자화 신호를 출력하는 단계;
    상기 다중 레벨 양자화 신호를 이용하여 증폭 스테이트(state)를 제어하는 단계; 및
    상기 제어된 증폭 스테이트에 따라 상기 위상 신호를 증폭하는 단계를
    포함하는, 신호 증폭 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 증폭 스테이트를 제어하는 단계는
    상기 다중 레벨 양자화 신호를 상기 다중 레벨 양자화 신호의 레벨보다 적은 수의 레벨을 갖는 제어 신호로 변환하는 단계; 및
    상기 제어 신호에 따라 상기 증폭 스테이트를 결정하는 단계를 포함하는, 신 호 증폭 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제어 신호는
    상기 다중 레벨 양자화 신호의 레벨에 따른 상기 신호의 확률 분포를 이용하여 결정되는, 신호 증폭 방법.
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