KR20150136869A

KR20150136869A - 무선 통신 시스템에서 전력 증폭부의 노이즈를 제거하기 위한 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20150136869A
Application number: KR1020140064498A
Authority: KR
Inventors: 임형선; 이승철; 조병학; 백지선; 양준석; 정준희
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2014-05-28
Filing date: 2014-05-28
Publication date: 2015-12-08
Also published as: KR102169671B1; US9590665B2; WO2015182962A1; US20150349816A1

Abstract

무선 통신 시스템의 송신 장치에 관한 것으로서, 포락선 신호를 검출하는 기저대역 신호 처리부와, 상기 포락선 신호를 이용하여 전력 증폭부에 전원을 공급하는 전원 변조부와, 상기 전원 변조부로부터 전압을 공급받고 송신 신호의 전력을 증폭하는 전력 증폭부를 포함하고, 상기 전원 변조부는 스위칭 노이즈와 반대 위상의 신호를 생성하고, 상기 반대 위상의 신호 및 상기 스위칭 노이즈를 합산하는 것을 특징으로 한다. 본 발명을 통하여 무선 통신 시스템의 증폭 장치에서 낮은 스위칭 노이즈를 구현하고, 포락선 추적 전력증폭부 기술에서 전원변조부의 노이즈에 의한 감도 열화 현상을 막을 수 있는 효과가 있다.

Description

무선 통신 시스템에서 전력 증폭부의 노이즈를 제거하기 위한 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR REMOVING NOISE OF POWER AMPLIFIER IN MOBILE COMMUNICATION SYSTEM}

본 발명은 송신 장치의 전력 증폭부를 통해 전력 효율을 높이기 위한 것으로서, 전력 증폭부의 출력 노이즈를 줄이기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

데이터 전송 위주의 무선 통신 서비스가 추세가 되면서, 송수신 장치는 높은 PAPR(Peak to Average Power Ratio), 광대역 데이터 등을 고효율 및 높은 선형성을 유지하며 처리해야 한다. 또한 FDD(Frequency Division Duplex)시스템은 송신과 동시에 수신을 하기 때문에 수신 주파수 밴드에서 전력 증폭부의 노이즈(Noise)가 유입되어 수신 감도를 떨어뜨릴 수 있으므로, 수신 대역에서 전력 증폭부의 낮은 출력 노이즈(RX Band Noise)가 요구된다. 이를 위해 현재의 상용 전력 증폭부(예를 들어, 단일 증폭부 또는 멀티모드 멀티밴드 증폭부)는 고정된 전원을 이용하여 충분한 백 오프(Back-Off)를 통하여 선형성을 확보한다. 현재의 상용 전력 증폭부는 백 오프 영역에서 동작한다. 따라서, 충분이 낮은 전압 변동에 대한 이득(이하 VcctoRF 이득이라 한다.), 또는 높은 PSRR(Power Supply Rejection Ratio)으로 인해 전원 노이즈가 전력 증폭부의 출력에 영향을 주지 않는다.

그러나 고정된 전원을 이용하는 기존 기술은 백 오프 영역에서 동작하고, 출력 신호가 작을 때도 높은 전원 전압이 인가되어 열로 방출되므로, 효율을 높이는데 한계가 있다. 이를 해결하기 위한 기술의 하나가 포락선 추적 전력 증폭부이다. 포락선 추적 전력 증폭 기술은 출력 전력에 따라 공급 전압을 변화시켜 전력 증폭부를 동작시키는데 궁극적으로 전력 손실이 줄어드는 효과를 가져와 높은 효율을 얻는 기술이다.

도 1은 포락선 추적 전력 증폭부 구조의 예를 도시한다. 상기 도 1을 참조하면 포락선 추적 전력 증폭부는 기저대역 신호 처리부(110), 전원 변조부(120), RF 처리부(130), 전력 증폭부(140)를 포함한다. 상기 기저대역 신호 처리부(110)는 IQ 데이터를 생성하고, RF 주파수로 상향 변환시켜 출력한다. 상기 전원 변조부(120)는 상기 기저대역 신호 처리부(110)에서 신호를 입력받아 입력 포락선과 동일한 포락선을 출력한다. 상기 RF 처리부(130)는 상기 기저대역 신호 처리부(110)로부터 제공받은 상기 IQ 데이터를 고주파 신호로 변환하여 상기 전력 증폭부(140)의 입력 신호로 제공한다. 상기 전력 증폭부(140)는 상기 전원 변조부(120)로부터 제공받은 공급 전압을 이용하여 RF 처리부(130)로부터 제공받은 입력 신호를 증폭하여 출력한다.

포락선 추적 전력 증폭부는 입력에 인가되는 신호의 포락선 성분을 분리한 후, 상기 성분을 추적하면서 증폭부 공급 전압을 변화시킨다. 따라서 상기 포락선 전력 증폭부는 일정한 공급 전압이 인가되는 일반 전력 증폭부보다 매 순간 포화영역에서 증폭부가 동작하므로 높은 효율의 동작을 가능하게 한다.

포락선에 맞추어 전력 증폭부에 전원을 공급하는 장치가 전원 변조부(SM: Supply Modulator)이다. 포락선 추적 전력 증폭부 기술은 효율을 높이기 위해 증폭부가 포화 영역에서 동작하므로, 전력 증폭부의 VcctoRF 이득 특성은 기존 고정된 전압 대비 증가한다. 즉 포락선 추적 전력 증폭부는 전력 증폭부 자체의 노이즈 뿐만 아니라, 전원 변조부의 노이즈가 출력에 영향을 미친다는 문제가 있다.

본 발명의 일 실시 예는 송신 장치에서 전력 증폭부의 효율을 높이기 위한 장치 및 방법을 제공한다.

본 발명의 다른 실시 예는 송신 장치에서 노이즈를 제거하기 위한 장치 및 방법을 제공한다.

본 발명의 또 다른 실시 예는 낮은 노이즈 레벨을 갖는 전원 변조부를 위한 장치 및 방법을 제공한다.

본 발명의 또 다른 실시 예는 사용되는 주파수 밴드에 따라 수신 대역의 노이즈를 선택적으로 제거하는 장치 및 방법을 제공한다.

본 발명의 실시 예에 따른 무선 통신 시스템에서 송신 장치는, 포락선 신호를 검출하는 기저대역 신호 처리부와, 포락선 신호를 이용하여, 전력 증폭부에 공급할 전원을 생산하는 전원 변조부와, 전원 변조부로부터 전압을 공급받고, 송신 신호의 전력을 증폭하는 전력 증폭부를 포함하고, 전원 변조부는, 스위칭 증폭 시 발생하는 스위칭 노이즈에 대응하는 보상 신호를 생성하고, 상기 보상 신호와 상기 스위칭 노이즈를 합산하는 것을 특징으로 한다.본 발명의 실시 예에 따른 무선 통신 시스템에서 송신 방법은, 송신 신호의 포락선 신호를 검출하는 과정과, 포락선 신호를 이용하여, 송신 신호의 전력 증폭시 필요한 전원을 생산하는 과정과, 전원에 따라 상기 송신 신호의 전력을 증폭하는 과정을 포함하고, 전원을 생산하는 과정은, 스위칭 증폭 시 발생하는 스위칭 노이즈에 대응하는 보상 신호를 생성하는 과정과, 상기 보상 신호와 상기 스위칭 노이즈를 합산하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 제안한 노이즈 제거 회로를 통하여 기생 캐패시터 성분과 동위상 또는 역위상의 추가적인 캐패시터를 이용해 특정 주파수 대역의 노이즈를 효과적으로 제거함으로써 출력에 매우 낮은 스위칭 노이즈를 구현하고, 포락선 추적 전력 증폭부 기술에서 전원 변조부의 노이즈에 의한 감도 열화 현상을 막을 수 있는 효과를 갖을 수 있다. 또한 다수의 인덕터(Inductor)가 아닌 한 개의 인덕터를 사용하여 면적을 줄이고 또한 가격도 절감할 수 있다.

도 1은 포락선 추적 전력 증폭부 구조의 예를 도시한다.
도 2는 고정 전압 증폭부와 포락선 증폭부의 출력 전력에 따른 효율의 예를 도시한다.
도 3은 고정 전압 증폭부와 포락선 증폭부의 출력 전력에 따른 VcctoRF 이득의 예를 도시한다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 전원 변조부를 이용한 포락선 추적 전력 증폭부 구조의 예를 도시한다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 노이즈 상쇄 회로를 포함한 전원 변조부의 예를 도시한다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 노이즈 상쇄 회로 및 제어 가능한 위상 조절부 및 캐패시턴스(Capacitance) 보상부를 포함한 전원 변조부의 예를 도시한다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 송신 장치의 신호 증폭을 위한 절차의 예를 도시한다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 주파수 특성 모의실험을 위한 모델링(Modeling)의 예를 도시한다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 주파수 특성 모의실험의 결과를 도시한다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 스위칭 노이즈가 제거된 출력 전압 파형 모의실험의 결과를 도시한다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 스위칭 노이즈가 제거된 출력 노이즈 PSD(Power Spectrum Density) 모의실험의 결과를 도시한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 동작 원리를 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

이하 본 발명은 송신 장치에서 노이즈(noise) 제거를 위한 기술에 대해 설명한다.

전원 변조부가 갖추어야 할 특성은 높은 효율과, 광대역 포락선 신호를 왜곡 없이 낮은 노이즈 레벨로 전력 증폭부에 인가하는 것이다. 이 두 가지 요구 조건을 만족하기 위한 기술로 HSA(Hybrid Switching Amplifier) 구조를 갖는 전원 변조부가 활발하게 연구되고 있다. 일반적인 이동통신용 변조 신호의 포락선(Envelope), 또는 진폭(Amplitude) 정보의 스펙트럼을 살펴보면, 대부분의 전력이 낮은 주파수 영역에 존재하고, 낮은 전력은 높은 주파수 영역에서 존재하기 때문에 선형 증폭단(Linear Amplifier)과 스위칭 증폭단(Switching Amplifier)를 함께 사용하는 복합(hybrid) 형태의 전원 변조부이다. 선형 증폭단은 넓은 대역폭을 가지고 선형적인 동작을 하지만 효율이 낮은 반면, 스위칭 증폭단은 좁은 대역폭을 가지지만 스위칭 동작을 하며 효율이 높은 특징을 나타낸다. 위와 같은 특징을 사용하여, 복합 형태의 전원 변조부는 효율이 높은 스위칭 증폭단에서 출력 부하(load)에 필요한 대부분의 전류를 공급하고, 효율이 낮은 선형 증폭단에서 부족하거나 넘치는 전류를 보상하여, 최종적으로 입력 신호를 높은 효율로 선형적으로 출력에 전달할 수 있다.

일반적으로 선형 증폭단은 OP 증폭부(Operational Amplifier)로 구성되어 AB급 바이어스에서 푸쉬-풀(Push-Pull) 동작을 하고, 스위칭 증폭단은 벅 컨버터(Buck Converter)형태로 구성되어 스위칭 동작을 한다. 이때, 선형 증폭단에서 출력 부하로 공급하는 전류를 검출하여, 그 크기와 극성에 따라 벅 컨버터의 스위칭 상태(Switching State)가 정해진다.

고정된 전원 전압을 사용하는 종래 기술은 백 오프 영역에서 동작하게 되어 높은 효율을 달성할 수가 없으나 VcctoRF 이득은 낮기 때문에 전원단의 노이즈는 충분히 억제되어 출력에 나타난다.

도 2는 고정 전압 증폭부와 포락선 증폭부의 출력 전력에 따른 효율의 예를 도시한다. 종래 고정된 전원 전압을 사용한 증폭(220)의 경우 목표 출력 전압에서 선형성을 만족하기 위해 높은 P1dB를 갖게 설계하여 백 오프를 하기 때문에 효율이 낮음을 알 수 있다. 이로 인해 VcctoRF 이득 역시 매우 낮은 값을 갖게 된다. 이에 반해 포락선 추적을 통한 증폭 기술(210)은 고정된 전원 전압을 사용한 경우보다 효율이 높음을 알 수 있다.

도 3은 고정 전압 증폭부와 포락선 증폭부의 출력 전력에 따른 VcctoRF 이득의 예를 도시한다. 포락선 추적을 통한 증폭(310)이 고정된 전원 전압(320)을 사용하는 종래 기술보다 높은 전력 범위에서 효율 증대 효과가 큼을 알 수 있다. 그러나 전력 증폭부가 포화영역에서 동작하기 때문에 VcctoRF 이득이 매우 높은 값을 유지함을 알 수 있다. 즉 포락선 추적 전력 증폭부 기술은 기존 고정된 전원 전압을 사용하는 전력 증폭부의 낮은 효율을 극복하기 위해 전력 증폭부를 포화영역에서 동작하도록 함으로써 효율향상을 이룰 수 있으나, 매우 높은 VcctoRF 이득으로 인해 전원단의 노이즈가 클 경우 전력 증폭부의 출력에 영향을 주어 수신감도를 열화 시키는 원인이 된다.

복합 형태(Hybrid type)의 전원 변조부는 스위칭 형태 전원 변조부만을 이용한 경우보다 스위칭 노이즈가 적기는 하지만, 선형 증폭부의 유한한 대역폭 때문에 여전히 높은 주파수 성분의 스위칭 증폭부의 노이즈를 제거하는 것은 한계가 있다. 스위칭 전원장치의 스위칭 노이즈는 전력 인덕터(Inductor)의 기생 캐패시터를 통해 출력으로 커플링되게 된다. 상기 기생 캐패시터는 사용자가 스스로 장치하는 것이 아닌, 인덕터로 인해 자체적으로 발생하는 캐패시턴스(Capacitance)를 의미한다. 스위칭 전원 장치의 기본 동작은 스위칭 동작과 LC 필터링을 통해 출력에 원하는 전압을 생성해 낸다. 그러나 인덕터는 기생 캐패시턴스를 갖게 되고 자체 공진 주파수보다 높은 주파수 대역의 노이즈는 기생 캐패시터로 커플링된다.

이러한 인덕터의 기생 캐패시턴스를 줄일 수 있는 방법으로 전력 인덕터를 직렬 연결하는 방법이 있다. 동일 인덕턴스를 위해 두 개의 인덕터는 각각 1/2 L를 갖게 되고, 일반적으로 인덕터의 기생 캐패시턴스는 인덕턴스에 비례하기 때문에 각각 1/2 Cp를 갖게 되어, 결국 총 기생 캐패시턴스는 1/4 Cp가 되어 자체 공진주파수가 높아지게 되어 결국 관심 주파수대역의 노이즈를 억제할 수 있게 된다. 그러나 이러한 다수의 인덕터를 사용하는 것은 면적(전력 인덕터 한 개의 크기는 스위칭 전원장치의 칩(Chip) 사이즈와 유사하거나 크다)과 가격이 증가한다는 단점을 갖게 된다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 전원 변조부를 이용한 포락선 추적 전력 증폭부 구조의 예를 도시한다.

상기 도 4를 참고하면, 상기 송신 장치는 전력 증폭부(410), RF 송신부(420), 기저대역 신호 처리부(430), 전원 변조부(440)를 포함한다.

상기 송신 장치는 전력 증폭부(410)를 통해 신호를 증폭시킬 수 있다. 상기 전력 증폭부(410)는 전력모드 제어부(412)와 증폭부(414)를 포함한다. 상기 전력 증폭부(410)는 단일 주파수 밴드를 지원하거나, 서로 다른 통신 모드(2G, 3G, 4G) 주파수, 또는 서로 다른 주파수 밴드를 모두 지원가능하며, 상기 전력 증폭부(410)의 전원은 모든 경우에 포락선 추적 기술을 적용하기 위해 상기 전원 변조부(440)로부터 RF 입력 신호와 동기화된 포락선 신호를 공급받고, RF 송신부(420)로부터 제공받은 고주파 신호를 전력 모드 제어부(412)의 전력 모드 제어 신호에 따라 상기 증폭부(414)를 통해 증폭시켜 출력한다.

상기 RF 송신부(420)는 상기 기저대역 신호 처리부(430)로부터 제공받은 RF 이득 제어 신호에 따라 IQ 데이터 생성부(436)로부터 제공받은 IQ 데이터를 고주파 신호로 변환하여 출력한다.

상기 송신 장치는 기저대역 신호 처리부(430)를 통해 포락선을 검출한다. 상기 출력 전력 결정부(432)는 송신 신호의 입력과, 최종 증폭 출력 전력을 결합하여 해당 송신 신호의 출력 전력 레벨을 출력한다. 상기 IQ 데이터 발생부(436)에서는 통신 규격에 맞는 기저대역 IQ 데이터를 발생시킨다. 상기 IQ 데이터는 IQ DAC(437)와 RF 송신부(420)를 통해 RF 주파수로 상향 변환되어 전력 증폭부(410)의 입력 신호로 인가된다. 상기 IQ DAC(437)는 상기 IQ 데이터 발생부(436)에서 생성한 상기 IQ 데이터를 아날로그 신호로 변환하여 출력한다. 상기 포락선 발생부(438)는 상기 IQ 데이터 발생부(436)에서 생성한 상기 IQ 데이터에 대응되는 포락선 신호를 생성하여 상기 증폭부(435)로 전송한다. 상기 출력 전력 제어부(434)는 상기 출력 전력 결정부(432)에서 출력한 송신 신호의 출력 전력 레벨에 따른 포락선 이득 제어 신호, RF 이득 제어 신호 및 전력 모드 제어 신호를 생성한다. 예를 들어, 상기 출력 제어부(434)는 상기 출력 전력 결정부(432)에서 결정한 송신 신호의 출력 전력 레벨에 따른 이득 제어 신호를 생성하여 RF 송신부(420) 및 상기 증폭부(435)로 제공한다. 상기 증폭부(435)는 신호를 증폭하여 상기 ENC DAC(439)로 제공하고, 상기 ENC DAC(439)는 증폭된 포락선 신호를 아날로그 신호로 변환하여 상기 전원변조부(440)로 출력한다.

상기 송신 장치는 상기 전원 변조부(440)를 통해 신호를 입력 받아 높은 효율 및, 선형성을 유지하며 입력 포락선 신호와 동일한 형태의 포락선 신호를 출력한다. 상기 전원 변조부(440)의 기본 동작원리는 상기 복합 형태 전원 변조부의 동작 원리와 동일하다. 상기 전원 변조부(440)는 상기 기저대역 신호 처리부(430)에서 제공받은 포락선 신호에 따라 전력 증폭부(410)의 공급 전압을 결정한다. 상기 전원 변조부(440)는 선형 증폭부(442)와 스위칭 증폭부(444), 노이즈 상쇄 회로(446) 및 전력 인덕터(448)를 포함한다.

상기 선형 증폭부(442)는 OP 증폭부로 구성되어, AB급 바이어스에서 푸쉬-풀 동작을 하고, 상기 기저대역 신호 처리부(430)로부터 제공받은 포락선 신호를 증폭하여 전류 i_lin(443)을 출력한다. 상기 스위칭 증폭부(444)는 상기 선형 증폭부(442)에서 출력 부하로 공급하는 전류를 검출한 후, 검출한 전류의 크기와 극성에 따라 출력을 정하고, 상기 전원 변조부(440)의 출력 부하에 필요한 전류를 공급한다. 상기 스위칭 증폭부(444)는 벅 컨버터형태로 구성되어 스위칭 동작을 한다. 상기 스위칭 증폭부(444)로부터 공급된 전류의 급격한 변화를 억제하고, 출력에 원하는 전압을 생성하기 위해 상기 전력 인덕터(448)가 전원 변조부(440)에 설치된다.

상기 전력 인덕터(448)가 설치될 경우 회로의 물리적인 영향으로 인하여 기생 캐패시턴스(449)가 생성될 수 있다. 도 4에 도시된 기생 캐패시턴스(449)는 실제로 장치되는 것이 아닌 전력 인덕터(448)에 의해 발생되는 상기 기생 캐패시턴스를 임의로 도시한 것이다. 생성된 상기 기생 캐패시턴스(449)는 상기 스위칭 증폭부(444)가 포락선 신호에 따른 전류를 공급하기 위하여 스위칭 동작시 전압 변동으로 인하여 발생하는 스위칭 노이즈와 커플링될 수 있다. 상기 전력 인덕터(448)는 전류의 변화량에 비례해 전압을 유도함으로써 전류의 급격한 변화를 억제하는 기능을 하는데, 상기 기생 캐패시턴스(449)가 발생할 경우, 공급되는 신호 중 일부는 상기 기생 캐패시턴스(449)의 영향으로 전류의 변화에 대응하지 못할 수 있다. 따라서, 상기 스위칭 노이즈는 상기 기생 캐패시턴스(449)와 커플링되어 출력에 나타날 수 있고, 결국, 포락선 추적 증폭부의 성능에 영향을 미친다.

상기 포락선 추적 증폭부의 성능에 영향을 미치는 문제를 해결하기 위하여, 본 발명은 노이즈를 제거하는 방법을 제시한다. 본 발명은 상기 스위칭 노이즈를 제거하는 방법으로 노이즈 상쇄 회로(446)를 사용할 수 있다. 상기 노이즈 상쇄 회로(446)는 상기 전력 인덕터(448)에 의해 발생하는 상기 기생 캐패시턴스(449)와 커플링 되는 상기 스위칭 노이즈를 제거하기 위하여 상기 전력 인덕터(448)와 병렬로 연결된다. 상기 노이즈 상쇄 회로(446)는 병렬로 연결되어 상기 노이즈를 상쇄함으로써 제거할 수 있다. 구체적으로, 상기 스위칭 노이즈는, 상기 노이즈 상쇄 회로(446)로부터 생성된 상기 스위칭 노이즈와 동위상 또는 역위상 보상 신호와 합산되어 제거된다. 결국, 상기 스위칭 증폭부(444)로부터 생성된 상기 스위칭 노이즈가 기생 캐패시턴스(449)와 커플링 된 신호는, 상기 노이즈 상쇄 회로(446)와 합산되어 도 4의 i_sw(445) 신호로 출력되고, 상기 출력된 i_sw(445) 신호는 선형 증폭부로부터 발생한 도 4의 i_lin(443) 신호와 합산되어, 최종적으로 i_load(447) 신호로 출력된다.

상기 듀플렉서(450)는 송신 및 수신 안테나를 연결한다. FDD방식에서는 송신과 수신이 동시에 이루어지기 때문에, 상기 듀플렉서(450)가 송신과 수신을 분기한다.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 노이즈 상쇄 회로(510)를 포함한 전원 변조부의 예를 도시한다.

상기 노이즈 상쇄회로(510)는 인버터(512)와 보상 캐패시터(514)와 위상 스위치(540)를 포함한다. 상기 위상 스위치(540)는 보상 신호의 위상을 결정한다. 상기 위상 스위치(540)는 경로 결정 신호를 통해, 보상 신호의 경로를 결정한다.

상기 경로 결정 신호가 생성되는 과정의 예를 들면, 상기 기저대역 신호 처리부(430)가 사용되는 반송파 신호를 미리 설정된 임계치와 비교한다. 비교 결과, 사용되는 반송파 신호가 임계치보다 높으면 상기 위상 스위치를 역위상 경로(544)로 연결하기 위한 경로 결정 신호를 생성한다. 반면, 상기 관심 주파수 대역 신호가 임계치보다 낮으면 상기 기저대역 신호 처리부(430)는 상기 위상 스위치를 동위상 경로(542)로 연결하기 위한 경로 결정 신호를 생성한다. 상기 경로 결정 신호는 상기 기저대역 신호 처리부 외에 기타 다른 제어 블록을 통해서도 가능하다.

만일 상기 위상 스위치가 임계치 보다 높은 주파수 대역의 노이즈를 상쇄하기 위한 역위상 경로(544)를 선택하면, 스위칭 앰프 출력 신호는 인버터(512)를 통과하며 역위상으로 바뀌고, 보상 캐패시터(514)에 의해 기생 캐패시턴스(530)와 동일한 값으로 캐패시턴스가 보상된다. 즉, 높은 주파수 대역일 경우, 노이즈 상쇄 회로(510)는 스위칭 앰프 출력 신호를 역위상 경로(544)로 통과시키고, 기생 캐패시턴스(530)와 결합된 노이즈와 캐패시턴스의 값은 같지만 위상은 반대인 보상 신호를 생성한다. 생성된 상기 보상 신호는 기생 캐피시턴스(530)의 노이즈 신호와 합산되어, 최종적으로 노이즈가 상쇄된다.

만일 상기 위상 스위치가 임계치보다 낮은 주파수 대역의 노이즈를 상쇄하기 위한 동위상 경로(542)를 선택하면, 스위칭 앰프 출력 신호는 인버터(512)를 통과하지 않고 우회하게 되어 위상이 변하지 않고, 보상 캐패시터에 의해 캐패시턴스가 보상된다. 이 때의 보상 캐패시터에 의한 캐패시턴스의 보상은 상기높은 주파수 대역의 노이즈를 상쇄하기 위한 과정과는 다르게 기생 캐패시턴스(530)와 반드시 동일한 값으로 이루어지는 것은 아니다. 낮은 주파수 대역의 신호의 경우 기생 캐패시턴스(530)의 공진으로 인해 오히려 스위칭 노이즈가 적게 발생하기 때문이다. 상기 높은 주파수 대역의 신호를 보상하기 위한 캐패시턴스 값은 실험을 통해 미리 설정된다. 상기 캐패시턴스 값은 상기 기생 캐패시턴스(530)와 위상이 동일하므로 상기 낮은 주파수 대역의 신호를 처리하는 경우와는 다르게 기생 캐패시턴스의 값이 증가하게 되고, 기생 캐패시턴스의 공진으로 인해 결국 스위칭 노이즈가 감소하게 된다.

도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 노이즈 상쇄 회로(610) 및 제어 가능한 위상 조절부 및 캐패시턴스 보상부를 포함한 전원 변조부의 예를 도시한다.

높은 주파수 대역에서 노이즈가 완벽하게 제거되기 위해서는, 상기 노이즈 상쇄 회로(610)가 전력 인덕터(620)의 입력 신호와 정확하게 역위상을 만들어 내야 하며, 또한 상기 전력 인덕터(620)의 기생 캐패시턴스(630)와 일치하는 보상 캐패시턴스를 사용해야 한다. 이를 위해 디지털 제어를 통해 복수의 위상 조절부(612)와 보상 캐패시터(614)가 사용되어 노이즈 억압 정도가 보상된다.

또한 낮은 주파수 대역에서 노이즈를 제거하기 위해서는 적절한 보상 캐패시턴스를 사용하여 기생 캐패시턴스(630)에 더해야 한다. 적절한 보상 캐패시턴스 값을 기생 캐패시턴스(630)에 더하기 위해서 미리 실험을 통하여 최적의 값을 찾는 방법이 있다.

상기 디지털 제어는, 전자적 혹은 물리적 스위치를 통하여 제어가 가능하고, 상기 스위치는 교정 신호에 따라 온(on)/오프(off)되어, 결국 신호의 경로가 설정된다. 상기 경로는 반복적인 실험을 통하여 최적의 노이즈 제거를 실행할 수 있는 값을 찾아 장치에 미리 최적의 교정 값을 입력시키는 방법, 기저대역 신호 처리부로부터 직렬 주변 장치 인터페이스(Serial Peripheral Interface:SPI)를 통해 교정신호를 제공받아 설정하는 방법, 또는 복수의 인버터 및 보상 캐패시터 중 최적의 노이즈 제거를 실행할 수 있는 특정 인버터 및 보상 캐패시터의 스위만 온(on)하고, 나머지 스위치는 오프(off)시키는 방법 등을 통해 설정할 수 있다.

도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 송신 장치의 신호 증폭을 위한 절차의 예를 도시한다.

도 7을 참조하면, 상기 송신 장치는 710단계에서 송신 신호의 포락선을 검출한다. 예를 들어, 상기 기저대역 신호 처리부(430)의 상기 포락선 발생부(438)는 상기 IQ 데이터 발생부(436)에서 생성한 IQ 데이터에 대응되는 포락선 신호를 생성한다.

720단계에서 상기 송신 장치는 포락선 신호의 전력을 증폭시킨다. 상기 송신 장치는 송신 신호에 대한 포락선을 확인한 후, 송신 신호의 포락선을 증폭시킨다.

730단계에서 송신 장치는 노이즈를 상쇄시킨다. 높은 효율 및 선형성을 유지하기 위하여, 상기 송신 장치는 스위칭 노이즈를 제거할 수 있다. 구체적으로, 상기 송신 장치는 노이즈를 상쇄시키기 위하여, 사용중인 주파수 밴드에 따라 수신 대역의 주파수 오프셋의 노이즈를 최소화 하기 위하여 높은 대역의 주파수일 경우 반대위상을 선택하여 기생 캐패시턴스와 동일한 보상 캐패시턴스 값을 이용하여 노이즈를 상쇄시키고, 낮은 대역의 주파수일 경우 동위상을 선택하여 미리 설정된 최적의 보상 캐패시턴스 값을 선택하여 노이즈를 상쇄시킨다.이를 위해 상기 송신 장치는 상기 노이즈 상쇄회로를 포함할 수 있고, 상기 노이즈 상쇄회로는, 상기 복수의 위상 조절부 및 복수의 보상 캐패시터를 포함할 수 있다.

740단계에서 송신 장치는 신호를 증폭시킨다. 예를 들어, 상기 송신 장치는 전원 변조부(440)로부터 공급된 전압을 이용하여 송신 신호의 전력을 증폭하여 전송한다. 상기 전력 증폭부(410)는 전원 변조부(440)로부터 제공받은 공급 전압을 이용하여 RF 송신부(420)로부터 제공받은 고주파 신호의 전력을 증폭하여 출력한다.

도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 주파수 특성 기생 캐패시험을 위한 모델링(Modeling)의 예를 도시한다.

노이즈 상쇄기능을 통해 전력 인덕터의 기생 캐패시터로 커플링 되는 노이즈를 억제하는 동작을 설명하기 위해 도 8과 같이 모델링 할 수 있다. 도 8 의 a는 전력 인덕터의 기생 캐패시터가 없는 이상적인 경우이고, 도 8의 b는 기생 캐패시터를 고려한 경우, 도 8의 c는 본 발명에서 제안한 노이즈 제거 회로가 포함된 경우이다. 노이즈 제거 회로는 개념적으로 전력 인덕터로 입력되는 신호와 역위상 또는 동위상을 갖는 소스와 보상 캐패시터로 구성되어 있다.

도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 주파수 특성 기생 캐패시험의 결과를 도시한다.

도9의 (a)는 스위칭 노이즈와 동위상이며 보상 캐패시턴스값을 변경했을 때 결과를 나타낸다. 동위상일 경우 보상캐패시턴스값을 키울 수록 기생 캐패시턴스와 합하여져 값을 키우는 효과를 갖기 때문에 공진점이 내려 간다. 즉 낮은 주파수 대역의 노이즈를 억압할 수 있게 된다.

도9의 (B)는 스위칭 노이즈와 반대위상이며 보상 캐패시턴스값을 변경했을 때 결과를 나타낸다. 반대위상일 경우 보상 캐패시턴스값을 키울 수록 보상 캐패시턴스가 기생 캐패시턴스를 상쇄시키는 효과를 갖기 때문에 공진점이 올라 간다. 즉 높은 주파수 대역의 노이즈를 억압할 수 있게 된다. 보상 캐패시턴스값이 기생 캐패시턴스값과 동일할 때 공진점이 사라지게 되어, 기생 캐패시턴스의 영향을 제거하게 된다.

도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 스위칭 노이즈가 제거된 출력 전압 파형 모의실험의 결과를 도시한다.

도 10의 (a)의 경우는 전압이 증가하다가 다시 감소하는 경우를 나타내고, 도 10의 (b)의 경우는 전압이 감소하다가 다시 증가하는 경우를 나타낸다. 이상적인 경우에 비해 전력 인덕터에 기생 캐패시터가 있는 경우, Cp 효과(1010, 1030)를 통해서 스위칭 되는 순간 스위칭 노이즈가 출력 파형에 영향을 미쳐 전압에 영향을 주는 것을 확인할 수 있다. 본 발명에서 제안한 보상 회로를 이용하였을 때, 보상(1020, 1040)을 통해서 출력 스위칭 노이즈는 거의 제거가 되어 이상적인 전압 파형을 회복함을 알 수 있다.

도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 스위칭 노이즈가 제거된 출력 노이즈 PSD((Power Spectrum Density) 모의실험의 결과를 도시한다.

도 10의 전압 파형을 FFT(Fast Fourier Transform)하여 주파수 영역에서 PSD를 기생 캐패시험한 결과이다. 실험 결과 전력 인덕터에 기생 캐패시터가 있는 경우 자체 공진점을 지난 후 30~40dB정도의 스위칭 노이즈가 더해 짐을 알 수 있다. 보상회로를 적용한 경우 매우 높은 주파수에서 약간의 노이즈가 남아 있지만 모든 주파수영역에서 약30dB이상의 효과를 확인할 수 있다. 또한 도 11의 모의실험 결과 15deg, +-0.5pF 정도의 불일치가 있어도 약10dB 이상의 효과를 볼 수가 있기 때문에 본 발명에따른 송신 장치는, 칩 내부에서 발생 가능한 PVT(Process Voltage and Temperature) 변화에 둔감하면서도 노이즈 억제는 효과적으로 할 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 청구항 또는 명세서에 기재된 실시 예들에 따른 방법들은 하드웨어, 소프트웨어, 또는 하드웨어와 소프트웨어의 조합의 형태로 구현될(implemented) 수 있다.

소프트웨어로 구현하는 경우, 하나 이상의 프로그램(소프트웨어 모듈)을 저장하는 컴퓨터 판독 가능 저장 매체가 제공될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 저장 매체에 저장되는 하나 이상의 프로그램은, 전자 장치(device) 내의 하나 이상의 프로세서에 의해 실행 가능하도록 구성된다(configured for execution). 하나 이상의 프로그램은, 전자 장치로 하여금 본 발명의 청구항 또는 명세서에 기재된 실시 예들에 따른 방법들을 실행하게 하는 명령어(instructions)를 포함한다.

이러한 프로그램(소프트웨어 모듈, 소프트웨어)은 랜덤 액세스 메모리 (random access memory), 플래시(flash) 메모리를 포함하는 불휘발성(non-volatile) 메모리, 롬(ROM: Read Only Memory), 전기적 삭제가능 프로그램가능 롬(EEPROM: Electrically Erasable Programmable Read Only Memory), 자기 디스크 저장 장치(magnetic disc storage device), 컴팩트 디스크 롬(CD-ROM: Compact Disc-ROM), 디지털 다목적 디스크(DVDs: Digital Versatile Discs) 또는 다른 형태의 광학 저장 장치, 마그네틱 카세트(magnetic cassette)에 저장될 수 있다. 또는, 이들의 일부 또는 전부의 조합으로 구성된 메모리에 저장될 수 있다. 또한, 각각의 구성 메모리는 다수 개 포함될 수도 있다.

또한, 상기 프로그램은 인터넷(Internet), 인트라넷(Intranet), LAN(Local Area Network), WLAN(Wide LAN), 또는 SAN(Storage Area Network)과 같은 통신 네트워크, 또는 이들의 조합으로 구성된 통신 네트워크를 통하여 접근(access)할 수 있는 부착 가능한(attachable) 저장 장치(storage device)에 저장될 수 있다. 이러한 저장 장치는 외부 포트를 통하여 본 발명의 실시 예를 수행하는 장치에 접속할 수 있다. 또한, 통신 네트워크상의 별도의 저장장치가 본 발명의 실시 예를 수행하는 장치에 접속할 수도 있다.

상술한 본 발명의 구체적인 실시 예들에서, 발명에 포함되는 구성 요소는 제시된 구체적인 실시 예에 따라 단수 또는 복수로 표현되었다. 그러나, 단수 또는 복수의 표현은 설명의 편의를 위해 제시한 상황에 적합하게 선택된 것으로서, 본 발명이 단수 또는 복수의 구성 요소에 제한되는 것은 아니며, 복수로 표현된 구성 요소라하더라도 단수로 구성되거나, 단수로 표현된 구성 요소라 하더라도 복수로 구성될 수 있다.

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims

무선 통신 시스템에서 송신 장치에 있어서,
포락선 신호를 검출하는 기저대역 신호 처리부와,
상기 포락선 신호를 이용하여, 전력 증폭부에 공급할 전원을 생산하는 전원 변조부와,
상기 전원 변조부로부터 전압을 공급받고, 송신 신호의 전력을 증폭하는 전력 증폭부를 포함하고,
상기 전원 변조부는, 스위칭 증폭 시 발생하는 스위칭 노이즈에 대응하는 보상 신호를 생성하고, 상기 보상 신호와 상기 스위칭 노이즈를 합산하는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서,
상기 보상 신호는 사용되는 반송파 신호에 대응하여 동위상 또는 역위상으로 생성되는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서,
상기 스위칭 노이즈는, 상기 전원 변조부에서 스위칭 증폭시 발생된 후, 상기 전원의 급격한 전류 변화를 방지하기 위한 전력 인덕터의 기생 캐패시터를 통해 커플링되는 것을 특징으로 하는 장치.
제3항에 있어서,
상기 전원 변조부는, 상기 스위칭 노이즈가 커플링되는 전력 인덕터와 병렬로 연결되는 노이즈 상쇄 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제4항에 있어서,
상기 노이즈 상쇄 회로는, 위상 스위치, 인버터 또는 캐패시터 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제5항에 있어서,
상기 인버터는, 상기 스위칭 노이즈와 반대 위상을 가지는 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 장치.
제5항에 있어서,
상기 캐패시터는, 상기 기생 캐패시터의 값과 대응하는 값의 보상 캐패시턴스 값을 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
제5항에 있어서,
상기 위상 스위치는 설정된 임계치 보다 높은 반송파 신호는 역위상 경로로, 설정된 임계치 보다 낮은 반송파 신호는 동위상 경로로 연결시키는 것을 특징으로 하는 장치.
제8항에 있어서,
상기 역위상 경로로 상기 위상 스위치가 연결될 때,
기생 캐패시턴스와 동일한 값의 캐패시턴스 보상이 이루어지는 것을 특징으로 하는 장치.
제8항에 있어서,
상기 동위상 경로로 상기 위상 스위치가 연결될 때,
미리 설정된 보상 캐패시턴스 값이 상기 기생 캐패시턴스와 합하여져 상기 기생 캐패시턴스 값이 증가되는 것을 특징으로 하는 장치.
제4항에 있어서,
상기 노이즈 상쇄 회로는, 다수의 인버터들을 포함하는 위상 조절부 및 다수의 캐패시터들을 포함하는 캐패시턴스 보상부를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
제11항에 있어서,
상기 노이즈 상쇄 회로는, 상기 다수의 인버터들 중 하나 및 상기 다수의 캐패시터들 중 하나를 통해 상기 보상 신호를 생성하도록 경로를 설정하는 다수의 경로 스위치들을 포함하고,
상기 경로 스위치는 교정 신호에 따라 각각 온(on)/오프(off)되는 것을 특징으로 하는 장치.
제12항에 있어서,
상기 교정 신호는, 기저대역 처리부 또는 상기 전원 변조부 내 다른 블록으로부터 입력되거나, 상기 노이즈 상쇄 회로 내에서 생성되는 것을 특징으로 하는 장치.
무선 통신 시스템에서 송신 장치의 동작에 있어서,
송신 신호의 포락선 신호를 검출하는 과정과,
상기 포락선 신호를 이용하여, 상기 송신 신호의 전력 증폭시 필요한 전원을 생산하는 과정과,
상기 전원에 따라 상기 송신 신호의 전력을 증폭하는 과정을 포함하고,
상기 전원을 생산하는 과정은,
스위칭 증폭 시 발생하는 스위칭 노이즈에 대응하는 보상 신호를 생성하는 과정과,
상기 보상 신호와 상기 스위칭 노이즈를 합산하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제14항에 있어서,
상기 보상 신호를 생성하는 과정은,
사용되는 반송파 신호에 대응하여 동위상 또는 역위상의 신호를 생성하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제14항에 있어서,
상기 스위칭 노이즈는, 상기 스위칭 증폭시 발생된 후, 전원의 급격한 전류 변화를 방지하기 위한 전력 인덕터의 기생 캐패시턴스를 통해 커플링되는 것을 특징으로 하는 방법.
제14항에 있어서,
상기 보상 신호를 생성하는 과정은,
상기 스위칭 노이즈가 커플링되는 전력 인덕터와 병렬로 연결되는 노이즈 상쇄 회로를 이용하여, 상기 동위상 또는 역위상의 보상 신호를 생성하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제17항에 있어서,
상기 노이즈 상쇄 회로는, 위상 스위치와, 인버터 또는 캐패시터 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제15항에 있어서,
상기 역위상의 신호를 생성하는 과정은,
상기 인버터를 이용하여 상기 스위칭 노이즈의 역위상을 가지는 신호를 생성하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제18항에 있어서,
상기 캐패시터는, 상기 기생캐패시터의 값과 대응하는 값의 보상 캐패시턴스 값을 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
제14항에 있어서,
상기 보상 신호를 생성하는 과정은,
상기 위상 스위치를 이용하여, 설정된 임계치 보다 높은 반송파 신호는 역위상 보상 신호를, 설정된 임계치 보다 낮은 반송파 신호는 동위상 보상 신호를 생성하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제15항에 있어서,
상기 역위상의 신호를 생성하는 과정은,
상기 캐패시터를 이용하여 상기 기생 캐패시터의 값과 동일한 값의 보상 캐패시턴스 값을 생성하는 것을 특징으로 하는 방법.
제15항에 있어서,
상기 동위상의 신호를 생성하는 과정은,
미리 설정된 보상 캐패시턴스 값을 상기 기생 캐패시턴스와 합하여 상기 기생 캐패시턴스 값을 증가시키는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제17항에 있어서,
상기 노이즈 상쇄 회로는, 다수의 인버터와 다수의 캐패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제17항에 있어서,
상기 노이즈 상쇄 회로는, 상기 다수의 인버터들 및 상기 다수의 캐패시터들을 이용하여 상기 보상 신호를 생성하도록 경로를 설정하는 다수의 경로 스위치들을 포함하고,
상기 경로 스위치는 교정 신호에 따라 각각 온(on)/오프(off)되는 것을 특징으로 하는 방법.
제25항에 있어서,
상기 교정 신호는, 기저대역 처리부 또는 상기 전원 변조부 내 다른 블록으로부터 입력되거나, 상기 노이즈 상쇄 회로 내에서 생성되는 것을 특징으로 하는 방법.