[논문]60 GHz 대역 전력 증폭기를 위한 구간별 차등 다항식 모델 기반의 디지털 사전왜곡기 설계

김민호; 이진구; 김대현; 김영록

doi:10.5573/ieie.2016.53.5.03

60 GHz 대역 전력 증폭기를 위한 구간별 차등 다항식 모델 기반의 디지털 사전왜곡기 설계
Design of A Piecewise Polynomial Model Based Digital Predistortion for 60 GHz Power Amplifier 원문보기

Journal of the Institute of Electronics and Information Engineers = 전자공학회논문지, v.53 no.5, 2016년, pp.3 - 12

김민호 (서강대학교 전자공학과) , 이진구 (서강대학교 전자공학과) , 김대현 (서강대학교 전자공학과) , 김영록 (서강대학교 전자공학과)

초록
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최근 들어, 밀리미터파 대역을 활용하는 5세대 이동 통신 시스템에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 밀리미터파 대역의 전파 감쇠 특성으로 인하여 전력 증폭기의 비선형성을 완화시키는 방법의 중요성이 증가하고 있다. 본 논문에서는 전력 증폭기의 특성을 선형구간과 비선형구간을 구분하여 구간별 계수를 사용하는 구간별 차등 다항식 모델을 제안하였다. 또한, 제안된 모델과 직접 학습 방식을 이용하여 디지털 사전왜곡기 구현 방안을 제시하였다. 제안된 모델의 성능을 검증하기 위하여 LTE 신호를 인가한 60 GHz 대역 전력증폭기를 위한 제안된 모델과 직접 학습 방식에 기반한 디지털 사전왜곡기를 FPGA로 구현하였고 하드웨어 테스트벤치를 통하여 성능 및 연산 복잡도를 비교 검증하였다. 제안된 모델은 기존 단일 다항식 모델 대비 ACLR 측면에서는 3.3 dB 개선됨을 보였으며 연산 복잡도 측면에서는 7.5 % 감소됨을 보여주었다

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, the study on 5G mobile communication systems using the millimeter-wave frequency band have been actively promoted and the importance of compensation of the nonlinearity of power amplifier caused by the characteristics of millimeter-wave frequency propagation attenuation is increasing. In the paper, we propose a piecewise polynomial model based on subdivision coefficient which are characteristics of power amplifier separated linear section and a non-linear section. In addition, the structure of digital predistortion based on the proposed model and direct learning method are proposed to implement a digital predistortion. To verify the proposed model, digital predistortion based on the proposed model and direct learning method for 60 GHz power amplifier using LTE signal implemented in the FPGA. And the hardware test bench measured performance and complexity. The proposed model achieves 3.3 dB gain over the single polynomial model in terms of the ACLR and reduces 7.5 percent in terms of the complexity.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 60 GHz 대역의 전력 증폭기의 비선형 특성을 효과적으로 보완하기 위해 구간별 차등 다항식 모델을 제안하였다. 또한 제안한 모델의 구간 차등점을 추출하는 방법 및 제안한 모델을 이용한 디지털 사전 왜곡기의 구현 방안을 제시하였다.
본 논문에서는 구간 영역을 다항식 모델의 출력신호와 측정된 전력 증폭기의 출력신호와의 평균 제곱 에러(Mean Square Error : MSE)를 통해 분할하는 구간별 차등 다항식 모델 및 디지털 사전 왜곡기 구현 방안을 제안한다. 제안한 기법을 성능 검증하기 위하여, 제안된 모델을 이용한 디지털 사전 왜곡기를 구현하고 FMM-5715X 전력 증폭기에 적용하여 2 FA LTE 신호에 대한 기존 모델과의 ACLR(Adjacent Channel Leakage Ratio) 성능 향상 및 연산 복잡도를 비교하였다.
이 경우 모델링 정확도 한계가 존재해 사전왜곡기의 성능 한계가 존재하는 단점이 있다. 본 논문에서는 전력 증폭기의 선형과 비선형구간 경계 조건을 전력 증폭기의 출력신호와 다항식 모델의 출력신호와의 MSE가 최소가 되는 구간 차등점을 이용해 기존의 모델링 정확도 한계를 보완하는 구간별 차등 다항식 모델을 제안한다.
본 논문의 디지털 사전 왜곡기 구조는 참고문헌^[17]에서 소개된 open-loop 기반의 디지털 사전 왜곡기 구조이다. Feedback 회로가 없기 때문에 그림 6과 같이 스펙트럼 분석기(Spectrum Analyzer)와 PC의 Matlab을 통해 전력 증폭기의 비선형 특성의 역함수를 추출한다.
앞 절에서는 구간별 차등 다항식 모델과 open-loop방식을 이용하여 구간별 차등 계수 추출 과정을 기술하였다. 본 절에서는 위에서 추출된 구간별 차등 계수를 이용하여 디지털 사전 왜곡기를 FPGA에 구현하기 위한 방안에 대하여 기술한다.

가설 설정

N은 최대 비선형 차수이다. 비선형 모델링의 계수를 유도하기 위해서 M개의 입출력 데이터가 있다고 가정한다.

제안 방법

60 GHz 전력 증폭기에 의해서 발생되는 비선형 왜곡을 보상하기 위해 제안된 구간별 차등 다항식 모델 기반의 디지털 사전 왜곡기를 Xilinx사의 Kintex-7 xc7k-410-ffg900모델에 매핑(Device mapping)하여 FPGA로 구현 하였고 하드웨어 테스트벤치를 통하여 성능 평가하였다. 제안된 구간별 차등 다항식 모델 기반의 디지털 사전 왜곡기의 ACLR 향상을 확인하기 위하여 그림 11과 같은 측정 환경을 구축하였다.
60 GHz 전력 증폭기의 입출력 측정 데이터를 이용해서 구간별 차등 다항식 모델을 검증하였다. 검증 시, 기존 단일 다항식 모델에서는 5차의 비선형식을 사용하였고, 구간별 차등 다항식 모델에서는 선형구간은 3차의 비선형식, 비선형구간은 5차의 비선형식을 사용하였다.
그림 5는 구간별 차등 다항식 모델의 AM/AM에 대해 전력 증폭기와 사전왜곡기 그리고 선형화 된 결과를 나타낸 것이다. 구간별 차등 다항식 모델을 적용하기 위해 입력전력이 앞서 구한 구간 차등점에서 선형 구간과 비선형 구간으로 데이터를 구분하였고, 구분한 데이터를 사용하여 구간별 차등 다항식 모델의 AM/AM 특성을 비교하였다. 그림 5에서 보듯이 전력 증폭기의 특성과 사전왜곡기의 특성이 결합하여 직선으로 전력 증폭기의 비선형성을 보상 하였다.
본 논문에서는 60 GHz 대역의 전력 증폭기의 비선형 특성을 효과적으로 보완하기 위해 구간별 차등 다항식 모델을 제안하였다. 또한 제안한 모델의 구간 차등점을 추출하는 방법 및 제안한 모델을 이용한 디지털 사전 왜곡기의 구현 방안을 제시하였다. 제시한 모델의 검증을 위하여 디지털 사전 왜곡기를 FPGA로 구현하여 하드웨어 테스트벤치를 통해 성능 평가를 하였다.
본 논문에서 60 GHz 대역에서 사용하고자 하는 전력 증폭기를 포함한 RF 구조는 송신기와 전력 증폭기가 병합된 구조로 그림 1과 같다. 그림 1에서 보듯이 전력 증폭기의 구조는 전력 증폭기의 효율을 높이기 위해 구동 증폭기와 도허티 증폭기의 결합된 형태로 구성 되어있고 송신기와 전력 증폭기는 모두 60 GHz 대역에 사용되는 제품인 HMC6300, FMM5715X를 사용했다.
여기서 다항식 모델의 차수를 3차와 5차로 한정한 이유는 그림 3에서 보듯 이, 5차 이후 MSE 감소폭이 작아진다. 본 논문에서는 하드웨어 복잡도를 고려하여 다항식 모델의 차수를 3, 5차로 설정 하였다.
그림 13에서는 60 GHz 대역 전력 증폭기의 출력 신호와 볼테라 급수 기반의 다항식 구조의 사전 왜곡기와 제안된 구간별 차등 다항식 구조의 사전 왜곡기를 적용하였을 경우의 측정된 출력 스펙트럼을 도시하였다. 볼테라의 급수의 기반의 다항식 구조의 경우는 5차를 적용하였고, 구간별 차등 다항식 구조의 경우는 선형구간은 3차, 비선형 구간은 5차를 적용 하였다. 그림 13에서 볼 수 있듯이, 인접 채널 대역에서 ACLR 수치가 증가하였다.
전력 증폭기의 비선형 특성의 역함수를 추출하기 위해 전력 증폭기의 입력을 FPGA와 연결된 JTAG를 통해 PC로 수집하고 전력 증폭기의 출력은 스펙트럼 분석기를 통해 수집한다. 수집된 입출력 데이터를 Ma-tlab을 통해 전력 증폭기의 비선형 특성의 역함수의 다항식 모델 계수를 추출하고, 추출한 계수는 PC를 통해 디지털 사전 왜곡기에 인가 해주면 디지털 사전 왜곡기에서 전력 증폭기의 비선형 특성의 역함수를 계산 후, 출력해서 전력증폭기의 비선형 특성을 선형화를 한다.
앞 절에서는 구간별 차등 다항식 모델과 open-loop방식을 이용하여 구간별 차등 계수 추출 과정을 기술하였다. 본 절에서는 위에서 추출된 구간별 차등 계수를 이용하여 디지털 사전 왜곡기를 FPGA에 구현하기 위한 방안에 대하여 기술한다.
Feedback 회로가 없기 때문에 그림 6과 같이 스펙트럼 분석기(Spectrum Analyzer)와 PC의 Matlab을 통해 전력 증폭기의 비선형 특성의 역함수를 추출한다. 전력 증폭기의 비선형 특성의 역함수를 추출하기 위해 전력 증폭기의 입력을 FPGA와 연결된 JTAG를 통해 PC로 수집하고 전력 증폭기의 출력은 스펙트럼 분석기를 통해 수집한다. 수집된 입출력 데이터를 Ma-tlab을 통해 전력 증폭기의 비선형 특성의 역함수의 다항식 모델 계수를 추출하고, 추출한 계수는 PC를 통해 디지털 사전 왜곡기에 인가 해주면 디지털 사전 왜곡기에서 전력 증폭기의 비선형 특성의 역함수를 계산 후, 출력해서 전력증폭기의 비선형 특성을 선형화를 한다.
제안하는 디지털 사전 왜곡기 구조는 입력 신호를 받으면 파라메터 셋업부(Parameter Setup)를 통해 입력 신호의 크기(A_x) 및 파워(P_x)를 계산한다. 구간 차등점이 설정된 비교기를 통해 입력 신호의 크기에 따른 구간을 비교해서 구간 선택값(Sel)을 출력한다.
76 MHz로 설정하였고, 입력 데이터는 32,768개로 설정해서 연산 소모 클럭수를 측정하였다. 표 2는 다항식 구조의 사전왜곡기와 제안된 사전왜곡기의 연산 소모 클럭수를 비교하였다.

대상 데이터

본 논문에서 60 GHz 대역에서 사용하고자 하는 전력 증폭기를 포함한 RF 구조는 송신기와 전력 증폭기가 병합된 구조로 그림 1과 같다. 그림 1에서 보듯이 전력 증폭기의 구조는 전력 증폭기의 효율을 높이기 위해 구동 증폭기와 도허티 증폭기의 결합된 형태로 구성 되어있고 송신기와 전력 증폭기는 모두 60 GHz 대역에 사용되는 제품인 HMC6300, FMM5715X를 사용했다. RF의 입력으로 FPGA에서 184.
앞서 언급한 것과 같이 제안된 구조의 사전 왜곡기는 기존 다항식 구조의 사전 왜곡기에 비해 ACLR 성능 차이는 3 dB 만큼 추가적인 성능 향상을 보였으며 연산복잡도 측면에서는 구간에 따라 차수가 달라지기 때문에 제안된 구조의 사전 왜곡기가 기존 다항식 구조의 사전 왜곡기에 비해 복잡도가 줄어든다. 연산복잡도 비교를 위해 동작 주파수는 245.76 MHz로 설정하였고, 입력 데이터는 32,768개로 설정해서 연산 소모 클럭수를 측정하였다. 표 2는 다항식 구조의 사전왜곡기와 제안된 사전왜곡기의 연산 소모 클럭수를 비교하였다.

데이터처리

4장에서는 제안된 구간별 차등 다항식 방식에 기반한 디지털 사전 왜곡기의 구현을 언급한다. 5장에서는 제안된 방식에 기반한 모델의 성능을 2 FA LTE 신호를 이용하여 평가 하였고, 제안된 모델의 복잡도를 기존 다항식 모델과 비교하였다. 마지막으로 6장에서 결론을 맺는다.
또한 제안한 모델의 구간 차등점을 추출하는 방법 및 제안한 모델을 이용한 디지털 사전 왜곡기의 구현 방안을 제시하였다. 제시한 모델의 검증을 위하여 디지털 사전 왜곡기를 FPGA로 구현하여 하드웨어 테스트벤치를 통해 성능 평가를 하였다. 제안하는 사전 왜곡기 적용 시 기존 모델 대비 ACLR 측면에서는 성능 향상은 3.
본 논문에서는 구간 영역을 다항식 모델의 출력신호와 측정된 전력 증폭기의 출력신호와의 평균 제곱 에러(Mean Square Error : MSE)를 통해 분할하는 구간별 차등 다항식 모델 및 디지털 사전 왜곡기 구현 방안을 제안한다. 제안한 기법을 성능 검증하기 위하여, 제안된 모델을 이용한 디지털 사전 왜곡기를 구현하고 FMM-5715X 전력 증폭기에 적용하여 2 FA LTE 신호에 대한 기존 모델과의 ACLR(Adjacent Channel Leakage Ratio) 성능 향상 및 연산 복잡도를 비교하였다.

이론/모형

13. The output spectrum characteristics for a system with a digital predistortion based on the proposed method for a LTE signal.
60 GHz 전력 증폭기의 입출력 측정 데이터를 이용해서 구간별 차등 다항식 모델을 검증하였다. 검증 시, 기존 단일 다항식 모델에서는 5차의 비선형식을 사용하였고, 구간별 차등 다항식 모델에서는 선형구간은 3차의 비선형식, 비선형구간은 5차의 비선형식을 사용하였다. 여기서 다항식 모델의 차수를 3차와 5차로 한정한 이유는 그림 3에서 보듯 이, 5차 이후 MSE 감소폭이 작아진다.

성능/효과

다항식 구조의 사전 왜곡기를 사용한 경우 ACLR이 평균 20.24 dBc의 성능 향상이 되었고, 제안된 구조의 사전 왜곡기를 사용한 경우 ACLR이 평균 23.57 dBc의 성능 향상이 되었다.
다항식 모델은 볼테라 급수 기반의 다른 모델에 비해 복잡성을 줄인 모델로써 전력 증폭기의 비선형 특성 보상에 대해서 우수한 결과를 보여주었다.
이러한 문제점을 해결한 방식이 참고문헌^[16]에서 소개된 구간별 차등 다항식 사전 왜곡 방식으로써, 임의의 전력 증폭기의 특성 곡선을 임의의 다수 개의 영역으로 나누고 각 영역별로 최적의 다항식을 근사화하여 사용하는 방식이다. 또한, 이 방식을 이용한 디지털 사전 왜곡 기법은 기존 다항식 모델과 유사한 전력 증폭기의 비선형 특성 보상 결과를 보여주었다. 하지만 임의의 다수 개의 영역을 입력 신호의 통계적 특성으로만 이용해서 구간을 분할하기 때문에 입력 신호의 특성에 대한 전력 증폭기의 모델링 오차 및 사전 왜곡 기법 적용시의 성능에서 한계가 존재하게 된다.
3 dB 정도의 추가적인 성능 향상이 발생 되었다. 앞서 언급한 것과 같이 제안된 구조의 사전 왜곡기는 기존 다항식 구조의 사전 왜곡기에 비해 ACLR 성능 차이는 3 dB 만큼 추가적인 성능 향상을 보였으며 연산복잡도 측면에서는 구간에 따라 차수가 달라지기 때문에 제안된 구조의 사전 왜곡기가 기존 다항식 구조의 사전 왜곡기에 비해 복잡도가 줄어든다. 연산복잡도 비교를 위해 동작 주파수는 245.
연산 소모 클럭수 비교한 결과 다항식 구조의 사전 왜곡기에 비해 제안된 사전 왜곡기에서 총 연산 소모 클럭수는 7.45 %, 곱셈 연산 소모 클럭수는 11.23 %, 덧셈 연산 소모 클럭수는 14.29 % 만큼 소모한 클럭 수가 감소하였다.
57 dBc의 성능 향상이 되었다. 제안된 구조의 사전 왜곡기를 사용할 경우 기존 다항식 구조의 사전 왜곡기에 비해 3.3 dB 정도의 추가적인 성능 향상이 발생 되었다. 앞서 언급한 것과 같이 제안된 구조의 사전 왜곡기는 기존 다항식 구조의 사전 왜곡기에 비해 ACLR 성능 차이는 3 dB 만큼 추가적인 성능 향상을 보였으며 연산복잡도 측면에서는 구간에 따라 차수가 달라지기 때문에 제안된 구조의 사전 왜곡기가 기존 다항식 구조의 사전 왜곡기에 비해 복잡도가 줄어든다.
제시한 모델의 검증을 위하여 디지털 사전 왜곡기를 FPGA로 구현하여 하드웨어 테스트벤치를 통해 성능 평가를 하였다. 제안하는 사전 왜곡기 적용 시 기존 모델 대비 ACLR 측면에서는 성능 향상은 3.3 dB가 향상이 되었고 연산복잡도 측면에서는 총 연산 소모 클럭수가 7.45% 감소 확인을 통해 제안 방식의 우수한 성능을 확인하였다. 추후 연구에서는 광대역 신호에서 전력 증폭기의 비선형 특성을 분석하여 제안된 기법의 사전 왜곡기의 효용성을 검증을 하고 다른 비선형 모델을 적용 및 검증하여 동일한 성능 향상이 나타내는지 검증할 계획이다.
특히, 본 논문에서 사용하고자 하는 LTE 신호는 OFDM 기술을 기반으로 하는 신호이기 때문에 PAPR 값이 단일 반송파 신호에 비해 크기 때문에 입력 신호의 진폭에 따라 비선형 특성이 발생하는 60 GHz 전력 증폭기의 특성에 더욱 심각하게 영향을 받는다.

후속연구

45% 감소 확인을 통해 제안 방식의 우수한 성능을 확인하였다. 추후 연구에서는 광대역 신호에서 전력 증폭기의 비선형 특성을 분석하여 제안된 기법의 사전 왜곡기의 효용성을 검증을 하고 다른 비선형 모델을 적용 및 검증하여 동일한 성능 향상이 나타내는지 검증할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	많은 양의 정보를 한꺼번에 전송할 수 있는 방식들이 개발되고 있는 이유는?	무선 통신의 발전과 함께 사용자수 및 전송하고자 하는 사용자당 데이터량이 급격히 증가하고 있다.[1] 이러한 기술적인 요구 사항에 의해 많은 양의 정보를 한꺼번에 전송할 수 있는 OFDM(Othogonal Frequency Division Multiplexing)과 같은 다중 반송파(multi carrier)전송 방식이나 QAM(Quadature Amplitude Modulation)와 같은 다차원의 변조 방식 등이 개발되고 있다.
	5세대 이동 통신 시스템에서 발생하는 문제는 어디에 기인하는가?	밀리미터파 대역은 비허가 대역으로써 추가적인 비용 없이 넓은 대역폭을 사용할 수 있다.[2～4] 하지만 밀리미터파는 고유의 전파 감쇄 특성으로 인해서 통신되는 범위가 좁기 때문에, 이를 극복하기 위해 상대적으로 송신 전력을 높게 송출해야 한다. 그로 인해, 5세대 이동 통신 시스템에서도 전력 증폭기가 필요하고 위에 언급한 내용과 같이 전력 증폭기의 비선형 특성으로 인해 생기는 문제가 야기된다.
	밀리미터파 대역의 장점은?	최근 밀리미터파 대역을 이용한 5세대 이동 통신 시스템에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 밀리미터파 대역은 비허가 대역으로써 추가적인 비용 없이 넓은 대역폭을 사용할 수 있다.[2～4] 하지만 밀리미터파는 고유의 전파 감쇄 특성으로 인해서 통신되는 범위가 좁기 때문에, 이를 극복하기 위해 상대적으로 송신 전력을 높게 송출해야 한다.

참고문헌 (17)

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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