KR20140076144A - 왜곡 보상 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 왜곡 보상 장치에 관한 것으로, OFDM 심볼의 보호 대역에 단일 톤 신호를 삽입한 후, 전력증폭기의 특성 곡선을 추출함으로써 전력증폭기에 대한 목표 이득의 설정 값과 무관하게 선형화 성능을 일정하게 유지시킬 수 있는 기술이다.

Description

왜곡 보상 장치{DISTORTION COMPENSATION APPARATUS}

본 발명은 왜곡 보상 장치에 관한 것이다. 보다 자세하게는, 무선 통신 기반 비선형 장치의 비선형 특성을 보상할 수 있는 왜곡 보상 장치에 관한 것이다.

무선 통신 시스템에서 송신 단은 무선 채널에서의 감쇄를 고려하여 송신 신호가 수신 단에 도달할 수 있도록 송신 신호의 전력을 증폭시켜 전송한다. 송신 신호의 전력을 증폭시키는 전력 증폭기는 입력 신호와 출력 신호 간에 선형적인 관계를 유지해야 증폭 효율을 높일 수 있다.

그러나, 일반적인 전력 증폭기는 비선형(Nonlinearity) 특성을 가진다. 이러한 비선형 특성은 채널 간 간섭 및 혼 변조 등과 같은 비선형 왜곡을 발생시켜 송신 신호의 품질을 저하시킨다. 이를 해결하기 위해 많은 기술이 개발되고 있으나, 전력 증폭기 자체로 비선형 왜곡을 제거하는 것은 한계가 있다. 이로 인해, 전력 증폭기와 비선형 장치를 결합하여 비선형 왜곡을 제거하는 방법이 개발되고 있다. 그 중에 하나의 방법으로 전력 증폭기의 역함수에 해당하는 특성을 가진 선왜곡기(Pre-Distorter)를 이용하여 입력 신호를 미리 왜곡시킴으로써 전력 증폭기의 출력이 선형적인 특성을 얻을 수 있는 방법이 있다.

본 발명은 전력증폭기에 대한 목표 이득의 설정 값과 무관하게 선형화 성능을 일정하게 유지시킬 수 있는 왜곡 보상 장치를 제공한다.

상술한 본 발명은 왜곡 보상 장치로서, 입력 데이터를 직교 주파수 분할 변조하여 변조신호를 출력하는 OFDM 변조부, 및 상기 변조 신호를 라디오 주파수 대역의 신호로 변환하고, 전력증폭기를 통해 미리 설정된 목표 이득으로 증폭하여 송신하는 RF 송신부를 포함하고, 상기 RF 송신부는 상기 변조 신호의 보호 대역에 단일 톤 신호를 삽입하여 상기 전력증폭기의 특성 곡선을 추출하고, 상기 추출된 특성 곡선을 이용하여 상기 전력증폭기의 비선형 특성을 보상하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 왜곡 보상 장치에 관한 것으로, OFDM 심볼의 보호 대역에 단일 톤 신호를 삽입한 후, 전력증폭기의 특성 곡선을 추출함으로써 전력증폭기에 대한 목표 이득의 설정 값과 무관하게 선형화 성능을 일정하게 유지시킬 수 있는 효과가 달성된다.

도 1은 왜곡 보상 장치의 기본 개념을 설명하기 위해 도시한 도면.
도 2는 무선 통신에서 출력 신호에 대한 주파수별 파워 스펙트럼 밀도를 나타낸 그래프.
도 3a 및 도 3b는 왜곡 보상 장치의 다른 예를 설명하기 위한 개념도.
도 4는 디지털 왜곡 보상 장치를 설명하기 위한 개념도.
도 5 및 도 6은 도 4에 도시된 선왜곡기(32)의 동작 원리를 설명하기 위해 도시한 도면.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 무선 통신 시스템을 설명하기 위한 도면.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 송신기(100)를 도시한 상세 블록도.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 변조 신호의 주파수 스펙트럼을 도시한 도면.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 전력증폭기의 특성 곡선을 도시한 도면.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 왜곡 보상 장치의 기본 개념을 설명하기 위해 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 왜곡 보상 장치는 선왜곡기(12)의 전달 특성 곡선(a)을 전력증폭기(Power Amplifier; PA)(14)의 전달 특성 곡선(b)과 역함수 관계를 갖도록 설정한다. 따라서, 전력증폭기(14)의 출력신호(Sout)가 보상되어 (c)와 같이 선형으로 출력된다.

도 2는 무선 통신에서 출력 신호에 대한 주파수별 파워 스펙트럼 밀도를 나타낸 그래프이다.

도 2를 참조하면, 무선 통신에서는 특정 구간의 주파수 대역(f1)의 신호만이 출력되어야 하나, 실제로는 사이드 로브(side lobe)가 발생한다. 사이드 로브는 전력증폭기(14)만 사용한 경우(A)보다 선왜곡기(12)를 적용한 경우(B)가 적게 나타난다. (C)는 이상적인 형태의 사이드 로브를 나타낸다. 이러한 사이드 로브가 최소화될수록 송신 신호의 에러 확률을 감소시킬 수 있다.

도 3a 및 도 3b는 왜곡 보상 장치의 다른 예를 설명하기 위한 개념도이다. 여기서, 도 3a는 직접 제어 방식을 나타내고, 도 3b는 간접 제어 방식을 나타낸다.

도 3a를 참조하면, 선왜곡기(22)는 전력증폭기(24)의 비선형 전달 특성 함수의 역함수를 전달 특성 함수로 가진다. 따라서, 전력증폭기(24)는 자신의 전달 특성 함수의 역함수를 가진 선왜곡기(22)와 결합하여 선형적인 특성을 가지게 된다.

왜곡 정보 추출기(28)는 입력신호(Sin)와 피드백부(26)를 통해 이득이 조절된 전력증폭기(24)의 출력신호(Sout)를 이용하여 전력증폭기(24)의 왜곡 정보를 추출한다. 추출된 왜곡 정보는 선왜곡기(22)에 전달되어 선왜곡기(22)의 전달 특성 함수가 보정된다.

여기서, 일반적으로 왜곡 정보 추출기(28)는 다항식 모델을 정한 후, 전력증폭기(24)의 전달특성(또는 역 전달특성) 곡선에 가장 유사한 왜곡 정보를 추출한다. 다항식 모델은 볼테라 시리즈, 테일러 시리즈, 일반 다항식 모델, 메모리 다항식 모델, 위너(wiener) 모델, 해머스테인(Hammerstein) 모델 등을 적용할 수 있다. 한편, 이러한 다항식 모델은 룩업 테이블(Lookup Table)로 대체되어 구현될 수 있다. 그리고, 왜곡 정보를 추출하기 위한 알고리즘으로는 일반적으로 곡선 맞춤(curve fitting) 알고리즘이 있다. 여기서, 곡선 맞춤 알고리즘은 RLS(Recursive Least Square) 알고리즘, LMS(Least Mean Square) 알고리즘, 신경 회로망(Neural Network) 등과 같은 적응형 알고리즘이다.

도 3b를 참조하면, 왜곡 정보 추출기(28)가 선왜곡기(22)를 통해 왜곡된 입력신호와 피드백부(26)를 통해 이득이 조절된 전력증폭기(24)의 출력신호(Sout)를 이용하여 왜곡 정보를 추출하는 점이 직접 제어 방식과 다르다. 즉, 간접 제어 방식의 왜곡 정보 추출기(28)는 선왜곡기(22)의 전달 특성과 전력증폭기(24)의 전달 특성을 판단하여 선왜곡기(22)의 전달 특성을 보정한다.

이와 같이, 왜곡 정보 추출기(28)를 이용하여 전력증폭기(24)의 왜곡 정보를 정확하게 추출하여 선왜곡기(12)의 전달 특성 함수를 보정함으로써 전력증폭기(24)의 선형화 성능이 향상될 수 있다.

도 4는 디지털 왜곡 보상 장치를 설명하기 위한 개념도이다.

도 4를 참조하면, 선왜곡기(32)는 디지털 입력 신호를 전력증폭기(38)의 왜곡 정보에 따라 미리 왜곡시켜 출력한다. 선왜곡기(32)는 디지털 입력 신호를 처리하므로, 선왜곡기(32)의 출력 신호는 디지털 아날로그 컨버터(DAC; Digital Analog Converter)(34) 및 아날로그 RF 회로(36)를 거쳐 전력증폭기(38)에 입력된다. 선왜곡기(32)의 왜곡 정보는 왜곡 정보 추출기(40)로부터 추출된 왜곡 정보로 갱신된다.

왜곡 정보 추출기(40)는 선왜곡기(32)의 출력과 전력증폭기(38)의 출력신호가 피드백된 신호를 비교하여 왜곡 정보를 추출한다. 여기서, 전력증폭기(38)의 출력신호는 아날로그 RF 회로(44) 및 아날로그 디지털 컨버터(ADC; Analog Digital Converter)(42)를 거쳐 왜곡 정보 추출기(40)로 전달된다.

도 5 및 도 6은 도 4에 도시된 선왜곡기(32)의 동작 원리를 설명하기 위해 도시한 도면이다.

도 5를 참조하면, 선왜곡기(32)의 특성 곡선(C2)은 전력증폭기(38)의 특성 곡선 함수와 역함수의 관계를 가진다. 즉, 입력 신호와 출력 신호 간의 목표 이득 직선(L1)을 기준으로 전력증폭기(38)의 특성 곡선(C1)과 선왜곡기(32)의 특성 곡선(C2)은 서로 대칭을 이룬다. 이 경우 점 A에서 A1 및 A2까지의 거리가 d1으로 동일하다.

그런데, 전력증폭기(38)의 입력 신호와 출력 신호 간의 목표 이득은 다양하게 설정된다. 예컨대, 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이, 최대 이득은 평균 이득에 대한 직선(L11)의 기울기보다 큰 기울기를 갖는 직선(L12)에 의해 설정될 수 있고, 포화 이득은 평균 이득에 대한 직선(L11)의 기울기보다 작은 기울기를 갖는 직선(L13)에 의해 설정될 수 있다. 포화 이득은 평균 이득이나 최대 이득에 비해 출력 신호의 이득이 작지만, 선왜곡기의 안정도가 상대적으로 높다. 반면, 평균 이득이나 최대 이득은 포화 이득에 비해 출력 신호의 이득이 크지만, 입력 신호에 대한 분해능(resolution)이 상대적으로 낮다.

그런데, 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이, 목표 이득이 포화 이득이 아닌 평균 이득이나 최대 이득으로 설정되어 전력증폭기(38)의 특성 곡선이 C11과 같고, 선왜곡기(32)의 특성 곡선이 C12와 같은 경우 입력 신호의 진폭 범위(A2)가 포화 이득으로 설정되었을 때의 진폭 범위(A1) 보다 줄어든다. 따라서, 입력 신호의 진폭이 A3 범위 내에 해당하는 경우, 예컨대 점 C에서 전력증폭기(38)의 특성 곡선(C11)이 파악되지 않아 선왜곡기(32)의 특성 곡선(C12)을 검출할 수 없다. 이 경우 선왜곡기(32)의 선형화 성능이 낮게 평가되고, 곡선 맞춤(curve fitting) 알고리즘의 적용이 어렵다.

도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 무선 통신 시스템을 설명하기 위한 도면이다.

도 7을 참조하면, 본 발명의 실시 예는 직교 주파수 분할 다중화(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, 이하 OFDM라 함) 방식의 무선 통신 시스템을 예를 들어 설명한다. 여기서, OFDM 변조 방식은 입력 신호를 상호 직교성을 갖는 다수의 부반송파로 나누어 병렬로 전송하는 방식이다.

이를 위해, 본 발명의 실시 예에 따른 무선 통신 시스템은 송신기(100) 및 수신기(200)를 포함한다. 송신기(100)는 적어도 하나의 채널을 통해 입력된 입력 데이터를 OFDM 방식에 따라 디지털 변조하여 라디오 주파수 신호(RF)를 생성하고, 생성된 라디오 주파수 신호(RF)를 증폭하여 안테나를 통해 공중으로 송신한다. 송신기(100)는 입력 데이터를 복수의 부반송파에 매핑하고, 매핑 결과에 따라 역 푸리에 변환(IFFF; Inverse Fast Fourier Transform) 처리된 OFDM 심볼을 생성한다. 그리고, OFDM 심볼을 라디오 주파수 대역의 신호(RF)로 변환하여 안테나를 통해 송신한다. 여기서, 본 발명의 실시 예에 따른 송신기(100)는 OFDM 심볼에 보호 대역을 추가하고, 보호 대역에 단일 톤 신호를 삽입하여 증폭된 라디오 주파수 신호(RF)를 송신하는 것이 바람직하다.

수신기(200)는 입력된 라디오 주파수 대역의 신호(RF)를 베이스밴드 신호로 변환한 후, 고속 푸리에 변환(FFF; Fast Fourier Transform) 처리하여 OFDM 심볼에 대응하는 데이터로 복원한다. 여기서, 본 발명의 실시 예에 따른 수신기(200)는 고속 푸리에 변환을 한 후, OFDM 심볼의 보호 대역에 포함된 단일의 톤 신호를 폐기하는 것이 바람직하다. 이에 따라, OFDM 심볼에 대응하는 데이터 복원시 단일의 톤 신호에 의한 영향을 받지 않는다.

도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 송신기(100)를 도시한 상세 블록도이고, 도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 변조 신호의 주파수 스펙트럼을 도시한 도면이며, 도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 전력증폭기의 특성 곡선을 도시한 도면이다.

도 8을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 송신기(100)는 OFDM 변조부(110) 및 RF 송신부(120)를 포함한다. OFDM 변조부(110)는 IFFF 연산을 통해 OFDM 심볼을 구성하고, OFDM 심볼은 복수의 부반송파에 의해 변조되어 출력된다. RF 송신부(120)는 OFDM 변조부(110)로부터 출력된 변조 신호를 라디오 주파수 대역의 신호로 변환한 후, 미리 설정된 목표 이득으로 증폭하여 송신한다. 여기서, RF 송신부(120)는 OFDM 심볼의 보호 대역에 단일 톤 신호를 삽입하여 전력증폭기(1215)의 특성 곡선을 추출하고, 추출된 특성 곡선을 이용하여 전력증폭기(1215)의 왜곡을 보상한다.

이를 위해, 본 발명의 실시 예에 따른 RF 송신부(120)는 보상부(1201), 디지털 선왜곡기(1203), 디지털 아날로그 컨버터(DAC)(1205), 아날로그 RF 회로(1207, 1209), 아날로그 디지털 컨버터(ADC)(1211), 왜곡 정보 추출기(1213) 및 전력증폭기(1215)를 포함한다. 보상부(1201)는 단일 톤 신호(TS)를 생성하여 OFDM 심볼의 보호 대역(GB)에 삽입한다. 예컨대, 도 9에 도시된 바와 같이, 보상부(1201)는 20MHz 대역 내에서 복수의 부반송파(SC)로 구성된 OFDM 심볼의 보호 대역(GB)에 단일 톤 신호(TS)를 삽입할 수 있다.

여기서, 본 발명의 실시 예에 따른 단일 톤 신호(TS)의 레벨 및 주파수는 전력증폭기(1215)의 목표 이득과 특성 곡선에 따라 제어될 수 있다. 예컨대, 전력증폭기(1215)의 목표 이득이 평균 이득이나 최대 이득으로 설정되어 전력증폭기(1215)의 특성 곡선이 파악되지 않는 구간(도 6(b)의 A3구간)이 존재하는 경우 단일 톤 신호(TS)는 해당 구간이 제거될 수 있는 레벨을 갖는 것이 바람직하다. 즉, 도 10에 도시된 바와 같이, 단일 톤 신호(TS)에 의해 전력증폭기(1215)로 입력되는 신호 범위가 A4만큼 증가되어 전력증폭기(1215)의 목표 이득이 포화 이득이 아닌 평균 이득이나 최대 이득으로 설정된 경우에도 해당 구간에서의 특성 곡선을 파악할 수 있다.

디지털 선왜곡기(1203)는 전력증폭기(1215)의 왜곡 정보에 따라 변조 신호를 미리 왜곡시켜 출력한다. 디지털 선왜곡기(1203)는 전력증폭기(1215)의 특성 곡선과 역함수 관계를 갖는 특성 곡선을 이용하여 변조 신호를 미리 왜곡시킨다. 여기서, 왜곡 정보는 왜곡 정보 추출기(1213)로부터 추출된 왜곡 정보로 갱신된다.

디지털 아날로그 컨버터(1205)는 디지털 선왜곡기(1203)의 출력을 아날로그 변환하고, 아날로그 RF 회로(1207)는 아날로그 신호를 라디오 주파수 대역의 신호로 변환하여 전력증폭기(1215)에 입력한다. 아날로그 RF 회로(1207)는 전력증폭기(1215)의 출력의 이득을 조절하고, 베이스밴드 신호로 변환하여 출력한다. 아날로그 디지털 컨버터(1211)는 아날로그 RF 회로(1207)의 출력을 디지털 신호로 변환한다.

왜곡 정보 추출기(1213)는 디지털 선왜곡기(1203)의 출력 및 디지털 신호를 비교하여 전력증폭기(1215)의 왜곡 정보를 추출한다. 여기서, 왜곡 정보 추출기(1213)는 전력증폭기(1215)의 왜곡 정보를 추출하는 시간 동안 단일 톤 신호(TS)가 OFDM 심볼의 보호 대역에 삽입되도록 보상부(1201)를 제어할 수 있다. 즉, 왜곡 정보 추출기(1213)가 전력증폭기(1215)의 왜곡 정보를 미리 정해진 시간 간격으로 추출하는 경우, 왜곡 정보를 추출하지 않는 시간 동안에는 단일 톤 신호(TS)를 삽입하지 않고, 왜곡 정보를 추출하는 시간 동안에만 단일 톤 신호(TS)를 삽입함으로써 불필요한 전력 소모를 방지한다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 왜곡 보상 장치는, OFDM 심볼의 보호 대역에 단일 톤 신호를 삽입한 후, 전력증폭기의 특성 곡선을 추출함으로써 전력증폭기에 대한 목표 이득의 설정 값과 무관하게 선형화 성능을 일정하게 유지시킬 수 있다.

이상에서 본 발명이 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명이 상기 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형을 꾀할 수 있다.

따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등하게 또는 등가적으로 변형된 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

100: 송신기
200: 수신기

Claims (1)

1. 입력 데이터를 직교 주파수 분할 변조하여 변조신호를 출력하는 OFDM 변조부; 및
   상기 변조 신호를 라디오 주파수 대역의 신호로 변환하고, 전력증폭기를 통해 미리 설정된 목표 이득으로 증폭하여 송신하는 RF 송신부를 포함하고,
   상기 RF 송신부는 상기 변조 신호의 보호 대역에 단일 톤 신호를 삽입하여 상기 전력증폭기의 특성 곡선을 추출하고, 상기 추출된 특성 곡선을 이용하여 상기 전력증폭기의 비선형 특성을 보상하는 것을 특징으로 하는 왜곡 보상 장치.
   

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