KR101017182B1 - A method and system of efficiently amplifying a discrete-amplitude RF pulse train in a high-efficiency linear power amplification system with pulse area modulation - Google Patents

A method and system of efficiently amplifying a discrete-amplitude RF pulse train in a high-efficiency linear power amplification system with pulse area modulation Download PDF

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Abstract

본 발명은 펄스면적변조(Pulse Area Modulation(PAM))를 이용한 고효율 선형 전력증폭기 시스템에서 이산적인(discrete) 진폭을 가지는 RF 펄스열(Pulse train)을 고효율로 증폭하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

본 발명에서는 입력신호의 크기에 따라 소정 레벨의 개별적인 값(discrete value)을 갖는 RF 펄스열을 고효율로 증폭하기 위해, 위상차를 가진 두 개의 비선형 전력증폭기의 출력 전력을 결합(combining)한다.

본 발명에 따르면 두 개의 비선형 전력증폭기 출력의 결합 시 상기 전력증폭기 출력 간의 위상차에 따라 결합된 신호의 크기가 변하므로, 고효율로 다양한 이산적 진폭을 가지는 증폭된 RF 펄스열을 만들 수 있다.

본 발명은 두 개의 비선형 전력증폭기의 출력 위상차를 조절함으로써 적어도 두 개 이상의 이산적 진폭을 갖는 증폭된 RF 펄스열을 만들 수 있어, PAM을 이용한 고효율 선형 전력증폭기 시스템을 저비용으로 간단히 구현할 수 있다는 장점이 있다.

Figure R1020080027847

펄스면적변조(Pulse Area Modulation), 선형 전력증폭기(Linear Power Amplifier), RF 펄스열(RF Pulse Train), 아웃페이징 전력증폭기(Outphasing Power Amplifier)

The present invention relates to a method and apparatus for amplifying RF pulse trains having discrete amplitude with high efficiency in a high efficiency linear power amplifier system using pulse area modulation (PAM).

In the present invention, in order to amplify the RF pulse train having a predetermined level of discrete values according to the magnitude of the input signal with high efficiency, the output power of two nonlinear power amplifiers having a phase difference is combined.

According to the present invention, when the two nonlinear power amplifier outputs are combined, the magnitude of the combined signal varies according to the phase difference between the power amplifier outputs, thereby making it possible to create an amplified RF pulse train having various discrete amplitudes with high efficiency.

According to the present invention, an amplified RF pulse train having at least two discrete amplitudes can be made by adjusting the output phase difference of two nonlinear power amplifiers, so that a high efficiency linear power amplifier system using PAM can be easily implemented at low cost. .

Figure R1020080027847

Pulse Area Modulation, Linear Power Amplifier, RF Pulse Train, Outphasing Power Amplifier

Description

펄스면적변조를 이용한 고효율 선형 전력증폭기 시스템에서 이산적인 진폭을 가지는 알에프 펄스열을 고효율로 증폭하는 방법 및 장치 {A method and system of efficiently amplifying a discrete-amplitude RF pulse train in a high-efficiency linear power amplification system with pulse area modulation}Method and system of efficiently amplifying a discrete-amplitude RF pulse train in a high-efficiency linear power amplification system in high efficiency linear power amplifier system using pulse area modulation with pulse area modulation}

본 발명은 RF 고효율 선형 전력증폭기에 관한 것이다.The present invention relates to an RF high efficiency linear power amplifier.

본 발명은 펄스면적변조(Pulse Area Modulation (PAM))를 이용한 선형 전력증폭기 시스템에서 이산적인 진폭(discrete amplitude) 을 가지는 RF 펄스열(RF pulse train)을 고효율로 증폭하는 방법 및 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a method and apparatus for efficiently amplifying an RF pulse train having discrete amplitude in a linear power amplifier system using pulse area modulation (PAM).

다양한 이동통신 서비스가 제공되면서, 이동통신 단말기의 효율이 중요한 문제로 떠오르고 있다. 휴대용 배터리의 용량과 크기에 한계가 있기 때문에, 이동통신 단말기 회로를 저전력으로 설계하는 것이 필요하다. 현재 이동통신 단말기에서 전력을 가장 많이 소모하는 부품은 전력증폭기로, CDMA 이나 OFDM 방식의 단말기인 경우 그 효율은 20% 미만이다. 이렇게 CDMA 이나 OFDM 단말기의 효율이 낮은 이유 는 상기 신호의 포락선(envelope)이 시간적으로 바뀌기 때문이다. 신호의 포락선이 일정하지 않으면 신호를 증폭하기 위해서 선형 증폭기가 필요하며, 일반적으로 선형 증폭기는 A 혹은 AB급으로 바이어스를 두기 때문에 전력 손실이 크게 된다.As various mobile communication services are provided, efficiency of mobile communication terminals has emerged as an important problem. Due to the limited capacity and size of portable batteries, it is necessary to design mobile communication terminal circuits at low power. Currently, the most power-consuming component in a mobile communication terminal is a power amplifier, and the efficiency of the CDMA or OFDM terminal is less than 20%. The reason why the efficiency of CDMA or OFDM terminals is low is because the envelope of the signal changes in time. If the signal envelope is not constant, a linear amplifier is required to amplify the signal. In general, linear amplifiers are biased in class A or AB, resulting in large power loss.

포락선이 시간적으로 변하는 신호를 고효율로 증폭하기 위한 방법으로 펄스폭변조(Pulse Width Modulation(PWM))을 이용한 전력증폭기 시스템이 있다. PWM을 이용한 선형 전력증폭기 시스템은 "An Improved Kahn Transmitter Architecture Based on Delta-Sigma Modulation", Yuanxun Wang. 2003 IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig.에서 제안되었다. 상기 PWM을 이용한 전력증폭기 시스템은 입력신호를 PWM 신호로 바꾸고, 상기 PWM 신호를 고효율 전력증폭기(예를 들면 D, E급 혹은 F급 전력 증폭기) 입력으로 인가하여 증폭한 후, 대역통과필터(band-pass filter)를 통과시켜 입력신호를 복원하는 것이다.A power amplifier system using pulse width modulation (PWM) is a method for amplifying a signal whose envelope changes in time with high efficiency. The linear power amplifier system using PWM is "An Improved Kahn Transmitter Architecture Based on Delta-Sigma Modulation", Yuanxun Wang. 2003 IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Proposed in Dig. The power amplifier system using the PWM converts the input signal into a PWM signal, amplifies by applying the PWM signal to the input of a high efficiency power amplifier (for example, D, E or F power amplifier), and then a band pass filter (band -pass filter) to restore the input signal.

PWM을 이용한 전력증폭기 시스템에서는 입력신호에 따라 고효율 증폭기를 온(ON)/오프(OFF)의 두 모드(mode)로만 동작시키므로 효율이 매우 높다. 또한, 출력신호의 크기는 사용된 고효율 전력증폭기 비선형성에 관계없이, 펄스폭변조 방식으로 변환된 신호의 펄스 폭에만 비례하기 때문에 선형성이 매우 우수하다.In the power amplifier system using PWM, the efficiency is very high because the high efficiency amplifier is operated only in two modes of ON / OFF according to the input signal. In addition, since the magnitude of the output signal is proportional to only the pulse width of the signal converted by the pulse width modulation method, regardless of the high efficiency power amplifier nonlinearity used, the linearity is excellent.

도 1은 종래에 사용되어지던 PWM을 이용한 고효율 선형 전력증폭기 시스템의 구성을 도시하는 도면이다. 상기의 고효율 선형 전력증폭기 시스템은 입력신호(101)를 포락선신호 (108)와 위상신호(109)로 분리하기 위한 포락선/위상 분리기(102), 상기 포락선신호를 펄스폭변조하기 위한 펄스폭 변조기(103), 상기 펄스 변조된 신호와 상기 위상신호를 혼합하기 위한 혼합기(104), 혼합기의 출력을 고효율증폭하기 위한 고효율전력증폭기(105), 증폭된 신호에서 원래의 입력신호를 복원하기 위한 대역통과필터(band-pass filter)(106)로 구성된다. 1 is a diagram illustrating a configuration of a high efficiency linear power amplifier system using PWM that has been conventionally used. The high efficiency linear power amplifier system includes an envelope / phase separator (102) for separating the input signal (101) into an envelope signal (108) and a phase signal (109), and a pulse width modulator for pulse width modulation of the envelope signal ( 103), a mixer 104 for mixing the pulse modulated signal and the phase signal, a high efficiency power amplifier 105 for high efficiency amplifying the output of the mixer, and a bandpass for restoring the original input signal from the amplified signal. Band-pass filter 106.

PWM을 이용한 고효율 선형 전력증폭기 시스템의 동작원리는 다음과 같다. 입력신호(101)가 들어오면 포락선/위상 분리기(102)를 이용하여 입력신호는 포락선신호(108)와 위상신호(109)로 분리된다. 상기 위상신호는 입력신호(101)의 위상정보를 가진 신호로, 포락선이 시간적으로 변하지 않는 RF 신호이다. 분리된 포락선신호(108)는 증폭할 때 효율을 높이기 위해 펄스형태로 변조되는데, 포락선의 크기가 펄스 폭에 비례하는 펄스폭변조 방식으로 변조된다. 즉, 상기의 포락선신호(108)는 펄스폭변조기(103)에 인가되어 펄스폭변조된다. 한편, 분리된 위상신호(109)는 상기 펄스폭변조된 신호와 혼합되어 스위치 모드 전력증폭기와 같은 고효율전력증폭기(105)에 인가된다. 이때 전력증폭기(105)의 입력은 RF 펄스열(RF pulse train)(110)이며, D, E, 혹은 F급 증폭기와 같은 스위치 모드 전력증폭기로 증폭되기 때문에 이론적으로 100%의 전력 효율을 갖는다. 마지막으로, 상기 고효율전력증폭기(105)로 증폭된 신호는 대역통과필터(106)를 통과하면서 펄스폭변조에 의해 생긴 고조파 성분(harmonic component)이 걸러지므로, 원래 입력신호(101)가 그대로 복원되어 출력(107)된다.The operation principle of high efficiency linear power amplifier system using PWM is as follows. When the input signal 101 comes in, the input signal is separated into the envelope signal 108 and the phase signal 109 using the envelope / phase separator 102. The phase signal is a signal having phase information of the input signal 101, and is an RF signal whose envelope does not change in time. The separated envelope signal 108 is modulated in a pulse form in order to increase efficiency when amplified, and the size of the envelope is modulated in a pulse width modulation scheme in which the magnitude of the envelope is proportional to the pulse width. That is, the envelope signal 108 is applied to the pulse width modulator 103 to be pulse width modulated. Meanwhile, the separated phase signal 109 is mixed with the pulse width modulated signal and applied to the high efficiency power amplifier 105 such as a switch mode power amplifier. In this case, the input of the power amplifier 105 is an RF pulse train 110 and is theoretically 100% power efficient because it is amplified by a switch mode power amplifier such as a D, E, or F amplifier. Finally, since the signal amplified by the high efficiency power amplifier 105 passes through the bandpass filter 106, the harmonic component generated by the pulse width modulation is filtered, so that the original input signal 101 is restored as it is. Output 107.

상기와 같이 PWM을 이용한 고효율 선형 전력증폭기 시스템은 이론적으로 100% 효율을 가지면서 선형 증폭을 할 수 있으나, 펄스폭변조 방식에 의해 생긴 고조파 성분을 완전히 제거하기 위해 대역통과필터는 매우 높은 Q(Quality-factor) 값을 가져야 한다는 단점이 있다. 그러나 높은 주파수에서는 높은 Q 값을 갖는 대역통과필터는 필터의 삽입손실(insertion loss)이 커지며, 제조하기 매우 어렵다는 문제점이 있다. 또, PWM 방식에서는 입력신호가 작을 때 펄스폭은 작게 되고, 작은 펄스폭을 가진 PWM 신호는 대역내 신호 성분(inband signal component)보다 고조파 성분이 상대적으로 커지게 되어 신호를 복원할 때 손실이 커지게 된다.As mentioned above, the high efficiency linear power amplifier system using PWM can achieve linear amplification with 100% efficiency, but the bandpass filter has a very high Q (Quality) to completely remove the harmonics caused by the pulse width modulation method. The disadvantage is that it must have a -factor) value. However, at high frequencies, the bandpass filter having a high Q value has a problem that the insertion loss of the filter becomes large and is very difficult to manufacture. In addition, in the PWM method, when the input signal is small, the pulse width is small, and the PWM signal having the small pulse width has a larger harmonic component than the inband signal component, so that the loss is large when restoring the signal. You lose.

PWM을 이용한 고효율 선형 전력증폭기 시스템의 위와 같은 단점들을 해결하기 위해, 한국등록특허(10-0710509)에는 펄스면적변조(Pulse Area Modulation(PAM))방식을 이용하여 고조파 성분을 줄이고 이로 인한 전력증폭기의 효율을 개선시키는 방법이 제안 되었다. In order to solve the above shortcomings of the high efficiency linear power amplifier system using PWM, Korean Patent Registration (10-0710509) uses a Pulse Area Modulation (PAM) method to reduce harmonic components and thereby A method of improving the efficiency has been proposed.

펄스면적변조(PAM)는 입력신호의 크기를 펄스의 면적으로 변조시키는 방식이다. PAM이 PWM과 다른 점은, PAM은 펄스의 높이가 신호의 크기에 따라 변하는데 비해 PWM은 고정된 높이를 가진다는 점이다. 즉, 입력신호의 크기에 따라 PAM에서는 펄스의 높이와 폭이 동시에 변하는데 비해, PWM은 펄스의 폭만 변한다. 도 2는 입력신호에 따른 PAM과 PWM을 비교하여 나타낸 도면이다.Pulse area modulation (PAM) modulates the magnitude of the input signal into the area of the pulse. The difference between PAM and PWM is that PAM has a fixed height while pulse height varies with the size of the signal. That is, in the PAM, the height and width of the pulse change simultaneously with the size of the input signal, whereas the PWM only changes the width of the pulse. 2 is a diagram illustrating a comparison between PAM and PWM according to an input signal.

이러한 PAM을 이용한 고효율 선형 전력증폭기 시스템은 입력신호를 이산적인 (discrete) 진폭을 가지는 RF 펄스열(pulse train)로 변환하고, 변환된 RF 펄스열을 증폭한 후, 이를 대역통과필터(band-pass filter)에 통과시켜 입력신호를 복원하는 구조이다. 이때 상기 이산 진폭 RF 펄스열의 크기는 입력신호의 크기에 따라 소정 레벨을 가진다. 도 3은 RF 펄스열 (RF pulse train)과 이산 진폭 RF 펄스열(discrete-amplitude RF pulse train)을 비교하여 나타낸 도면이다. The high-efficiency linear power amplifier system using the PAM converts the input signal into an RF pulse train having discrete amplitude, amplifies the converted RF pulse train, and then converts it into a band-pass filter. It is a structure to restore the input signal by passing through. At this time, the magnitude of the discrete amplitude RF pulse string has a predetermined level according to the magnitude of the input signal. FIG. 3 is a diagram illustrating a comparison between an RF pulse train and a discrete-amplitude RF pulse train.

이러한 PAM을 이용한 선형 전력증폭기 시스템은 PWM을 이용한 선형 전력증폭기 시스템에 비해 출력단의 고조파 성분(harmonic components)이 크게 줄어 시스템의 효율을 크게 향상시킬 수 있으며, 고조파 성분을 제거하기 위해 필수적인 대역통과필터의 크기와 삽입손실(insertion loss)을 줄일 수 있다는 장점이 있다.The linear power amplifier system using the PAM can significantly improve the efficiency of the system by reducing the harmonic components of the output stage compared to the linear power amplifier system using the PWM, and the bandpass filter is essential for removing the harmonic components. The advantage is that size and insertion loss can be reduced.

한편, PAM을 이용한 고효율 선형 전력증폭기 시스템에서 증폭된 이산 진폭 RF 펄스열 (discrete-amplitude RF pulse train)을 만들기 위해서는 적어도 두 개 이상의 전력증폭기의 출력 신호를 결합해야 한다. 이때 전력증폭기는 효율을 높이기 위해 일반적으로 비선형 전력증폭기를 사용한다. 두 개의 이산적인(discrete) 진폭 레벨을 가진 RF 펄스열 신호를 고효율로 증폭하기 위해서는 두 개의 비선형 전력증폭기를 결합(combining)해야 하지만, 세 개의 이산적인 진폭 레벨을 가진 RF 펄스열 신호를 증폭하기 위해서는 세 개의 비선형 전력증폭기를 결합해야 한다. 일반적으로 N개의 이산적인 진폭 레벨(discrete-amplitude level)을 가진 RF 펄스열을 구현하기 위해서는 [log2N+1] 개의 크기가 서로 다른 비선형 전력증폭기를 결합해야 한다. 그러므로 결합되는 전력증폭기의 수가 많아지면 전체 시스템의 사이즈가 커지고, AM-AM (Amplitude to Amplitude) 에러 및 AM-PM (Amplitude to Phase) 에러가 커진다는 단점이 있다.On the other hand, in order to create an amplified discrete-amplitude RF pulse train in a high efficiency linear power amplifier system using PAM, the output signals of at least two power amplifiers must be combined. In this case, a power amplifier generally uses a nonlinear power amplifier to increase efficiency. Two nonlinear power amplifiers must be combined to efficiently amplify an RF pulse train signal with two discrete amplitude levels, but three to amplify an RF pulse train signal with three discrete amplitude levels. Nonlinear power amplifiers should be combined. In general, in order to implement an RF pulse train having N discrete-amplitude levels, it is necessary to combine [log 2 N + 1] nonlinear power amplifiers having different sizes. Therefore, the larger the number of combined power amplifiers, the larger the size of the entire system, the larger the AM-AM (Amplitude to Amplitude) error and AM-PM (Amplitude to Phase) error.

본 발명은 상술한 문제점들을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 펄스면적변조를 이용한 선형 전력증폭기 시스템에서 오직 두 개의 비선형 전력증폭기를 사용하여 N (N은 2이상의 정수)개의 진폭 레벨을 갖는 RF 펄스열 (RF pulse train)을 고효율로 증폭하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems. In the linear power amplifier system using pulse area modulation, an RF pulse train (RF) having an amplitude level of N (N is an integer of 2 or more) using only two nonlinear power amplifiers The purpose is to amplify pulse trains with high efficiency.

본 발명에서는 입력신호의 크기에 따라 소정 레벨의 개별적인 값(discrete value)을 갖는 RF 펄스열을 고효율로 증폭하기 위해, 위상차를 가진 두 개의 비선형 전력증폭기의 출력을 결합(combining)한다.In the present invention, in order to amplify the RF pulse train having a predetermined level of discrete values according to the magnitude of the input signal with high efficiency, the outputs of two nonlinear power amplifiers having a phase difference are combined.

PAM을 이용한 고효율 선형 전력증폭기에서, 본 발명에 의하면, 두 개 이상의 이산 진폭 RF 펄스열을 위상차를 가진 오직 두 개의 전력증폭기의 결합함으로써 고효율로 증폭시킬 수 있어, PAM을 이용한 고효율 선형 증폭기를 간단하게 구현할 수 있는 효과가 있다. 또한 두 개의 전력증폭기만 사용되므로, 시스템의 크기가 줄어들고 저비용으로 구현할 수 있는 효과가 있다.In the high efficiency linear power amplifier using the PAM, according to the present invention, two or more discrete amplitude RF pulse trains can be amplified with high efficiency by combining only two power amplifiers having a phase difference, thereby easily implementing a high efficiency linear amplifier using the PAM. It can be effective. In addition, since only two power amplifiers are used, the system can be reduced in size and implemented at low cost.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 펄스면적변조를 이용한 고효율 선형 전력증폭기 시스템에서, 위상차를 가진 두 개의 비선형 전력증폭기의 출력을 결합한 후 상기 위상차를 조절하여 N개의 이산적 진폭 레벨을 갖는 증폭된 RF 펄스열을 만드는 것이다.In order to achieve the above object, the present invention provides a high efficiency linear power amplifier system using pulse area modulation, which combines the outputs of two nonlinear power amplifiers having a phase difference, and then adjusts the phase differences to amplify the N discrete amplitude levels. To create an RF pulse train.

상기의 RF 펄스열을 만드는 방법은 Chireix의 아웃페이징 전력증폭기 (Outphasing Power Amplifier)의 원리를 기본으로 한다. 아웃페이징 전력증폭기는 LINC (LInear amplification with Nonlinear Component)라고 불리며, 1935년에 IRE proceeding의 ‘High Power Outphasing Modulation'에서 처음으로 제안 되었다. The method of making the above RF pulse train is based on the principle of Chireix's Outphasing Power Amplifier. Out-phasing power amplifiers, called LIAN (amplification with nonlinear components), were first proposed in 1935 by IRE proceeding's High Power Outphasing Modulation.

도 4는 종래의 아웃페이징 전력증폭기의 동작 원리를 나타낸 도면이다. 아웃페이징 전력증폭기는 두 개의 전력증폭기를 비선형 영역에서 동작시켜 높은 효율을 갖는 것이다. 아웃페이징 전력증폭기에서는 위상변조기(42)를 이용하여 입력신호(41)를 시간적으로 일정한 크기의 포락선(constant envelope)을 갖는 두 개의 기본벡터 (Basis vector, 43, 44)로 분리한다. 각각의 기본벡터는 시간적으로 일정한 진폭을 가지며 위상에만 입력신호의 포락선 정보가 들어가 있으므로, 전력증폭시 스위칭 모드(switching mode)와 같은 비선형 전력증폭기를 이용하여 이론적으로 100% 효율로 두 개의 기본벡터(43, 44)를 각각 전력증폭할 수 있다. 마지막으로, 고효율로 증폭된 신호를 상기 전력증폭기의 종단의 결합기(combiner, 47)에서 합쳐주면 입력신호(41)가 복원된다.4 is a view showing the operation principle of the conventional out-page power amplifier. Out-phasing power amplifiers have high efficiency by operating two power amplifiers in a nonlinear region. In the outphasing power amplifier, the phase modulator 42 separates the input signal 41 into two Basis vectors 43 and 44 having a constant envelope of a constant size in time. Since each basic vector has a constant amplitude in time and envelope information of an input signal is contained only in a phase, the two basic vectors are theoretically 100% efficient using a nonlinear power amplifier such as a switching mode during power amplification. 43 and 44 can be amplified respectively. Finally, combining the amplified signal with high efficiency in the combiner 47 at the end of the power amplifier restores the input signal 41.

이를 수학적으로 나타내면 다음과 같다. 입력신호(Sin(t), 41)를 A(t)cos(ωt)라고 하면 (여기서, A(t)는 입력신호의 포락선 성분을 나타내며, ω는 반송파주파수, t는 시간을 나타냄), 상기 위상변조기(42)에 의해 두 개의 기본벡터 신호인 S1(t)(43)와 S2(t)(44)로 분리된다. 상기 S1(t)와 S2(t)는 하기 수학식 (1) 및 (2)로 표현된다.This is represented mathematically as follows. If the input signals S in (t) and 41 are A (t) cos (ωt), where A (t) represents the envelope component of the input signal, ω represents the carrier frequency and t represents time. The phase modulator 42 separates the two basic vector signals S 1 (t) 43 and S 2 (t) 44. S 1 (t) and S 2 (t) are represented by the following equations (1) and (2).

S1(t)= cos ωt + cos-1[A(t)]S 1 (t) = cos ωt + cos -1 [A (t)]

S2(t)= cos ωt - cos-1[A(t)] S 2 (t) = cos ωt-cos -1 [A (t)]

여기서 cos-1[A(t)]는 기본벡터(43, 44)의 위상을 나타내며, 두 벡터간의 위상 차이는 2cos-1[A(t)]가 된다.Here, cos -1 [A (t)] represents the phase of the base vectors 43 and 44, and the phase difference between the two vectors becomes 2cos -1 [A (t)].

분리된 S1(t)와 S2(t)를 이득이 G인 비선형 전력증폭기(45, 46)를 통해 증폭시키고, 결합기(47)에서 합치면 하기 수학식 (3)과 같이 입력신호(41)가 증폭되어 그대로 복원됨을 알 수 있다.The separated S 1 (t) and S 2 (t) are amplified by the nonlinear power amplifiers 45 and 46 with a gain of G, and combined in the combiner 47, the input signal 41 as shown in Equation 3 below. It can be seen that is amplified and restored as it is.

Sout(t)= G[S1(t)+S2(t)] = 2GA(t)cos (ωt)S out (t) = G [S 1 (t) + S 2 (t)] = 2GA (t) cos (ωt)

한편, 아웃페이징 전력증폭기에서 위상차(2cos-1[A(t)])를 갖는 증폭된 두 신호를 비손실 결합(lossless combining)시킬 때, 각 비선형 전력증폭기(45, 46)의 출력단과 결합기(47)의 입력단은 이론적으로 임피던스 매칭을 시킬 수 없다. 네트워크회로 이론에 의하면 3단자(3 ports) 네트워크에서는 비손실(lossless)이면서 동시에 각 포트 사이에 매칭(matching)을 시키는 것이 불가능하기 때문이다. 그러므로 실제로 아웃페이징 전력증폭기를 구현했을 경우 비선형 전력증폭기(45, 46)의 출력단과 결합기(47)의 입력단 간에 매칭이 이루어지지 않아 기존의 아웃페이징 전력증폭기는 선형성이 보장되지 않는다는 한계점이 있다.On the other hand, when lossless combining the two amplified signals having a phase difference (2cos -1 [A (t)]) in the out-page power amplifier, the output terminal and the combiner of each of the nonlinear power amplifiers 45 and 46 ( The input stage of 47) cannot theoretically match impedance. According to the theory of network circuits, in a three-port network, it is impossible to match between each port while being lossless. Therefore, when the actual out-page power amplifier is implemented, there is a limit that the linearity of the existing out-page power amplifier is not guaranteed because no matching is made between the output terminals of the nonlinear power amplifiers 45 and 46 and the input terminal of the combiner 47.

그러나 펄스면적변조(Pulse Area Modulation (PAM))를 이용한 고효율 선형 전력증폭기 시스템에서는 이산적인(discrete) 진폭을 가지는 RF 펄스열(pulse train)을 증폭하기 위해 상기의 아웃페이징 전력증폭기의 기법을 적용할 경우, 매칭문제 없이 이산적 진폭을 가지는 RF 펄스열을 간단하게 증폭할 수 있다. 그 이유는 종래의 아웃페이징 전력증폭기와는 달리, PAM을 이용한 선형 전력증폭기 시스템 에서는 단자 간에 매칭 문제로 RF 펄스열의 진폭에 에러가 있는 경우라도 대신 펄스폭으로 진폭 에러를 보상할 수 있기 때문이다. PAM에서는 펄스의 면적이 입력의 신호의 크기에 비례만 하면 되기 때문에, 예를 들어 미스매칭(mismatching)으로 인해 펄스의 진폭에 -5%의 에러가 발생할 경우, 펄스폭을 +5%로 감소시키면 시스템의 선형성은 보장된다. 더욱이 PAM을 이용한 고효율 선형 전력증폭기 시스템에서 아웃페이징 전력증폭기의 기법을 사용하면, 위상차를 갖는 두 개의 비선형 전력증폭기 출력의 조합으로 두 개 이상의 이산적 진폭을 가지는 증폭된 RF 펄스열을 쉽게 구현할 수 있다.However, in the high efficiency linear power amplifier system using Pulse Area Modulation (PAM), the above outphasing power amplifier technique is applied to amplify the RF pulse train with discrete amplitude. Therefore, RF pulse trains with discrete amplitude can be simply amplified without matching problems. This is because, unlike the conventional outphasing power amplifier, in the linear power amplifier system using the PAM, even if there is an error in the amplitude of the RF pulse train due to a matching problem between terminals, the amplitude error can be compensated by the pulse width instead. In PAM, the area of the pulse only needs to be proportional to the magnitude of the input signal. For example, if a mismatching causes a -5% error in the amplitude of the pulse, reduce the pulse width to + 5%. The linearity of the system is guaranteed. Moreover, using the out-page power amplifier technique in a high-efficiency linear power amplifier system using PAM, it is easy to implement an amplified RF pulse train having two or more discrete amplitudes by combining two nonlinear power amplifier outputs with phase difference.

도 5는 아웃페이징 전력증폭기의 기법을 적용한 본 발명의 PAM을 이용한 고효율 선형 전력증폭기 시스템의 동작 원리를 나타내는 도면이다. 시스템의 동작원리는 다음과 같다. 입력신호(501)가 들어오면 포락선/위상 분리기(502)를 이용하여 입력신호는 포락선신호(503)와 위상신호(504)로 분리된다. 상기 포락선/위상 분리기는 현재 GSM 단말기에서 사용하고 있는 극변조기(polar modulator)와 동일한 개념이다. 상기 위상신호(503)는 입력신호의 위상정보를 가진 RF 신호로, 포락선이 시간적으로 변하지 않는 신호(constant envelope signal)이다. 5 is a view showing the operation principle of the high efficiency linear power amplifier system using the PAM of the present invention to which the technique of the out-page power amplifier. The operation principle of the system is as follows. When the input signal 501 is input, the input signal is separated into the envelope signal 503 and the phase signal 504 using the envelope / phase separator 502. The envelope / phase separator is the same concept as a polar modulator currently used in GSM terminals. The phase signal 503 is an RF signal having phase information of an input signal and is a signal in which the envelope does not change in time.

분리된 포락선신호(503)는 증폭할 때 효율을 높이기 위해 펄스형태로 변조되는데, 펄스면적 변조기(505)에 의해 포락선의 크기가 펄스의 면적에 비례하는 펄스면적변조 방식으로 변조된다. 상기 펄스면적 변조된 신호는 제어신호 발생기(518)에 인가되어 제어신호(519)로 변환된다. 상기 제어신호는 위상변조기(508)의 출력 신호(509, 510)의 위상을 제어하는 신호이다. The separated envelope signal 503 is modulated in the form of a pulse in order to increase the efficiency when amplified. The pulse area modulator 505 modulates the envelope in a pulse area modulation scheme in which the size of the envelope is proportional to the area of the pulse. The pulse area modulated signal is applied to the control signal generator 518 and converted into a control signal 519. The control signal is a signal for controlling the phases of the output signals 509 and 510 of the phase modulator 508.

한편, 분리된 위상신호(504)는 혼합기(506)에서 상기 펄스면적 변조된 신호와 혼합되어 이산 진폭 RF 펄스열(507)을 생성하며, 상기 생성된 이산 진폭 RF 펄스열은 위상변조기(508)로 인가되어 펄스의 진폭이 일정한 두 개의 RF 펄스열(509, 510)로 분리된다.On the other hand, the separated phase signal 504 is mixed with the pulse area modulated signal in the mixer 506 to generate a discrete amplitude RF pulse train 507, and the generated discrete amplitude RF pulse train is applied to the phase modulator 508. This results in two RF pulse trains 509 and 510 having a constant amplitude.

이때 상기 분리된 두 개의 RF 펄스열(509, 510)들은 상기 제어신호(519)에 의해 이산적인 위상 값을 갖는다. 예를 들어, 이산 진폭 RF 펄스열(507)의 진폭이 1 또는 2의 두 가지 값을 갖는다고 가정하면, 위상변조기(508)에서 분리된 두 개의 RF 펄스열(509, 510)의 위상 차이는 각각 120˚(cos 60˚+ cos (-60˚)= 1 ) 또는 0˚(cos 0˚+ cos (-0˚)= 2 )의 값을 갖는다. 만약, 이산 진폭 RF 펄스열(507)의 진폭이 1, √2, 또는 2의 세 가지 값을 갖는다고 가정하면, 위상변조기(508)에서 분리된 두 개의 RF 펄스열(509, 510)의 위상 차이는 각각 120˚(cos 60˚+ cos (-60˚)= 1 ), 90˚(cos 45˚+ cos (-45˚)= √2 ) 또는 0˚(cos 0˚+ cos (-0˚)= 2 )의 값을 갖는다. 즉, 본 발명에 따르면 위상변조기(508)에서 분리된 두 개의 RF 펄스열(509, 510)을 이산적인 위상의 차이를 두고 결합시켜, 증폭된 이산 진폭 RF 펄스열(516)을 얻을 수 있다. In this case, the separated two RF pulse strings 509 and 510 have discrete phase values by the control signal 519. For example, assuming that the amplitude of the discrete amplitude RF pulse train 507 has two values of 1 or 2, the phase difference of the two RF pulse trains 509 and 510 separated from the phase modulator 508 is 120, respectively. It has a value of ˚ (cos 60˚ + cos (-60˚) = 1 ) or 0˚ (cos 0˚ + cos (-0˚) = 2 ). If it is assumed that the amplitude of the discrete amplitude RF pulse train 507 has three values of 1, √2, or 2, the phase difference between the two RF pulse trains 509 and 510 separated from the phase modulator 508 120 ° (cos 60 ° + cos (-60 °) = 1 ), 90 ° (cos 45 ° + cos (-45 °) = √2 ) or 0 ° (cos 0 ° + cos (-0 °) = 2 ). That is, according to the present invention, the two RF pulse trains 509 and 510 separated by the phase modulator 508 may be combined with a discrete phase difference to obtain an amplified discrete amplitude RF pulse train 516.

상기 분리된 두 개의 RF 펄스열(509, 510)은 두 개의 비선형 전력증폭기(511, 512)에 의해 각각 전력증폭된 후, 상기 전력증폭기의 종단의 결합기(combiner, 515)에서 합쳐진다. 이 때 상기의 전력증폭기(511, 512)는 비선형 전력증폭기로, 바람직하게 E, D 혹은 F급(class)과 같은 스위치 모드 전력증폭기이 며, B급 혹은 C급 전력증폭기도 사용 가능하다. 또 상기의 펄스면적변조는 멀티 레벨 펄스폭변조 (multi-level pulse width modulation), 멀티 레벨 델타-시그마 변조 (multi-level delta-sigma modulation), 멀티 레벨 펄스 카운트 변조 (multi-level pulse count modulation )등 다양한 펄스면적변조 방법을 포함 한다.  The two separate RF pulse trains 509 and 510 are each amplified by two nonlinear power amplifiers 511 and 512 and then combined at a combiner 515 at the end of the power amplifier. At this time, the power amplifiers 511 and 512 are non-linear power amplifiers, preferably switch mode power amplifiers such as E, D or F class, and class B or C power amplifiers may also be used. In addition, the pulse area modulation may include multi-level pulse width modulation, multi-level delta-sigma modulation, and multi-level pulse count modulation. And various pulse area modulation methods.

한편, 상기 결합기(515)에서 결합된 신호는 증폭된 이산 진폭 RF 펄스열(516)이며, 대역통과필터(517)를 통해서 원래 입력신호(501)가 증폭된 형태로 복원된다. On the other hand, the signal coupled in the combiner 515 is amplified discrete amplitude RF pulse train 516, the original input signal 501 is restored to amplified form through the band pass filter 517.

도 6는 본 발명의 PAM을 이용하여 입력신호를 고효율로 선형 전력증폭 하는 방법에 대한 도면이다.FIG. 6 is a diagram for a method of linearly amplifying an input signal with high efficiency using the PAM of the present invention.

본 발명의 PAM을 이용한 선형 전력증폭 방법은 입력신호를 이산 진폭 RF 펄스열(discrete-amplitude RF pulse train)로 변환하는 1단계(S1); 상기 변환된 이산 진폭 RF 펄스열의 진폭 정보가 위상(phase)의 형태로 포함되어 있고 진폭이 일정한 두 개의 RF 펄스열(RF pulse train)로 분리하는 2단계(S2); 상기 분리된 두 개의 RF 펄스열을 각각 증폭하는 3단계(S3); 상기 증폭된 두 개의 RF 펄스열을 결합하여 결합된 신호가 상기 이산 진폭 RF 펄스열이 증폭된 형태로 되도록 하는 4단계(S4); 상기 증폭된 이산 증폭 RF 펄스열을 대역통과필터(bandpass filter)에 통과시켜 입력신호를 복원하는 5단계(S5)로 구성된다.The linear power amplification method using the PAM of the present invention comprises the steps of converting an input signal into a discrete-amplitude RF pulse train (S1); A step (S2) of dividing the converted discrete amplitude RF pulse train amplitude information into two RF pulse trains having a constant amplitude and including amplitude information in a phase; Three steps (S3) of amplifying the two separate RF pulse trains; Combining the two amplified RF pulse strings so that the combined signal is in amplified form of the discrete amplitude RF pulse string (S4); The amplified discretely amplified RF pulse string is passed through a bandpass filter to restore an input signal.

이 때, 두 개의 진폭이 일정한 펄스열을 증폭하는 경우 비선형 전력증폭기를 사용하며, 바람직하게 E, D 혹은 F급(class)과 같은 스위치 모드 전력증폭기이며 혹은 B급, C급 전력증폭기를 사용할 수도 있다. 또 상기의 펄스면적변조는 멀티 레벨 펄스폭변조 (multi-level pulse width modulation), 멀티 레벨 델타-시그마 변조 (multi-level delta sigma modulation), 멀티 레벨 펄스 카운트 변조 (multi-level pulse count modulation )등을 다양한 펄스면적변조 방법을 포함 한다. In this case, in the case of amplifying a pulse train having two constant amplitudes, a nonlinear power amplifier is used, preferably a switch mode power amplifier such as E, D or F class, or a class B or C power amplifier. . In addition, the pulse area modulation includes multi-level pulse width modulation, multi-level delta sigma modulation, multi-level pulse count modulation, and the like. It includes various pulse area modulation methods.

이상의 본 발명은 상기한 실시 예들에 한정되지 않고 당업자들에 의해 다양한 변형 및 변경을 가져 올 수 있으며, 이는 첨부된 청구항에서 정의되는 본 발명의 취지와 범위에 포함된다.The present invention is not limited to the above embodiments and may be variously modified and changed by those skilled in the art, which are included in the spirit and scope of the present invention as defined in the appended claims.

도 1은 종래에 사용되어지던 펄스폭변조(PWM)를 이용한 고효율 선형 전력증폭기 시스템의 구성을 도시하는 도면이다.1 is a diagram showing the configuration of a high efficiency linear power amplifier system using a pulse width modulation (PWM) conventionally used.

도 2는 입력신호에 따른 펄스폭변조(PWM) 신호의 파형과 펄스면적변조(PAM) 신호의 파형을 비교한 도면이다.2 is a view comparing waveforms of a pulse width modulated (PWM) signal with a waveform of a pulse area modulated (PAM) signal according to an input signal.

도 3은 RF 펄스열 (RF pulse train)과 이산 진폭 RF 펄스열(discrete-amplitude RF pulse train)을 비교하여 나타낸 도면이다.FIG. 3 is a diagram illustrating a comparison between an RF pulse train and a discrete-amplitude RF pulse train.

도 4는 종래의 아웃페이징 전력증폭기(outphasing power amplifier)의 동작 원리를 나타낸 도면이다.4 is a view showing the operating principle of a conventional outphasing power amplifier (outphasing power amplifier).

도 5는 아웃페이징 전력증폭기의 기법을 적용한 본 발명의 PAM을 이용한 고효율 선형 전력증폭기 시스템의 동작 원리를 나타내는 도면이다.5 is a view showing the operation principle of the high efficiency linear power amplifier system using the PAM of the present invention to which the technique of the out-page power amplifier.

도 6은 본 발명의 PAM을 이용하여 입력신호를 고효율로 선형 전력증폭 하는 방법에 대한 도면이다.FIG. 6 is a diagram for a method of linearly amplifying an input signal with high efficiency using the PAM according to the present invention.

(도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명)(Explanation of symbols for the main parts of the drawing)

507: 이산 진폭 RF 펄스열 508: 위상변조기507: discrete amplitude RF pulse train 508: phase modulator

509, 510: RF 펄스열 511, 512: 전력증폭기509, 510: RF pulse train 511, 512: power amplifier

513, 514: 증폭된 RF 펄스열 516: 증폭된 이산 진폭 RF 펄스열      513 and 514: amplified RF pulse train 516: amplified discrete amplitude RF pulse train

Claims (6)

펄스면적변조(Pulse Area Modulation (PAM))를 이용한 고효율 선형전력증폭 방법에 있어서 High Efficiency Linear Power Amplification Method Using Pulse Area Modulation (PAM) 입력신호로부터 분리된 위상신호를 상기 입력신호로부터 분리된 포락선신호를 펄스면적변조한 신호와 혼합하여 이산 진폭 RF 펄스열 (discrete-amplitude RF pulse train)로 변환하는 1단계 - 상기 펄스면적변조된 신호의 펄스의 면적은 상기 포락선신호의 크기에 비례함 - ;Step 1 of converting the phase signal separated from the input signal into a discrete-amplitude RF pulse train by mixing the envelope signal separated from the input signal with the pulse area modulated signal-of the pulse area modulated signal The area of the pulse is proportional to the magnitude of the envelope signal; 상기 변환된 이산 진폭 RF 펄스열을 진폭이 일정한 두 개의 RF 펄스열(RF pulse train) - 상기 두 개의 RF 펄스열은, 상기 이산 진폭 RF 펄스열의 진폭 정보를 이산 위상(discrete phase)의 형태로 포함하고 있음 - 로 분리하는 2단계;The converted discrete amplitude RF pulse trains having a constant amplitude in two RF pulse trains, wherein the two RF pulse trains include amplitude information of the discrete amplitude RF pulse trains in a discrete phase form; Separating into two; 상기 분리된 두 개의 RF 펄스열을 각각 증폭하는 3단계;Amplifying each of the two separated RF pulse trains; 상기 분리되어 증폭된 두 RF 펄스열을 전력 결합한 신호가 상기 이산 진폭 RF 펄스열이 증폭된 형태로 되도록 하는 4단계;Performing a step of power-combining the two separated and amplified RF pulse trains so that the discrete amplitude RF pulse trains are amplified; 상기 증폭된 이산 증폭 RF 펄스열을 대역통과필터(bandpass filter)에 통과시켜 하여 입력신호를 복원하는 5단계;5 steps of restoring an input signal by passing the amplified discretely amplified RF pulse train through a bandpass filter; 를 포함하는 펄스면적변조를 이용한 고효율 선형전력증폭 방법.High efficiency linear power amplification method using pulse area modulation comprising a. 제 1항에 있어서The method of claim 1 상기 3단계의 두 개의 RF 펄스열을 각각 증폭하는 경우 증폭수단으로 E, D 혹은 F급(class)과 같은 스위치 모드 전력증폭기나, B급 혹은 C급의 전력증폭기를 사용하는 것을 특징으로 하는 펄스면적변조를 이용한 고효율 선형전력증폭 방법In the case of amplifying the two RF pulse trains of the three stages, a pulse area using a switch mode power amplifier such as E, D or F class, or a B or C power amplifier as amplification means High Efficiency Linear Power Amplification Using Modulation 제 1항에 있어서The method of claim 1 상기 펄스면적변조는 멀티 레벨 펄스폭변조 (multi-level pulse width modulation), 멀티 레벨 델타-시그마변조 (multi-level delta-sigma modulation), 멀티 레벨 펄스 카운트변조 (multi-level pulse count modulation) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 펄스면적변조를 이용한 고효율 선형전력증폭 방법. The pulse area modulation may be any one of multi-level pulse width modulation, multi-level delta-sigma modulation, and multi-level pulse count modulation. High efficiency linear power amplification method using pulse area modulation, characterized in that one. 펄스면적변조(Pulse Area Modulation (PAM))를 이용한 고효율 선형전력증폭기 시스템에 있어서,In a high efficiency linear power amplifier system using pulse area modulation (PAM), 입력신호(501)를 포락선신호(503)와 위상신호(504)로 분리하는 포락선/위상 분리기(502);An envelope / phase separator 502 for separating the input signal 501 into an envelope signal 503 and a phase signal 504; 분리된 포락선신호(503)를 펄스면적변조시키는 펄스면적변조기(505) - 상기 펄스면적변조된 신호의 펄스의 면적은 상기 포락선신호(503)의 크기에 비례함 - ;A pulse area modulator 505 for modulating the pulsed area of the separated envelope signal 503, wherein the area of the pulse of the pulsed area modulated signal is proportional to the magnitude of the envelope signal 503; 상기 분리된 위상신호(504)와 상기 펄스면적변조된 신호를 혼합하여 이산 진폭 RF 펄스열 (discrete-amplitude RF pulse train, 507)을 생성하기 위한 혼합기(506);A mixer 506 for mixing the separated phase signal 504 and the pulse area modulated signal to generate a discrete-amplitude RF pulse train 507; 상기 이산 진폭 RF 펄스열(507)을 진폭이 일정한 두 개의 RF 펄스열 (RF pulse train, 509, 510) - 상기 두 개의 RF 펄스열(509, 510)은, 상기 이산 진폭 RF 펄스열(507)의 진폭 정보를 이산 위상(discrete phase)의 형태로 포함하고 있음 - 로 분리하기 위한 위상변조기(508);The discrete amplitude RF pulse trains 507 are two RF pulse trains (RF pulse trains 509 and 510) having constant amplitudes. The two RF pulse trains 509 and 510 store amplitude information of the discrete amplitude RF pulse trains 507. A phase modulator 508 for separating into-in the form of a discrete phase; 상기 분리된 두 개의 RF 펄스열(509, 510)을 각각 증폭하기 위한 두 개의 전력증폭기(511, 512);Two power amplifiers 511 and 512 for amplifying the two separate RF pulse trains 509 and 510, respectively; 상기 두 개의 전력증폭기에 의해 증폭된 출력 전력을 결합하기 위한 결합기(515);A combiner 515 for combining the output power amplified by the two power amplifiers; 상기 결합된 신호(516)에서 상기 입력신호(501)를 복원하기 위한 대역통과필터(517);A band pass filter (517) for restoring the input signal (501) from the combined signal (516); 로 구성된 펄스면적변조를 이용한 고효율 선형전력증폭기 시스템.High efficiency linear power amplifier system using pulse area modulation. 제 4항에 있어서The method of claim 4 상기 두 개의 전력증폭기는 E, D 혹은 F급(class)과 같은 스위치 모드 전력증폭기나, B급 혹은 C급의 전력증폭기를 사용하는 것을 특징으로 하는 펄스면적변조를 이용한 고효율 선형전력증폭기 시스템The two power amplifiers use a switch mode power amplifier such as E, D or F class, or a class B or C power amplifier, and a high efficiency linear power amplifier system using pulse area modulation. 제 4항에 있어서The method of claim 4 상기 펄스면적변조는 멀티 레벨 펄스폭변조 (multi-level pulse width modulation), 멀티 레벨 델타-시그마변조 (multi-level delta-sigma modulation), 멀티 레벨 펄스 카운트변조 (multi-level pulse count modulation) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 펄스면적변조를 이용한 고효율 선형 전력증폭기 시스템 The pulse area modulation may be any one of multi-level pulse width modulation, multi-level delta-sigma modulation, and multi-level pulse count modulation. High efficiency linear power amplifier system using pulse area modulation, characterized in that one
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