KR20200086628A - 모든 디지털 아웃페이징 송신기 - Google Patents
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Abstract
본 명세서로, 고효율의 디지털 아웃페이징 송신기가 제공된다. 상기 아웃페이징 송신기는 제1 서브 신호(ρ(n)) 및 제2 서브 신호(δ(n))를 생성하기 위해 입력 신호를 분해하기 위한 적어도 하나의 분해 유닛(1); 상기 제1 서브 신호(ρ(n))를 아웃페이징 신호(ø(n))로 변환하는 적어도 하나의 아웃페이징 신호 생성기(2); 상기 제2 서브 신호(δ(n))를 델타 시그마 변조 신호(h(n))로 변환하는 적어도 하나의 델타 시그마 변조기(3); 제1 혼합 신호 및 제2 혼합 신호를 생성하기 위해 상기 아웃페이징 신호(ø(n))와 상기 델타 시그마 변조 신호(h(n))를 함께 혼합하기 위한 적어도 하나의 혼합 유닛(4); 상기 제1 혼합 신호를 증폭시키기 위한 적어도 하나의 제1 증폭기(5); 상기 제2 혼합 신호를 증폭시키기 위한 적어도 하나의 제2 증폭기(6); 델타 시그마 변조 출력 신호를 생성하기 위해 상기 증폭된 제1 혼합 신호 및 상기 증폭된 제2 혼합 신호를 결합하기 위한 적어도 하나의 결합기(7); 및 상기 입력 신호의 엔벨로프를 다시 상기 출력 신호로 복구하기 위해 상기 델타 시그마 변조 출력 신호를 필터링하기 위한 적어도 하나의 대역 통과 필터(8)를 포함한다.
Description
본 발명은 미래의 모든 디지털 무선 통신 및 레이더 시스템을 위한 델타 시그마 변조(delta sigma modulation)를 갖는 디지털 RF 아웃페이징 송신기(digital RF outphasing transmitter)에 관한 것이다.
미래의 무선 통신 및 레이더 시스템은 높은 피크 대 평균 전력 비율(PAPR: Peak to Average Power Ratio)을 갖는 복잡한 신호를 사용한다. 높은 피크 대 평균 전력 비율은 RF 전력 증폭기의 효율 성능이 저하되어 전력이 부족한 송신기 설계가 된다. 반면, 높은 피크 대 평균 전력 비율은 신호 품질 및 스펙트럼 효율을 유지하기 위해 선형 전력 증폭에 영향을 끼치며(dictates), 이는 전력원의 효율적인 사용을 손상시킨다(compromise). RF 아웃페이징 송신기는 스위치 모드 RF 전력 증폭기를 사용하여 진폭이 변하는 무선 통신 신호를 효율적으로 증폭하는 방식을 유도한다.
높은 데이터 속도 및 스펙트럼 효율과 같은 최신 무선 통신 시스템에 대한 요구가 증가함에 따라 정교하고 복잡한 파형을 유도한다. 이러한 신호 요구 사항은 진폭, 위상 및 주파수 변조를 모두 결합하여 포함하는 복잡한 변조 방식으로 충족된다. 다양한 진폭 무선 통신 신호는 효율적이고 선형적인 전력 증폭을 위해 새로운 송신기 아키텍처가 필요하다. 에너지원을 절약하고 더 오랜 시간 동안 무선 장치를 사용하려면 효율성이 요구된다; 높은 선형 효율과 우수한 신호 품질을 달성하려면 선형성이 필수적이다.
공지된 기술에서, 무선 통신 신호를 증폭시키기 위해 여러 송신기 아키텍처가 제공되었다. 공지된 응용 중 하나는 Kim, Y. Woo, S. Hong, B. Kim, "최적화된 전력 증폭기를 사용하는 WCDMA 응용을 위한 고효율 하이브리드 EER 송신기(High efficiency hybrid EER transmitter for WCDMA application using optimized power amplifier)", in Proc. of 37th Eur. Microw. Conf. Dig., 2007년 10월에 개시된 바와 같은 엔벨로프 제거 및 복원(EER: Enerlope Elimination and Restoration)이다. 그러나, 엔벨로프 제거 및 복원 송신기는 고효율을 유지하기 위해 공급 변조기가 필요하므로, 이는 회로 복잡성을 가져오고 광대역 신호에 대해 제한된 효율 성능을 나타낸다.
본 명세서로, 고효율의 아웃페이징 송신기(outphasing transmitter)가 제공된다. 상기 아웃페이징 송신기는, 제1 서브 신호(sub-signal) 및 제2 서브 신호를 생성하기 위해 입력 신호를 분해하기 위한 적어도 하나의 분해 유닛(decomposition unit); 상기 제1 서브 신호를 아웃페이징 신호(outphasing signal)로 변환하는 적어도 하나의 아웃페이징 신호 생성기(outphasing signal generator); 상기 제2 서브 신호를 델타 시그마 변조 신호(delta sigma modulated signal)로 변환하는 적어도 하나의 델타 시그마 변조기(delta sigma modulator); 제1 혼합 신호(mixed signal) 및 제2 혼합 신호를 생성하기 위해 상기 아웃페이징 신호와 상기 델타 시그마 변조 신호를 함께 혼합하기 위한 적어도 하나의 혼합 유닛(mixing unit); 상기 제1 혼합 신호를 증폭시키기 위한 적어도 하나의 제1 증폭기(amplifier); 상기 제2 혼합 신호를 증폭시키기 위한 적어도 하나의 제2 증폭기; 델타 시그마 변조 출력 신호를 생성하기 위해 상기 증폭된 제1 혼합 신호 및 상기 증폭된 제2 혼합 신호를 결합하기 위한 적어도 하나의 결합기(combiner); 및 상기 입력 신호의 엔벨로프(input signal envelope)를 다시 상기 출력 신호로 복구하기 위해 상기 델타 시그마 변조 출력 신호를 필터링(filtering)하기 위한 적어도 하나의 대역 통과 필터(band pass filter)를 포함한다.
본 발명의 주요 목적은 무선 통신 및 레이더 시스템에 사용될 모든 디지털 아웃페이징 송신기를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 낮은 결합기 손실을 갖는 모든 디지털 아웃페이징 송신기를 제공하여, 송신기 출력에서 고효율을 얻는 것이다.
도 1은 본 발명의 아웃페이징 송신기의 블록도를 도시한다.
분해 유닛(1)
아웃페이징 신호 생성기(2)
델타 시그마 변조기(3)
혼합 유닛(4)
제1 증폭기(5)
제2 증폭기(6)
결합기(7)
대역 통과 필터(8)
제1 혼합기(9)
제2 혼합기(10)
제3 혼합기(11)
제4 혼합기(12)
신호 생성기(13)
제1 저역 통과 필터(14)
제2 저역 통과 필터(15)
분해 유닛(1)
아웃페이징 신호 생성기(2)
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제1 증폭기(5)
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제1 혼합기(9)
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제3 혼합기(11)
제4 혼합기(12)
신호 생성기(13)
제1 저역 통과 필터(14)
제2 저역 통과 필터(15)
RF 아웃페이징 송신기는 진폭 가변 신호의 효율적인 증폭을 위해 스위치 모드 RF 전력 증폭기의 사용을 용이하게 한다. 그러나, RF 전력 결합기는 적용된 신호의 피크 대 평균 전력 비율이 충분히 높을 때 상당한 손실을 제공한다. 이러한 상황에서, 결합 손실(combining loss)은 허용 가능한 레벨(tolerable level)로 유지해야 한다. 따라서, 본 발명에 따르면, 효율이 높은 아웃페이징 송신기가 달성된다.
본 발명의 아웃페이징 송신기의 블록도가 도 1에 도시되어 있다. 상기 아웃페이징 송신기는 제1 서브 신호(ρ(n)) 및 제2 서브 신호(δ(n))를 생성하기 위해 입력 신호를 분해하기 위한 적어도 하나의 분해 유(1); 상기 제1 서브 신호(ρ(n))를 아웃페이징 신호(ø(n))로 변환하는 적어도 하나의 아웃페이징 신호 생성기(2); 상기 제2 서브 신호(δ(n))를 델타 시그마 변조 신호(h(n))로 변환하는 적어도 하나의 델타 시그마 변조기(3); 제1 혼합 신호 및 제2 혼합 신호를 생성하기 위해 상기 아웃페이징 신호(ø(n))와 상기 델타 시그마 변조 신호(h(n))를 함께 혼합하기 위한 적어도 하나의 혼합 유닛(4); 상기 제1 혼합 신호를 증폭시키기 위한 적어도 하나의 제1 증폭기(5); 상기 제2 혼합 신호를 증폭시키기 위한 적어도 하나의 제2 증폭기(6); 델타 시그마 변조 출력 신호를 생성하기 위해 상기 증폭된 제1 혼합 신호 및 상기 증폭된 제2 혼합 신호를 결합하기 위한 적어도 하나의 결합기(7); 및 상기 델타 시그마 변조 출력 신호를 필터링하기 위한 적어도 하나의 대역 통과 필터(8)를 포함한다.
본 명세서의 바람직한 실시예에서, 상기 혼합 유닛(4)은, 상기 델타 시그마 변조 신호로 상기 음의 위상 아웃페이징 신호를 변조하기 위한 적어도 하나의 제1 혼합기(mixer)(9); 상기 델타 시그마 변조 신호로 상기 양의 위상 아웃페이징 신호를 변조하기 위한 적어도 하나의 제2 혼합기(10); 음의 위상 델타 시그마 변조 아웃페이징 신호를 RF 반송 주파수(RF carrier frequency)로 상향 변환(upconverting)하기 위한 적어도 하나의 제3 혼합기(11); 양의 위상 델타 시그마 변조 아웃페이징 신호를 RF 반송 주파수로 상향 변환하기 위한 적어도 하나의 제4 혼합기(12); 상향 변환(upconversions)에 사용될 반송 무선 주파수 신호(carrier radio frequency signal)를 생성하기 위한 적어도 하나의 신호 생성기(signal generator)(13)(예를 들어, 클록 생성기(clock generator) 또는 RF 신호 생성기)를 포함한다. 바람직하게는, 상기 혼합 유닛(4)은, (음의 위상 델타 시그마 변조 아웃페이징 신호의 고차 혼합 제품(higher order mixing products)을 거부하기 위하여) 상기 제2 혼합기(10)의 출력을 필터링하기 위한 적어도 하나의 제1 저역 통과 필터(14) 및 (양의 위상 델타 시그마 변조 아웃페이징 신호의 고차 혼합 제품을 거부하기 위하여) 상기 제1 혼합기(9)의 출력을 필터링하기 위한 적어도 하나의 제2 저역 통과 필터(15)를 더 포함한다.
본 명세서의 다른 바람직한 실시예에서, 상기 결합기(7)는 키렉스 결합기(Chireix combiner)의 형태이다. 이 실시예에서, 키렉스 결합기는 애플리케이션의 핵심 구성 요소 중 하나이다. 결합기는 Class D RF 전력 증폭기와 함께 설계되어 높은 결합 효율을 얻는다. 이 기술을 사용하면, 키렉스 결합기에서의 결합 효율은 기술이 없는 효율 수치(efficiency figure)보다 높다. 이 기술은 입력 신호의 피크 대 평균 전력 비율을 감소시킴으로써 아웃페이징 각도의 시간 변화(변이)를 감소시키며, 이는 결합 효율을 높인다.
본 발명의 예시적인 실시예에서, 엔벨로프 신호(envelope signal)는 분해 유닛(1)에 의해 더 낮은 피크 대 평균 전력 비율을 갖는 2개의 신호로 분해된다. 분해 기준은 요구되는 아웃페이징 각도에서 최대 확률 분포 함수를 찾는 것에 기초하며, 이는 결합기(7)에서 허용 가능한 손실(tolerable loss)을 제공한다. 허용 가능한 손실은 스위치 모드 전력 증폭기(switched mode power amplifier)에서 아웃페이징 토폴로지(outphasing topology)로 얻는 효율을 손상시키지 않는 양으로 정의된다. 엔벨로프 신호가 분해될 때, 제1 서브 신호(ρ(n)) 및 제2 서브 신호(δ(n))가 생성된다. 제1 서브 신호(ρ(n))는 아웃페이징 신호(ø(n))를 생성하는데 사용되고, 제2 서브 신호(δ(n))는 델타 시그마 변조 신호(h(n))를 생성하는데 사용된다. 생성된 아웃페이징 신호(ø(n))와 델타 시그마 변조 신호(h(n))가 함께 혼합되고 증폭된다. 그리고, 증폭된 신호는 상기 결합기(7)에 의해 결합된다. 마지막으로, 결합된 디지털 신호는 대역 통과 필터(8)를 통과하여 원래의 무선 및/또는 레이더 신호를 복구한다.
전술한 시스템의 아웃페이징 변환 공식 및 알고리즘은 다음과 같다:
여기서, i는 정수이고, 0내지 L로의 값을 취하며, L은 클리핑 단계의 수이다.
5. 아웃페이징 각도를 계산한다.
그러면
그 밖에
i는 증가하고, 다시 4로 이동
여기서, Y(k)는 ±부호를 갖는 2개의 디지털 변조된 아웃페이징 신호를 나타낸다.
최대 효율보다는 시간 평균 전력 효율이 절전 성능 측면에서 RF 송신기를 검증하기 위해 더 합리적이다. 피크 대 평균 전력 비율 외에도, 입력 신호의 확률 밀도 함수는 평균 효율 성능을 이해하기 위해 동일하게 고려되어야 한다.
분해 후, 델타 시그마 변조가 상보적 신호에 적용된다. 델타 시그마 변조를 사용하는 주요 장점은 관심 영역에서 대역 내 잡음을 전송하고 진폭 변화 신호를 일정한 진폭의 디지털 신호로 변환할 수 있다는 것이다. 전자는 신호 대 잡음 비율(SNR: signal to noise ratio)을 향상시킨다; 반면 후자는 가장 높은 효율을 획득하기 위해 RF 전력 증폭기를 포화 상태로 만드는 데 사용된다. 델타 시그마 변조 차수(Delta sigma modulation order) 및 오버 샘플링 비율(oversampling ratio)은 조정해야 할 가장 중요한 두 가지 파라미터이다. 더 높은 오버 샘플링 비율 및 차수가 취해질수록, 대역 내 양자화가 더 많이 거부된다.
Claims (4)
- 아웃페이징 송신기에 있어서,
제1 서브 신호(ρ(n)) 및 제2 서브 신호(δ(n))를 생성하기 위해 입력 신호를 분해하기 위한 적어도 하나의 분해 유닛(1);
상기 제1 서브 신호(ρ(n))를 아웃페이징 신호(ø(n))로 변환하는 적어도 하나의 아웃페이징 신호 생성기(2);
상기 제2 서브 신호(δ(n))를 델타 시그마 변조 신호(h(n))로 변환하는 적어도 하나의 델타 시그마 변조기(3);
제1 혼합 신호 및 제2 혼합 신호를 생성하기 위해 상기 아웃페이징 신호(ø(n))와 상기 델타 시그마 변조 신호(h(n))를 함께 혼합하기 위한 적어도 하나의 혼합 유닛(4);
상기 제1 혼합 신호를 증폭시키기 위한 적어도 하나의 제1 증폭기(5);
상기 제2 혼합 신호를 증폭시키기 위한 적어도 하나의 제2 증폭기(6);
델타 시그마 변조 출력 신호를 생성하기 위해 상기 증폭된 제1 혼합 신호 및 상기 증폭된 제2 혼합 신호를 결합하기 위한 적어도 하나의 결합기(7); 및
상기 입력 신호의 엔벨로프를 다시 상기 출력 신호로 복구하기 위해 상기 델타 시그마 변조 출력 신호를 필터링하기 위한 적어도 하나의 대역 통과 필터(8)
를 포함하는 아웃페이징 송신기. - 제1항에 있어서,
상기 혼합 유닛(4)은,
상기 델타 시그마 변조 신호로 상기 음의 위상 아웃페이징 신호를 변조하기 위한 적어도 하나의 제1 혼합기(9);
상기 델타 시그마 변조 신호로 상기 양의 위상 아웃페이징 신호를 변조하기 위한 적어도 하나의 제2 혼합기(10);
음의 위상 델타 시그마 변조 아웃페이징 신호를 RF 반송 주파수로 상향 변환하기 위한 적어도 하나의 제3 혼합기(11);
양의 위상 델타 시그마 변조 아웃페이징 신호를 RF 반송 주파수로 상향 변환하기 위한 적어도 하나의 제4 혼합기(12);
상향 변환에 사용될 반송 무선 주파수 신호를 생성하기 위한 적어도 하나의 신호 생성기(13)
를 포함하는 아웃페이징 송신기. - 제2항에 있어서,
상기 혼합 유닛(4)은,
상기 제2 혼합기(10)의 출력을 필터링하기 위한 적어도 하나의 제1 저역 통과 필터(14); 및
상기 제1 혼합기(9)의 출력을 필터링하기 위한 적어도 하나의 제2 저역 통과 필터(15)
를 더 포함하는 아웃페이징 송신기. - 제1항에 있어서,
상기 결합기(7)는,
키렉스 결합기의 형태인
아웃페이징 송신기.
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