KR20110068603A - 전력 증폭기의 선형화 방법 및 장치 - Google Patents

전력 증폭기의 선형화 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전력 증폭기의 선형화 방법 및 장치에 관한 것으로서, 선형입력에 대하여 전력 증폭기의 출력을 Y=X의 형태로 만들고, 상기 Y=X의 형태를 구간별로 나누어서 일차함수로 근사화한 후, 각 구간별로 일차함수의 기울기와 Y절편을 구하여 입력신호 X에 대한 상기 전력 증폭기의 역함수를 출력하는 전력 증폭기 역모델부; 실제입력에 대하여 상기 전력 증폭기의 역함수를 이용하여 상기 전력 증폭기의 비선형성을 보상하는 간이전치보상부; 및 상기 간이전치보상부와 함께 전치보상알고리즘을 이용하여 상기 전력 증폭기의 비선형성을 보상하는 전치보상부를 포함한다.
전력 증폭기, 선형화, 선형입력, 일차함수, 전치왜곡

Description

전력 증폭기의 선형화 방법 및 장치{Apparatus and Method for Linearizing Power Amplifier}
본 발명은 전력 증폭기의 선형화 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광대역 차세대 이동통신 시스템에서 사용되는 전력 증폭기의 비선형성을 개선하기 위한 선형화 방법 및 장치에 관한 것이다.
최근 디지털 통신 시스템에서 주된 관심분야는 전력 효율성이며, 이를 위한 고효율 전력 증폭기는 일반적으로 비선형 특징을 가진다. 이러한 전력 증폭기의 비선형성은 신호의 왜곡으로 스펙트럼 분석을 보면 인접 채널에 간섭 신호를 제공하고, 특히 광대역 신호의 경우 비선형성은 더욱 커지게 된다.
상기 고효율 전력 증폭기의 비선형성을 개선하기 방법으로, 디지털전치보상(Digital Pre-distortion: DPD) 방식이 선호되고 있으며, 디지털 영역에서 신호의 비선형 특성에 대한 역을 취하여 입력신호를 전치보상하는 방법으로서, 도 1에는 이를 위한 디지털전치왜곡 시스템이 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 전치보상알고리즘연산부(120)는 전력 증폭기(Power Amplifier: PA)(110)의 입력신호와 출력신호를 비교한 후, 전치보상알고리즘을 이용하여 다항식 계수를 산출하고, 산출한 다항식 계수를 전치보상부(130)에 복사한다.
전치보상부(130)는 전력 증폭기(110)의 전단에 위치하여 전치보상알고리즘연산부(120)에 의해 산출된 다항식 계수를 이용하여 입력신호를 필터링하고, 필터링한 입력신호를 전력 증폭기(110)로 공급하여 전력 증폭기(110)의 비선형 특성을 개선한다.
즉, 전력 증폭기의 입력신호와 출력신호를 비교하여 에러를 최소화하는 LMS(Least Median Squares), RLS(Reweighted Least Squares) 등의 적응알고리즘을 적용하여 그 다항식 계수를 이용한 전치보상부를 구현할 수 있으나, 적응알고리즘은 반복적인 수행을 통하여 에러를 줄이므로 도 2에서 보는 바와 같이 수렴속도가 빠르지 못하거나 급격한 입력에 따라 수렴이 다를 수도 있다.
또한, 전력 증폭기의 선형화 방법으로 룩업테이블을 이용하여 전력 증폭기의 출력 왜곡 오차를 줄이기 위한 구현 방법이 있으나, 룩업 테이블의 크기에 따라 정확성이 좌우되어 룩업테이블의 크기가 충분히 커야 하고, 이는 많은 하드웨어 자원을 요구하며, 더군다나 전력 증폭기의 동작 중에 큰 용량의 룩업테이블의 갱신은 어렵다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 전력 증폭기의 특성을 파악하여 전력 증폭기가 동작하는 전체 영역에서 에러를 최소화하는 전력 증폭기의 선형화 방법 및 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 선형입력에 대하여 전력 증폭기의 출력을 Y=X의 형태로 만들고, 상기 Y=X의 형태를 구간별로 나누어서 일차함수로 근사화한 후, 각 구간별로 일차함수의 기울기와 Y절편을 구하여 입력신호 X에 대한 상기 전력 증폭기의 역함수를 출력하는 전력 증폭기 역모델부; 실제입력에 대하여 상기 전력 증폭기의 역함수를 이용하여 상기 전력 증폭기의 비선형성을 보상하는 간이전치보상부; 및 상기 간이전치보상부와 함께 전치보상알고리즘을 이용하여 상기 전력 증폭기의 비선형성을 보상하는 전치보상부를 포함하는 전력 증폭기의 선형화 장치를 제공한다.
본 발명은, 선형입력에 대하여 전력 증폭기의 출력을 Y=X의 형태로 만들고, 상기 Y=X의 형태를 구간별로 나누어서 일차함수로 근사화하는 단계; 각 구간별로 일차함수의 기울기와 Y절편을 계산하고, 상기 일차함수의 기울기와 Y절편을 이용하여 입력신호 X에 대한 상기 전력 증폭기의 역함수를 출력하는 단계; 실제입력에 대하여 상기 전력 증폭기의 역함수를 이용하여 상기 전력 증폭기의 비선형성을 보상 하는 단계; 및 상기 실제입력에 대하여 전치보상알고리즘을 이용하여 상기 전력 증폭기의 비선형성을 보상하는 단계를 포함하는 전력 증폭기의 선형화 방법을 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 간이전치보상부를 이용한 전력 증폭기의 선형화 방법 및 장치를 제공함으로써, 간단한 구조로 전력 증폭기의 선형성을 보장하면서 빠르게 수렴하도록 할 수 있고, 이에 따라 전력 증폭기의 변화에 따라 빠르게 대처할 수 있는 효과가 있다.
이하, 본 발명의 일실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 3은 본 발명에서 입력신호의 변화 및 확률밀도함수를 나타낸 그래프이다.
도 3을 참조하면, 일반적인 전력 증폭기의 입력은 시간 T1 이후에서와 같이 크기가 랜덤한 신호이고, 입력신호의 전영역에 대하여 가우시안 분포를 가지므로, 입력신호의 확률밀도함수(310)에 도시된 바와 같이, 전력 증폭기의 왜곡이 심한 작은 신호 및 큰 신호에 대한 확률은 낮다. 따라서, 전력 증폭기의 전체적인 특징을 나타낼 수 있는 트레이닝 신호가 필요하다.
이를 위해, 본 발명에서는 전력 증폭기 초기워밍업 시간(T1 시간) 동안 입력신호의 전영역에 대하여 선형입력을 가해 전력 증폭기의 대략적인 선형성을 보장하고, T1 시간 이후에는 실제 데이터를 이용하여 선형성을 미세 조정한다. 따라서, 전력 증폭기의 동작 중에 열 또는 다른 외부 환경에 의한 전력 증폭기의 특성변화에 쉽게 적응할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 전력 증폭기의 선형화의 구성을 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 전력 증폭기(Power Amplifier: PA)(410)의 선형화 장치는 전력 증폭기 역모델부(420), 간이전치보상부(430), 전치보상알고리즘연산부(440) 및 전치보상부(450) 등을 포함한다.
전력 증폭기 역모델부(420)는 선형입력에 대한 전력 증폭기(410)의 출력을 Y=X의 형태로 대칭되게 만들고, 상기 Y=X의 형태에서 구간별로 일차함수로 근사화하여 A(일차함수의 기울기)와 B(일차함수의 Y절편)를 구한다. 여기서, 각 구간별로 일차함수로 근사화하는 이유는 입력의 전영역에 대하여 고차다항함수로 근사화할 때보다 역함수를 구하기 쉽고, 이에 따라 연산 속도를 증대시킬 수 있으며, 하드웨어 자원을 줄일 수 있기 때문이다. 따라서, 각 입력에 대한 출력을 룩업테이블로 만드는 것보다 하드웨어 자원을 절약할 수 있다.
한편, 일차함수의 기울기와 Y절편을 알면 입력값에 대한 출력값을 알 수 있으므로, 전력 증폭기 역모델부(420)는 각 구간에 대한 A, B를 구하여 간이전치보상 부(430)를 업데이트하고, 이와 동시에 각 입력 구간 조건(예를 들면, 입력 구간의 개수 또는 크기)도 업데이트한다.
또한, 전력 증폭기 역모델부(420)는 T1 시간 이후의 실제 동작구간에서 전력 증폭기(410)의 에러 정도를 모니터링하고, 전력 증폭기(410)의 에러가 기설정된 기준치 이상인 경우, 일차함수의 기울기 및 Y절편을 포함하는 일차선형 정보를 업데이트한다.
간이전치보상부(430)는 전력 증폭기 역모델부(420)로부터 수신한 각 구간별 일차함수의 기울기와 Y절편을 저장하고, 실제입력에 대하여 저장된 일차함수의 기울기와 Y절편을 이용한 전력 증폭기(410)의 역함수를 적용하여 전력 증폭기(410)의 비선형성을 보상한다.
전치보상알고리즘연산부(440)는 전력 증폭기(Power Amplifier: PA)(410)의 입력신호와 출력신호를 비교한 후, 전치보상알고리즘을 이용하여 전력 증폭기(410)의 비선형성을 보상하기 위한 다항식 계수를 산출하고, 산출한 다항식 계수를 전치보상부(450)에 복사한다.
전치보상부(450)는 간이전치보상부(430)의 전단에 위치하여 전치보상알고리즘연산부(440)에 의해 산출된 다항식 계수를 이용하여 입력신호를 필터링하고, 필터링한 입력신호를 간이전치보상부(430)로 공급하여 간이전치보상부(430)와 함께 전력 증폭기(410)의 비선형 특성을 개선한다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 간이전치보상부의 구성을 나타낸 도면이 다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 간이전치보상부(430)는 선형화룩업부(510), 입력선택부(520) 및 선형입력생성부(530) 등을 포함한다.
선형화룩업부(510)는 전력 증폭기 역모델부(420)로부터 수신한 각 구간별 일차함수의 기울기와 Y절편을 저장하고, 실제입력에 대하여 저장된 일차함수의 기울기와 Y절편을 이용한 전력 증폭기(410)의 역함수를 적용하여 전력 증폭기(410)의 비선형성을 보상한다. 즉, 도 5에 도시된 바와 같이, 선형화룩업부(510)는 실제입력에 대해 실제입력의 각 구간(S1, S2, S3, S4)에 대응하는 각 구간별 일차함수의 기울기(A1, A2, A3, A4)와 Y절편(B1, B2, B3, B4)을 적용하고, 이에 따른 역함수(A*X+B)에 의해 전력 증폭기(410)의 비선형성을 보상한다.
입력선택부(520)는 전력 증폭기(410)의 에러 정도에 따라 실제입력 또는 선형입력을 선택적으로 출력한다. 자세하게는, 입력선택부(520)는 전력 증폭기 역모델부(420)의 판단에 의해 전력 증폭기(410)의 에러가 기설정된 기준치 미만인 경우, 실제입력을 출력하고, 전력 증폭기(410)의 에러가 기설정된 기준치 이상인 경우, 선형입력생성부(530)에서 생성된 선형입력을 출력한다.
도 6은 본 발명의 전력 증폭기 역모델부 및 간이전치보상부에 의한 전력 증폭기의 입력에 대한 출력 결과를 정규화된 값으로 나타낸 그래프이다.
도 6을 참조하면, 전력 증폭기(410)의 입력에 대한 출력은 바람직하게는 ④가 되어야 하나 실제 전력 증폭기(410)의 출력은 ①와 같이 비선형성을 나타낸다. ①의 입력을 받은 전력 증폭기 역모델부(420)는 입력에 대한 출력값을 반전시켜 ②와 같이 만든 후, 구간을 정하고 각 구간을 일차선형으로 근사화한다③.
도 6에서는 4개의 구간으로 정의하였고, 각 구간의 길이는 설계자의 의도에 따라 조정될 수 있으며, 각 구간이 작을수록 근사화는 잘 된다. 그러나, 해당 일차함수의 정보가 증가하여 필요한 하드웨어가 늘어날 수 있다. ③의 과정에서 얻은 기울기와 Y절편값을 이용하여 간이전치보상부(430)를 업데이트하고, 이를 이용한 입력에 대한 전력 증폭기(410)의 출력을 ⑤에서 나타내고 있다.
도 6에서 ⑤와 ④의 관계가 전력 증폭기(410)의 비선형성을 나타내고 있으며, 일차선형 근사화의 구간 정도에 따라 오차는 달라질 수 있다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 일실시예에 따른 전력 증폭기의 선형화 장치의 동작 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 7a에 도시된 바와 같이, 초기에 전력 증폭기(410)의 특성을 파악하기 위하여 입력선택부(520)가 선형입력생성부(530)에서 발생하는 선형입력에 대하여 전력 증폭기(410)가 동작할 수 있도록 전력 증폭기(410)의 역함수를 구하고, 이 역함수를 이용하여 전력 증폭기(410)의 비선형성을 보상하는 간이전치보상부(430)를 구성한다(S710).
도 7b에 도시된 바와 같이, 간이전치보상부(430)에 의해 전력 증폭기(410)의 비선형성이 크게 보정된 후에, 실제 데이터에 대해 전치보상알고리즘을 이용하여 전력 증폭기(410)의 비선형성을 미세 보정한다(S720). 여기서, 전력 증폭기(410)의 미세 보정 단계에서는 종래보다 더 빠른 수렴 효과를 얻을 수 있다.
또한, 전력 증폭기 역모델부(420)는 전력 증폭기(410)의 일반 동작 중에 구간별 일차선형과 데이터의 에러를 모니터링하고, 전력 증폭기(410)의 특성 변화로 인한 에러 증가에 대하여 일차함수의 기울기와 Y절편을 포함하는 일차선형 정보를 간이전치보상부(430)의 선형화룩업부(510)에 업데이트시킬 수 있다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 전력 증폭기의 선형화 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 8을 참조하면, 전력 증폭기 역모델부(420)는 선형입력에 대하여 전력 증폭기(410)의 출력을 Y=X의 형태로 만들고, Y=X의 형태를 구간별로 나누어서 일차함수로 근사화한다(S810). 이때, 왜곡이 심한 곳을 세밀하게 나누어 선형성을 증가시킬 수 있으나, 해당되는 일차함수에 대한 정보가 많아지므로, 하드웨어 자원이 허락하는 범위 내에서 구간의 개수는 유연하게 조정할 수 있다.
전력 증폭기 역모델부(420)는 각 구간별로 일차함수의 기울기와 Y절편을 계산하고, 일차함수의 기울기와 Y절편을 이용하여 입력신호 X에 대한 전력 증폭기(410)의 역함수를 출력한다(S820).
간이전치보상부(430)는 각 구간별로 일차함수의 기울기와 Y절편을 저장하고(S830), 실제입력에 대하여 저장된 일차함수의 기울기와 Y절편을 이용한 전력 증폭기(410)의 역함수를 적용하여 전력 증폭기(410)의 비선형성을 보상한다(S840).
이어서, 전치보상부(450)는 실제입력에 대하여 전치보상알고리즘을 이용하여 전력 증폭기(410)의 비선형성을 보상한다(S850). 즉, 전치보상부(450)는 간이전치보상부(430)의 전단에 위치하여 전치보상알고리즘연산부(440)에 의해 산출된 다항식 계수를 이용하여 입력신호를 필터링하고, 필터링한 입력신호를 간이전치보상부(430)로 공급하여 간이전치보상부(430)와 함께 전력 증폭기(410)의 비선형 특성을 개선한다.
그리고, 전력 증폭기 역모델부(420)는 전력 증폭기(410)의 에러 정도를 파악하여 전력 증폭기(410)의 에러가 기설정된 기준치 이상인지 여부를 판단하고(S860), 전력 증폭기(410)의 에러가 기설정된 기준치 이상인 경우, 각 구간의 크기 또는 개수를 변경하여 각 구간별 일차함수의 기울기와 Y절편을 다시 계산한다(S870).
전력 증폭기 역모델부(420)는 간이전치보상부(430)에 저장된 일차함수의 기울기와 Y절편을 업데이트한다(S880).
전력 증폭기(410)의 에러가 기설정된 기준치 미만인 경우, 단계 S840으로 돌아가서 실제입력에 대하여 기존에 저장된 일차함수의 기울기와 Y절편을 이용한 전력 증폭기(410)의 역함수를 적용하여 전력 증폭기(410)의 비선형성을 보상한다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아 니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 디지털전치왜곡 시스템을 나타낸 도면,
도 2는 종래의 적응알고리즘을 이용한 디지털전치왜곡 시스템에서 샘플 입력에 따른 오차 수렴 모습을 나타낸 그래프,
도 3은 본 발명에서 입력신호의 변화 및 확률밀도함수를 나타낸 그래프,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 전력 증폭기의 선형화의 구성을 나타낸 도면,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 간이전치보상부의 구성을 나타낸 도면,
도 6은 본 발명의 전력 증폭기 역모델부 및 간이전치보상부에 의한 전력 증폭기의 입력에 대한 출력 결과를 정규화된 값으로 나타낸 그래프,
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 일실시예에 따른 전력 증폭기의 선형화 장치의 동작 과정을 설명하기 위한 도면,
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 전력 증폭기의 선형화 방법을 나타낸 흐름도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
410: 전력 증폭기 420: 전력 증폭기 역모델부
430: 간이전치보상부 440: 전치보상알고리즘연산부
450: 전치보상부 510: 선형화룩업부
520: 입력선택부 530: 선형입력생성부

Claims (6)

  1. 선형입력에 대하여 전력 증폭기의 출력을 Y=X의 형태로 만들고, 상기 Y=X의 형태를 구간별로 나누어서 일차함수로 근사화한 후, 각 구간별로 일차함수의 기울기와 Y절편을 구하여 입력신호 X에 대한 상기 전력 증폭기의 역함수를 출력하는 전력 증폭기 역모델부;
    실제입력에 대하여 상기 전력 증폭기의 역함수를 이용하여 상기 전력 증폭기의 비선형성을 보상하는 간이전치보상부; 및
    상기 간이전치보상부와 함께 전치보상알고리즘을 이용하여 상기 전력 증폭기의 비선형성을 보상하는 전치보상부;
    를 포함하는 전력 증폭기의 선형화 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 간이전치보상부는,
    각 구간별로 상기 일차함수의 기울기와 Y절편을 저장하고, 상기 실제입력에 대하여 저장된 일차함수의 기울기와 Y절편을 이용한 상기 전력 증폭기의 역함수를 적용하여 상기 전력 증폭기의 비선형성을 보상하는 선형화룩업부;
    상기 선형입력을 생성하는 선형입력생성부; 및
    상기 전력 증폭기의 에러 정도에 따라 상기 실제입력 또는 상기 선형입력을 선택적으로 출력하는 입력선택부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기의 선형화 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전력 증폭기의 에러가 기설정된 기준치 이상인 경우, 상기 전력 증폭기 역모델부는 각 구간의 크기 또는 개수를 변경하여 각 구간별 일차함수의 기울기와 Y절편을 다시 계산하고, 상기 선형화룩업부에 저장된 일차함수의 기울기와 Y절편을 업데이트하는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기의 선형화 장치.
  4. 선형입력에 대하여 전력 증폭기의 출력을 Y=X의 형태로 만들고, 상기 Y=X의 형태를 구간별로 나누어서 일차함수로 근사화하는 단계;
    각 구간별로 일차함수의 기울기와 Y절편을 계산하고, 상기 일차함수의 기울기와 Y절편을 이용하여 입력신호 X에 대한 상기 전력 증폭기의 역함수를 출력하는 단계;
    실제입력에 대하여 상기 전력 증폭기의 역함수를 이용하여 상기 전력 증폭기의 비선형성을 보상하는 단계; 및
    상기 실제입력에 대하여 전치보상알고리즘을 이용하여 상기 전력 증폭기의 비선형성을 보상하는 단계;
    를 포함하는 전력 증폭기의 선형화 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 전력 증폭기의 역함수를 이용하여 상기 전력 증폭기의 비선형성을 보상하는 단계는,
    각 구간별로 상기 일차함수의 기울기와 Y절편을 저장하는 단계; 및
    상기 실제입력에 대하여 저장된 일차함수의 기울기와 Y절편을 이용한 상기 전력 증폭기의 역함수를 적용하여 상기 전력 증폭기의 비선형성을 보상하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기의 선형화 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 전력 증폭기의 선형화 방법은,
    상기 전력 증폭기의 에러 정도를 파악하여 상기 전력 증폭기의 에러가 기설정된 기준치 이상인 경우, 각 구간의 크기 또는 개수를 변경하여 각 구간별 일차함수의 기울기와 Y절편을 다시 계산하는 단계; 및
    상기 저장된 일차함수의 기울기와 Y절편을 업데이트하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 증폭기의 선형화 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20160016666A (ko) * 2014-08-01 2016-02-15 인피니언 테크놀로지스 아게 세그먼트적 구분적 다항식 근사에 기초하는 디지털 전치 왜곡 및 후치 왜곡

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