KR100548763B1 - 피드포워드 방식의 선형화기를 갖는 기지국 송신장치 - Google Patents

피드포워드 방식의 선형화기를 갖는 기지국 송신장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 피드포워드(FEED-FORWARD) 방식의 선형화기를 갖는 기지국 송신장치에 관한 것으로서, 모뎀에서 생성된 소스신호를 아날로그 신호로 변환하는 디지털/아날로그 변환부, 상기 변환된 신호를 기지국에서 송신하고자 하는 주파수로 변환하는 입출력 변조부, 상기 변환된 신호를 입력받아 상기 신호를 증폭하는 전력증폭기, 상기 증폭된 신호를 필터링하는 필터부 및 필터링된 신호를 자유공간으로 전파하는 전송부를 구비한 주경로수단, 상기 입력되는 신호의 세기에 따른 이득의 감소 및 출력신호 위상의 비선형적으로 변화하는 전력증폭기 입력신호를 곱한 결과와 실제 전력증폭기의 출력신호를 비교하여 오차가 최소가 되도록 하는 전력증폭기의 실시간 모델링 기능과 상기 모델링 기능을 이용하여 전력증폭기의 출력신호에 나타나는 왜곡성분을 상쇄시키기 위한 에러신호를 생성하는 디에스피(DSP) 수단, 상기 모델링을 위해 필요한 상기 전력증폭기의 출력신호를 변환하여 상기 DSP 수단에 전달하는 피드백 경로 수단 및 상기 DSP 수단에 의해 생성된 에러신호를 이용하고자 하는 신호로 변환한 후 변환된 신호를 이용하여 출력하고자 하는 주파수로 변환하고 증폭하는 아날로그 에러 신호 생성 수단을 포함함으로써, 전력증폭기의 출력에 적용된 시간지연 선로의 손실을 최소화할 수 있는 효과를 갖는다.

Description

피드포워드 방식의 선형화기를 갖는 기지국 송신장치{Base station transmit unit with feed-forward mode linearization unit}
도 1a 는 종래의 기지국 송신장치의 구성도,
도 1b 는 종래의 피드포워드 방식 고출력 전력증폭기의 구성도,
도 2 는 본 발명이 적용되는 기지국 송신장치의 구성도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
100 : 주 경로부 110 : 모뎀부
120 : 전치왜곡 변조부 130 : 제 1 디지털/아날로그 변환부
140 : 제 1 입출력 변조부 150 : 제 2 전력증폭부
160 : 결합부 170 : 필터부
180 : 전송부 200 : DSP부
210 : 제 1 지연부 220 : HPA 모델링부
230 : 제 2 지연부 240 : 에러 신호 발생부
300 : 피드백 경로부 310 : 아날로그/디지털 변환부
320 : 입출력 복조부 400 : 아날로그 에러 신호 생성부
410 : 제 2 디지털/아날로그 변환부 420 : 제 2 입출력 변조부
430 : 에러 증폭부 500 : 제 2 LO 부
본 발명은 피드포워드 방식의 선형화기를 갖는 기지국 송신장치에 관한 것으로서, 이동통신의 기지국 송신장치는 인접 채널에 영향을 주지 않도록 인접채널 전력 레벨(level)을 엄격하게 제한하고 있으며, 상기 기지국 송신장치의 경우 이러한 인접 채널 전력 발생에 가장 주된 것이 최종단 고출력 전력증폭기의 비선형 특성에 기인한다.
도 1a 는 종래의 기지국 송신장치의 구성도로서, 통신을 위한 소스(source) 신호를 생성하는 제 1 모뎀(modem)부(1), 상기 생성된 신호의 베이스밴드 디지털(Base-Band digital) 신호를 아날로그 신호로 변환시켜 주는 아날로그 기저대역부(2), 상기 변환된 아날로그 신호를 무선 주파수(Radio Frequency, 이하 RF라 칭함) 대역의 주파수로 상향 변조시키는 상향 변환부(Up Converter)(3), 주파수 상향 변조된 신호를 증폭시키는 제 1 전력 증폭부(HPA)(5), 상기 증폭된 신호에 포함된 스퓨리어스(spurious) 성분을 제거하는 제 1 필터부(Filter)(5), 상기 필터링된 신호를 자유공간으로 전파시키는 제 1 전송부(ANT)(6)로 이루어져 있다.
도 1b 는 종래의 피드포워드 방식 고출력 전력증폭기의 구성도로서, 그 동작원리를 보면 다음과 같다.
먼저 주전력증폭기(Main Amplifier)에 출력신호는 원래 주전력 증폭기에 입력된 신호 성분이외에 전력증폭기의 비선형 특성에 의한 왜곡성분(IMD)을 포함하여 증폭된 신호의 일부를 샘플링한 후 상기 원래의 입력신호의 일부를 샘플링한 신호와 서로 상쇄되도록 결합시키면 결합부(COMBINER)(SIGMA)의 출력에는 왜곡성분만 존재하는데, 상기 신호를 에러(Error) 증폭기를 통해 증폭한 후 주전력증폭기의 출력신호에 왜곡성분이 상쇄되도록 더해주면 전력증폭기의 최종 출력에는 왜곡성분이 없는 원래의 입력신호의 증폭된 성분만 출력되는, 즉 기본 동작 원리는 원래의 입력 신호 성분을 이용하여 전력증폭기에 나타나는 왜곡성분을 추출하고 이를 이용하여 최종 출력에 나타나는 왜곡성분을 제거하는 것이다.
또한 상기 전력증폭기 구성도에 나타난 이득 및 위상조절기(Gain/Phase)는 전력증폭기의 특성변화에 대해서도 주전력증폭기의 출력에 왜곡성분이 나타나지 않도록 자동적으로 조절될 수 있도록 한다.
하지만 상기 종래의 기지국 송신장치는 전력증폭기에서 사용되는 원래의 입력 신호가 만약 왜곡된다면 전력증폭기의 출력에는 전력증폭기 입력신호 보다 더 나은 출력신호는 얻을 수 없으며, 또한 전력증폭기의 특성 변화에 대해서도 자동적으로 원래의 전력증폭기 성능을 유지시키기 위해 적응 알고리즘(Adaptive Algorithm)이 적용되는데, 상기 알고리즘을 적용하는데 있어 입력신호가 사용될 수 있으며 이를 위해서는 입력신호를 디에스피(DSP) 등과 같은 프로세서에서 사용할 수 있도록 기저대역 신호로 변환하기 위한 하향 변환(DOWN-CONVERSION)이 필요한데, 이때 원래의 입력신호에 왜곡성분이 추가될 수 있으며, 이는 전력증폭기의 선 형 특성을 향상시키는데 있어 장애가 될 수 있는 문제가 있다.
상기와 같이 증폭기에서 발생하는 왜곡은 입력신호 전력증폭기에 따른 이득감소(AM to AM)와 입력신호 전력증가에 따른 위상변화(AM to PM)에 의해 발생하는데, 상기 전력증폭기의 비선형 특성을 개선하기 위해 전력증폭기의 최종 출력 전력을 낮게 백오프(Back Off)하여 입력신호 전체 변화구간에 대해 선형적으로 동작하도록 할 수 있지만, 이는 전력증폭기의 효율이 매우 낮아지는 단점이 있다.
또한 전력증폭기에 새로운 회로를 추가하여 전력증폭기의 선형 특성을 향상시키는 것이 있는데, 그 가운데 전치왜곡방식은 구성이 간단하고 입력신호 대역이 넓은 경우에도 적용할 수 있기 때문에 널리 사용되고 있지만 이 방식의 동작 원리는 전력증폭기의 비선형 특성과 반대되는 장치(전치왜곡기)를 전력증폭기의 전단에 구성하여 전치왜곡기와 전력증폭기 전체의 시스템 이득과 위상이 일정하도록 하는 방식으로서, 이는 주로 단일 주파수 성분만을 증폭하는데 주로 이용되며 전력증폭기의 선형 특성 개선 효과가 대략 10∼20dB로서 다수 캐리어를 사용하는 이동통신 기지국에 적용하는데는 한계가 있으며, 다수캐리어를 사용하는 경우 또는 선형 특성 개선이 30dB 이상 필요한 경우에는 주로 피드포워드(Feed Forward) 방식의 선형화기가 주로 사용되는데, 실제로 현재 운용되고 있는 씨디엠에이(CDMA) 방식의 이동통신 기지국에 적용되는 고출력 전력증폭기에 이 방식이 적용되어 제작되었지만 전력증폭기의 효율이 다른 선형화 방식에 비해 떨어지고 전력증폭기 구성이 매우 복잡한 단점이 있으며, 대부분 이 방식의 전력증폭기는 RF 대역에서 동작되도록 아날로그 회로로 구성됨으로써 동작 조건 또는 사용시간에 따라 그 특성이 변화될 수 있는 단점을 갖는다.
상기 단점을 해결하기 위해 본 발명은, 기저대역의 입력신호를 이용할 수 있도록 하며 주전력 증폭기의 출력에 사용되는 지연선로에 의한 전력손실을 최소화할 수 있는 기지국 송신장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 모뎀에서 생성된 소스신호를 디지털/아날로그 변환부에서 변환하여 변환된 신호를 입출력 복조부를 통해 기지국에서 송신하고자 하는 주파수로 변환한 후 전력증폭기로 입력하여 증폭된 신호를 제 2 필터부에서 필터링하여 제 2 전송부를 통해 자유공간으로 전파하는 주경로수단, 상기 전력증폭기에 입력되는 신호의 세기에 따른 이득의 감소 및 출력신호의 위상의 비선형적인 변화를 통해 에러신호를 생성하는 디에스피(DSP) 수단, 상기 에러신호 생성을 위해 필요한 전력증폭기의 출력신호를 상기 DSP 수단에 전달하는 피드백 경로 수단 및 상기 DSP 수단에 의해 생성된 에러신호를 출력하고자 하는 주파수로 변환하는 아날로그 에러 신호 생성 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2 는 본 발명이 적용되는 기지국 송신장치의 구성도로서, 모뎀(Modem)부(110), 전치왜곡 변조(Predistortion Modulation)부(120), 제 1 디지 털/아날로그(D/A) 변환부(130), 제 1 입/출력(I/Q) 변조부(Modulator)(140), 제 2 전력증폭부(HPA)(150), 필터부(Filter)(170) 그리고 전송부(ANT)(180)로 구성된 주경로부(100)와, HPA 모델링부(220), 에러 신호 발생부(240)로 이루어진 DSP부(200)와, 상기 HPA를 모델링하기 위한 입출력(I/Q) 복조부(320)와 아날로그/디지털 변환부(310)로 구성된 피드백(Feed-Back) 경로부(300) 및 상기 DSP부(200)에 의해 생성된 에러 신호를 아날로그로 변환한 후 증폭하기 위한 제 2 디지털/아날로그(D/A) 변환부(410), 제 2 입/출력 변조부(420) 및 에러 증폭부(430)로 이루어진 아날로그 에러 신호 생성부(400)로 구성된다.
상기와 같이 구성된 기지국 송신장치 각 수단의 동작을 살펴보면 다음과 같다.
상기 주 경로부(100) 내의 모뎀부(110)에서 생성된 소스(Source) 신호는 전력증폭기의 선형 특성을 개선하기 위해 전력증폭기의 특성과 반대가 되도록 전치왜곡 변조부(120)에서 변조된 후 제 1 디지털/아날로그(D/A) 변환부(130)에 의해 아날로그 신호로 변환되고 다시 제 1 입출력(I/Q) 변조부(140)에 의해 기지국에서 송신하고자 하는 주파수로 변환된 후 전력증폭기에 입력되며, 상기 증폭된 신호는 종래의 기술과 동일하게 필터부(170)에서 필터링된 후 전송부(180)를 통해 자유공간으로 전파된다.
또한 상기 DSP부(200)는 크게 사용되는 전력증폭기의 실시간 모델링 기능과 상기 모델을 이용하여 에러 신호를 생성하는 기능의 두 가지 주요 기능을 갖는데, 먼저 실시간 모델링을 위해 전력증폭기의 비선형 특성은 AM to AM과 AM to PM으로 나뉘어지며, 상기 AM to AM은 전력증폭기에 입력되는 신호세기에 따라 전력증폭기의 이득이 감소되는 것이고, 상기 AM to PM은 전력증폭기에 입력되는 신호의 세기에 따라 전력증폭기 출력신호의 위상이 비선형적으로 변화하는 것으로서, 이를 모델링하는 방식은 상기 전력증폭기를 모델링하기 위하여 입력신호의 크기를 기저함수로 갖는 멱급수(Power Series)식을 정의하는데, 정의된 식은 미지계수를 포함하며 이미지 계수를 결정함으로써 전력증폭기의 AM to AM과 AM to PM을 모델링할 수 있다.
이때 상기 미지계수는 전력증폭기 모델식에 전력증폭기 입력신호를 곱한 결과와 실제 전력증폭기의 출력신호를 비교하여 이 오차가 최소가 되도록 함으로써 결정되며, 상기 전력증폭기의 출력신호에 나타나는 왜곡성분을 상쇄시키기 위한 에러신호는 다음과 같이 생성된다.
상기 전력증폭기의 모델이 완성되면 이 모델식에 전력증폭기 원래의 입력신호를 곱하면 결과식에는 전력증폭기 비선형 특성이 반영된 출력신호가 나타나는 즉, 선형적으로 증폭된 성분과 비선형적으로 증폭된 성분으로 나뉘어지는데, 이 출력신호를 원래의 입력신호를 이용하여 빼주면 최종적으로 왜곡성분만 존재하게 되며, 상기 에러신호 생성은 실제 전력증폭기의 출력신호를 이용하여 추출하지 않고 전력증폭기의 모델식을 이용하여 추출할 수 있기 때문에 지연(Delay)을 맞추는 것이 용이하며, 실제 전력증폭기의 출력신호를 샘플링하기 위한 부가회로가 필요하지 않다.
상기 DSP부(200)에 포함된 상기 제 1 지연부(210)는 DSP로 구현되어 모델링 시 실제 전력증폭기의 출력신호와 비교되는 샘플간의 지연을 맞춰주기 위한 것이며, 또한 에러신호를 생성부에 적용한 제 2 지연부(230)는 에러 증폭소자에 의해 출력되는 신호가 전력증폭기(HPA)의 출력신호와 정확히 일치되게끔 하기 위한 것으로서, 이 또한 상기 DSP부에 의해 구현된다.
그리고 상기 피드백 경로부(300)는 상기 전력증폭기의 AM to AM과 AM to PM을 모델링하기 위해 필요한 전력증폭기의 출력신호를 상기 DSP부(200)에 전달하기 위한 경로로서, 전력증폭기의 출력신호의 일부를 샘플링한 후 이를 입출력(I/Q) 복조부(320)에 의해 하향 변환되며, 이 신호는 아날로그/디지털(A/D) 변환부(310)에 의해 디지털 신호로 변환된 후 상기 DSP부(200)에 전달된다.
다음으로 상기 아날로그 에러 신호 생성부(400)는 상기 DSP부(200)에 의해 생성된 에러 신호를 제 2 디지털/아날로그(D/A) 변환부(410)를 이용하여 아날로그 신호로 변환한 후 이를 제 2 입/출력 변환부(420)를 이용하여 출력하고자 하는 RF 주파수로 변환하고, 상기 변환된 신호를 에러 증폭부(430)를 이용하여 증폭한 후 주 경로부(100)의 전력증폭기에서 출력되는 신호에 180도 위상차가 발행하도록 더해주는데, 상기 에러 증폭부(430)와 주 경로부의 제 2 전력증폭부(150)의 온도, DC 입력 전원 등의 동작 조건 변화에 따른 특성 변화에 대해서도 에러 신호의 상쇄가 초기 상태와 동일하게 유지될 수 있도록 조절할 수 있도록 하기 위해 에러 증폭부 전단에 가변 신호감쇠기(Variable Attenuator)와 가변 위상변위기(Variable Phase Shifter)를 포함할 수 있는데, 이를 제거하기 위한 아날로그 회로도 추가될 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명은 기저대역의 입력신호를 이용할 수 있는 기지국 송신장치를 제공함으로써, 전력증폭기의 출력에 적용된 시간지연 선로의 손실을 최소화할 수 있는 효과를 갖는다.

Claims (4)

  1. 모뎀에서 생성된 소스신호를 아날로그 신호로 변환하는 디지털/아날로그 변환부, 상기 변환된 신호를 기지국에서 송신하고자 하는 주파수로 변환하는 입출력 변조부, 상기 변환된 신호를 입력받아 상기 신호를 증폭하는 전력증폭기, 상기 증 폭된 신호를 필터링하는 필터부 및 필터링된 신호를 자유공간으로 전파하는 전송부를 구비한 주경로수단;
    상기 입력되는 신호의 세기에 따른 이득의 감소 및 출력신호 위상의 비선형적으로 변화하는 전력증폭기 입력신호를 곱한 결과와 실제 전력증폭기의 출력신호를 비교하여 오차가 최소가 되도록 하는 전력증폭기의 실시간 모델링과, 상기 모델링 기능을 이용하여 전력증폭기의 출력신호에 나타나는 왜곡성분을 상쇄시키기 위한 에러신호를 생성하는 디에스피(DSP) 수단;
    상기 모델링을 위해 필요한 상기 전력증폭기의 출력신호를 변환하여 상기 DSP 수단에 전달하는 피드백 경로 수단; 및
    상기 DSP 수단에 의해 생성된 에러신호를 이용하고자 하는 신호로 변환한 후 변환된 신호를 이용하여 출력하고자 하는 주파수로 변환하고 증폭하는 아날로그 에러 신호 생성 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 피드포워드 방식의 선형화기를 갖는 기지국 송신장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 디에스피(DSP) 수단은
    상기 전력증폭기의 선형 특성을 개선하기 위해 전력증폭기 특성과 반대가 되도록 전치왜곡시킨 신호를 실제 전력증폭기의 출력신호와 비교되는 샘플간의 지연을 맞춰주기 위한 제 1 지연부;
    상기 제 1 지연부를 통해 지연된 신호와 상기 전력증폭기의 변환된 디지털 신호를 받아 실시간 모델링 기능을 수행하여 에러 신호 발생을 위한 모델링 신호를 발생하는 HPA 모델링부; 및
    상기 모뎀부로부터 생성된 신호가 실제 전력증폭기의 출력신호와 일치되도록 지연시키는 제 2 지연부; 및
    상기 제 2 지연부를 통해 지연된 신호와 상기 HPA 모델링부로부터 공급되는 신호를 입력받아 에러신호를 생성하는 에러신호 생성부로 이루어진 것을 특징으로 하는 피드포워드 방식의 선형화기를 갖는 기지국 송신장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 피드백 경로 수단은
    상기 전력증폭기의 출력신호 일부를 샘플링하여 낮은 주파수 출력신호로 변환하는 입/출력 복조부; 및
    상기 낮은 주파수 신호를 디지털 신호로 변환한 후 상기 HPA 모델링부에 전달하는 아날로그/디지털 변환부로 이루어진 것을 특징으로 하는 피드포워드 방식의 선형화기를 갖는 기지국 송신장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 아날로그 에러 신호 생성수단은
    상기 DSP 수단으로부터 생성된 에러신호를 아날로그 신호로 변환하는 디지털/아날로그 변환부;
    상기 변환된 신호를 출력하고자 하는 무선 주파수 신호로 변환하는 제 2 입출력 변조부; 및
    상기 변환된 신호를 증폭한 후 상기 주경로부의 전력증폭기에서 출력되는 신호에 위상차가 발생하도록 더해주는 에러증폭부로 이루어진 것을 특징으로 하는 피드포워드 방식의 선형화기를 갖는 기지국 송신장치.
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