[논문]열잡음 메모리 효과 제거기를 이용한 전력증폭기의 효율 개선

고영은; 이지영

문제 정의

본 논문에서는 광대역 멀티미디어 시스템이나 양방향 디지털 방송 등의 기지국에서 사용하는 전력증폭기의 전송효율 및 서비스 품질을 향상시킬 수 있는 열잡음 메모리 효과 제거기의 알고리듬을 제안하였다. 제안한 알고리듬의 성능을 평가하기 위해 열잡음 메모리 효과 제거기를 적용한 전력증폭기를 제작하였다.
본 논문에서는 열 잡음 왜곡을 제거할 수 있는 알고리듬을 소프트웨어로 설계함으로써 기지국용 전력증폭기를 선형화할 수 있도록 하였다. 또한 실시간으로 불규칙하게 발생하는 소자 자체의 온도 변화에 따른 왜곡을 보상하는 기법을 추가함으로써 시스템을 더욱 선형화 시킬 수 있도록 하였다.
본 논문에서는 전력증폭기의 왜곡 성분 중에서 성능 저하에 큰 영향을 미치는 열 잡음에 의한 왜곡을 분석하고, 전력증폭기의 성능을 개선할 수 있는 디지털 방식의 보상기법을 연구하였다. 그러므로 열잡음에 의한 메모리 효과 제거기를 포함한 전력증폭기를 설계, 제안하였다.

제안 방법

본 논문에서는 전력증폭기의 왜곡 성분 중에서 성능 저하에 큰 영향을 미치는 열 잡음에 의한 왜곡을 분석하고, 전력증폭기의 성능을 개선할 수 있는 디지털 방식의 보상기법을 연구하였다. 그러므로 열잡음에 의한 메모리 효과 제거기를 포함한 전력증폭기를 설계, 제안하였다.
특히 온도에 의한 왜곡은 소자의 입력레벨에 따라 실시간으로 변화하므로 변화폭이 크다. 그러므로 입력신호와 출력신호를 비교하여 실시간으로 발생한 왜곡을 추출하고, 시스템 자체 왜곡과 소자의 온도에 따른 왜곡에 대한 보상값을 산출하여 기존의 LUT에 추가한다. 이와 같은 과정으로 얻어진 보상값은 입력신호에 미리 부가함으로써 왜곡을 상쇄할 수 있도록 정보신호를 사전에 왜곡시킨다.
본 논문에서는 열 잡음 왜곡을 제거할 수 있는 알고리듬을 소프트웨어로 설계함으로써 기지국용 전력증폭기를 선형화할 수 있도록 하였다. 또한 실시간으로 불규칙하게 발생하는 소자 자체의 온도 변화에 따른 왜곡을 보상하는 기법을 추가함으로써 시스템을 더욱 선형화 시킬 수 있도록 하였다. 이와 같은 왜곡제거 알고리듬의 순서도와 왜곡 과정은 그림 3.
메모리 효과 제거기를 적용한 전력증폭기의 성능을 평가하기 위하여 동일 출력전력일 경우, 왜곡 보상기가 동작하지 않을 때와 동작할 때의 파형과 출력 값을 측정하여 효율개선 효과를 분석하였다. 이와 같이 동일 출력전력에 대한 열잡음 메모리 효과 제거기의 동작여부에 따른 출력파형은 그림 4.
메모리 효과의 전열적(electrothermal)특성을 고찰하기 위해서 트랜지스터의 접합온도를 분석하였다. 접합온도는 포락선 주파수에서 열적 임피던스와 소모되는 전력으로 구성되는데 입력전력에 따른 접합 온도는 식 (1)과 같다.
본 논문에서 제안한 열잡음 메모리 효과 제거 알고리듬의 성능을 알아보기 위해 Saleh의 고출력 증폭기 모델을 사용하여 Matlab으로 컴퓨터 모의실험을 하였다. 모의실험의 Saleh 증폭기모델은 이득이 40dBm이고, P1dB가 29dBm이고, IMD3를 살펴보기 위해 중심주파수 2.
본 논문에서 제안한 열잡음 메모리 효과 제거기를 적용한 기지국용 전력증폭기는 베이스 밴드 영역에서 정보신호를 사전에 왜곡시키는 방식으로써 탑재 시스템에 따른 하드웨어의 변경없이 소프트웨어로 제어할 수 있다. 특히 디지털 방식의 알고리듬으로 고속처리가 가능하며, 열잡음과 같은 불규칙하게 실시간으로 발생하는 메모리 효과에 의한 왜곡도 보상함으로써 시스템의 선형성을 증가하였다.
본 논문에서의 왜곡보상 알고리즘은 시스템 자체 비선형 왜곡을 진폭과 위상을 분리하여 각각의 보상값을 산출하여 LUT에 저장하고, 실제 회로에서 왜곡을 최소하하기 위해 실시간으로 왜곡의 보상값을 보정한다. 입력 신호 x의 왜곡을 보상하기 위한 진폭과 위상 왜곡 보상의 방법은 그림 3.
열잡음 메모리 효과 제거기의 성능을 평가하기 위해 실제 사용되고 있는 130～140[MHz]의 IF 주파수를 갖는 기지국용 전력증폭기를 제작하여 열잡음 메모리 효과 제거기를 탑재하였고, 효율 개선 정도를 측정하였다. 측정 결과분석은 열잡음 메모리 효과 제거기를 적용한 경우와 적용하지 않은 경우를 비교하였다.
oldLUT의 위상값이 θ, 위상왜곡에 의한 왜곡 값이 φ인 경우, oldLUT의 신호 크기에 error의 크기를 증가시켜 newLUT에 위치시킴으로써 실시간으로 발생하는 위상왜곡을 능동적으로 보상한다. 위상왜곡 보상도 진폭왜곡 보상과 같이 디지털 프로그램이므로 신호를 실수부와 허수부로 분리하여 각각 보상 값을 수정한다.
진폭왜곡보상 값이 산출되면 oldLUT의 신호의 크기에 error의 크기를 증가시켜 newLUT에 위치시킴으로써 실시간으로 발생하는 진폭과 위상왜곡을 능동적으로 보상한다. 이 때 보상은 디지털 프로그램으로 이루어짐으로 신호를 실수부와 허수부로 분리하여 각각 보상 값을 보정하였다.
본 논문에서는 광대역 멀티미디어 시스템이나 양방향 디지털 방송 등의 기지국에서 사용하는 전력증폭기의 전송효율 및 서비스 품질을 향상시킬 수 있는 열잡음 메모리 효과 제거기의 알고리듬을 제안하였다. 제안한 알고리듬의 성능을 평가하기 위해 열잡음 메모리 효과 제거기를 적용한 전력증폭기를 제작하였다.
진폭왜곡 보상을 하기 위해 LUT에 저장된 사전 왜곡성분을 oldLUT로 지정하고, 위상 값 φ, 입력신호 x와 Feedback 신호 y의 차를 진폭왜곡의 크기를 error로 표시하였다.
열잡음 메모리 효과 제거기의 성능을 평가하기 위해 실제 사용되고 있는 130～140[MHz]의 IF 주파수를 갖는 기지국용 전력증폭기를 제작하여 열잡음 메모리 효과 제거기를 탑재하였고, 효율 개선 정도를 측정하였다. 측정 결과분석은 열잡음 메모리 효과 제거기를 적용한 경우와 적용하지 않은 경우를 비교하였다. 측정 결과, 전력증폭기의 출력전력이 -3dBm으로 동일할 경우, 중심주파수에서 1MHz 떨어진 지점에서 이득이 0.

대상 데이터

본 논문에서 제안한 열잡음 메모리 효과 제거 알고리듬의 성능을 알아보기 위해 Saleh의 고출력 증폭기 모델을 사용하여 Matlab으로 컴퓨터 모의실험을 하였다. 모의실험의 Saleh 증폭기모델은 이득이 40dBm이고, P1dB가 29dBm이고, IMD3를 살펴보기 위해 중심주파수 2.14GHz인 UMTS 신호를 샘플링하여 인가하였다.
전력증폭기의 특성 테스트를 위한 입력신호는 중심주파수가 23MHz이고, 대역폭이 1.25MHz인 신호를 사용하였다. 이와 같은 입력신호는 주파수 상향 변환기를 통하여 중심주파수 135.

데이터처리

열잡음에 따른 왜곡정도를 알아보기 위해 Saleh의 고출력 증폭기 모델의 자체 온도 특성을 실험 하였는데, 시뮬레이션 한 결과는 그림 4.1과 같다.

성능/효과

표 2에서 보는 바와 같이 증폭기의 출력전력이 -3dBm으로 동일할 경우, 제안한 열잡음 메모리 효과 제거기를 적용하면 중심주파수에서 1MHz 떨어진 지점에서 왜곡성분인 ACLR이 12dB 개선되었다. 그러나 이득은 열잡음 메모리 효과 제거기를 적용하는 경우에 0.05dB 감소함으로써 소폭의 이득 감쇄가 있었음을 확인 하였다.
즉 출력파형 비교를 통해 동일 출력전력에서 비선형 왜곡제거 모듈 적용 시 ACLR이 개선되어 주파수효율이 증가되었고, 전력효율 비교를 통해 동일 ACLR에서 비선형 왜곡제거 모듈 적용 시 전력효율이 증가됨을 확인하였다. 따라서 본 논문에서 설계, 제안한 열잡음 메모리 효과 제거기를 적용한 기지국용 전력증폭기가 왜곡을 억제하고, 효율을 증가시키는 것을 확인할 수 있었다.
즉 출력파형 비교를 통해 동일 출력전력에서 비선형 왜곡제거 모듈 적용 시 ACLR이 개선되어 주파수효율이 증가되었고, 전력효율 비교를 통해 동일 ACLR에서 비선형 왜곡제거 모듈 적용 시 전력효율이 증가됨을 확인하였다. 따라서 본 논문에서 설계, 제안한 열잡음 메모리 효과 제거기를 적용한 기지국용 전력증폭기가 왜곡을 억제하고, 효율을 증가시키는 것을 확인할 수 있었다.
측정 결과분석은 열잡음 메모리 효과 제거기를 적용한 경우와 적용하지 않은 경우를 비교하였다. 측정 결과, 전력증폭기의 출력전력이 -3dBm으로 동일할 경우, 중심주파수에서 1MHz 떨어진 지점에서 이득이 0.05 dB 감소하였으나, ACLR이 12dB 개선되어 비선형 영향이 감소한 것을 확인할 수 있었다.
본 논문에서 제안한 열잡음 메모리 효과 제거기를 적용한 기지국용 전력증폭기는 베이스 밴드 영역에서 정보신호를 사전에 왜곡시키는 방식으로써 탑재 시스템에 따른 하드웨어의 변경없이 소프트웨어로 제어할 수 있다. 특히 디지털 방식의 알고리듬으로 고속처리가 가능하며, 열잡음과 같은 불규칙하게 실시간으로 발생하는 메모리 효과에 의한 왜곡도 보상함으로써 시스템의 선형성을 증가하였다. 향 후 열잡음 메모리 효과 제거기의 구조를 범용적으로 적용할 수 있는 알고리즘을 개발하여 융합적인 디지털 통신망에 적용할 수 있도록 연구할 계획이다.
표 2에서 보는 바와 같이 증폭기의 출력전력이 -3dBm으로 동일할 경우, 제안한 열잡음 메모리 효과 제거기를 적용하면 중심주파수에서 1MHz 떨어진 지점에서 왜곡성분인 ACLR이 12dB 개선되었다. 그러나 이득은 열잡음 메모리 효과 제거기를 적용하는 경우에 0.

후속연구

특히 디지털 방식의 알고리듬으로 고속처리가 가능하며, 열잡음과 같은 불규칙하게 실시간으로 발생하는 메모리 효과에 의한 왜곡도 보상함으로써 시스템의 선형성을 증가하였다. 향 후 열잡음 메모리 효과 제거기의 구조를 범용적으로 적용할 수 있는 알고리즘을 개발하여 융합적인 디지털 통신망에 적용할 수 있도록 연구할 계획이다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	무선통신시스템에서 열에 의한 왜곡을 일으키는 주요 소자는?	시스템은 내부의 반도체나 저항체 등에서 전자 등의 전하가 열에너지의 자극에 의하여 불규칙적인 교란운동으로 인하여 잡음이 발생되고, 정보신호를 왜곡시킨다. 특히 전력증폭기는 작은 입력전력을 크게 증폭시켜주므로 다른 소자보다 발열량이 크므로 무선통신시스템에서 열에 의한 왜곡을 일으키는 주요 소자이다[2][4].
	기존의 무선 통신시스템에서 시스템의 성능저하를 유발하는 주요 왜곡성분은 무엇인가?	한정된 주파수 자원에서 다량의 데이터를 고속으로 전송하기 위해서는 전송효율을 반드시 고려해야 한다. 기존의 무선 통신시스템에서는 다양한 왜곡성분을 분석하여 시스템의 성능저하를 유발하는 주요 왜곡성분(타이밍, 진폭, 주파수 옵셋, 전력 등)을 부분적으로 보상하는 기기를 하드웨어로 제작하여 사용하고 있다. 그러나 디지털 융합 무선 통신시스템의 경우, 하나의 기기에서 다양한 서비스를 이용하므로 동시다발적으로 발생하는 다양한 왜곡성분을 기존의 방식으로 제거하는 것은 불가능하다[3].

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