[논문]이중대역 송신 시스템을 위한 단일 피드백 디지털 전치왜곡 기법

이광표; 윤민선; 정배묵; 정의림

doi:10.6109/jkiice.2017.21.3.499

이중대역 송신 시스템을 위한 단일 피드백 디지털 전치왜곡 기법
Digital Predistortion for Concurrent Dual-Band Transmitter Based on a Single Feedback Path 원문보기

한국정보통신학회논문지 = Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, v.21 no.3, 2017년, pp.499 - 508

이광표 (Department of Information and Communication Engineering, Hanbat National University) , 윤민선 (KMW R&D) , 정배묵 (KMW R&D) , 정의림 (Department of Information and Communication Engineering, Hanbat National University)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 이중 대역 송신시스템에서 비선형 전력증폭기를 선형화하기 위한 새로운 디지털 전치왜곡 기법을 제안한다. 기존의 시스템에서는 자기 대역의 비선형뿐만 아니라 타 대역간의 비선형을 보상하기 위해 두 개의 피드백 경로가 요구되는데 이는 하드웨어의 복잡도와 비용을 증가시킨다. 반면 제안하는 전치왜곡 시스템은 한 개의 피드백 경로만을 사용한다. 따라서 기존 시스템에 비해 훨씬 간단한 구조를 가진다. 제안하는 기법은 전치왜곡 계수를 얻기 위해서 한 개의 피드백 경로를 공유하여 두 대역의 전력증폭기 특성을 먼저 추정하고 추정된 전력증폭기 특성으로부터 전치왜곡 계수를 얻는다. 컴퓨터 모의실험 결과에 따르면 제안된 방식은 두 개의 피드백 회로를 구성한 기존 방식과 대등한 선형화 성능을 보인다.

Abstract ▼ AI-Helper

A new digital pre-distortion technique to linearize power amplifier (PA) is proposed for concurrent dual-band transmitters. In the conventional dual-band DPD techniques, two independent dual-feedback paths are required to compensate nonlinear cross-products between different bands as well as the nonlinear self-products of each band's own signal. However, it increases hardware complexity and expense. In this paper, we propose a new DPD method requiring only a single feedback path. In this new structure, the proposed technique first estimates the dual-band PA characteristics using the single feedback path. The DPD parameters are then extracted from the estimated PA characteristics. The DPD performance of the proposed method is validated through computer simulation. According to the results, the proposed technique can achieve comparable performance to the conventional two feedback DPD with significantly reduced hardware complexity.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

특히 LTE (long term evolution) 규격 release 10 이상에서는 CA (carrier aggregation) 기술을 이용하여 고속 데이터 서비스를 지원한다. 이 기술은 100MHz 이상 이격된 두 개 이상의 주파수 대역을 동시에 한 사용자에게 할당하여 고속의 데이터를 제공하는 기술이다. 이 서비스를 지원하는 기지국이나 RRH (remote radio head)를 효율적으로 설계하는 방안으로 한 개의 광대역 전력증폭기를 이용하여 이중대역 신호를 동시에 증폭하는 시스템이 연구되고 있다[1-5].
이러한 문제를 해결하기 위해 본 논문에서는 이중 대역 전송 시스템에서 한 개의 피드백 경로를 갖는 새로운 디지털 전치왜곡 방식을 제안한다. 제안하는 기법에 서는 단일 피드백 경로만 존재하기 때문에 전력증폭기의 두 대역 출력 신호 중 한 대역의 출력신호 밖에 얻을 수 없다.

가설 설정

본 논문에서 전력증폭기의 특성은 다항식으로 모델링 한다. 여기서 K_o = 1이라 가정한다. 이중 대역 전송 시스템에서 f_c2는 f_c1의 정수배가 아니라고 가정하면 전력 증폭기 LB, UB 신호를 기저대역으로 변환한 피드백 신호는 다음과 같이 쓸 수 있다.

제안 방법

각각의 전송 대역에 따른 추정된 전력증폭기의 성능을 확인하였다. 전력증폭기 특성은 다항식에 기반하며 메모리 차수가 2이고 최대 다항식 차수가 5인 모델 (K=3, M=3)을 사용하였다.
두 번째는 UB 출력신호를 피드백 받아 G₂(•)를 추정하며 세 번째는 앞서 추정한 G₁(•), G₂(•)를 이용하여 전치왜곡기 F₁(•), F₂(•)의 계수를 구하는 과정이다. 두 대역의 피드백 신호를 동시에 얻을 수 없기 때문에 전치왜곡 계수는 곧바로 구할 수 없지만, 두 대역에서 전송하는 송신신호는 모두 알고 있기 때문에 첫 번째, 두 번째 단계에서 전력증폭기 특성은 구할 수 있다는 것이 제안하는 방식의 핵심이다.
첫 번째 단계는 피드백 경로를 LB로 설정하여 LB의 전력증폭기 특성을 파악한다. 두 번째 단계는 피드백 경로에 있는 믹서 (mixer)의 국부 발진기 주파수를 UB로 변환하여 UB의 전력 증폭기 특성을 파악하며 세 번째 단계에 서는 파악한 두 개의 전력증폭기 특성으로부터 전치 왜곡 계수를 구하는 것이다.
본 논문에서 전력증폭기의 특성은 다항식으로 모델링 한다. 여기서 K_o = 1이라 가정한다.
송신신호의 품질을 비교하기 위하여 EVM(error vector magnitude)을 비교하였다. EVM은 다음과 같이 정의된다.
제안하는 기법에 서는 단일 피드백 경로만 존재하기 때문에 전력증폭기의 두 대역 출력 신호 중 한 대역의 출력신호 밖에 얻을 수 없다. 이러한 환경에서 제안하는 전치왜곡 알고리즘은 세 단계를 거쳐 전력증폭기를 선형화 한다. 첫 번째 단계는 피드백 경로를 LB로 설정하여 LB의 전력증폭기 특성을 파악한다.
0769] 계수를 갖는 FIR (finite impulse response) 필터를 사용하였다. 전력증폭기와 전치왜곡기는 최대 다항식 차수 5, 메모리 차수 2로 모델링 하였다 (K=3, M=3). 송신 신호의 심볼 속도는 30.
증폭된 신호는 전치왜곡기의 계수 갱신을 위해 피드백 되는데 이 때 커플러 등을 이용하여 1/K_o 만큼 감쇄된 피드백 신호를 얻는다. 제안하는 기법은 전치왜곡 계수를 추정하기 위해 먼저 단일 피드백 경로를 시간 분할을 통해 공유하여 이중대역 전력증폭기의 특성을 각각 추정한다. 하나의 피드백 경로만 존재하기 때문에 이중 대역 전체의 전력증폭기 특성을 한 번에 얻을 수 없다.
이러한 환경에서 제안하는 전치왜곡 알고리즘은 세 단계를 거쳐 전력증폭기를 선형화 한다. 첫 번째 단계는 피드백 경로를 LB로 설정하여 LB의 전력증폭기 특성을 파악한다. 두 번째 단계는 피드백 경로에 있는 믹서 (mixer)의 국부 발진기 주파수를 UB로 변환하여 UB의 전력 증폭기 특성을 파악하며 세 번째 단계에 서는 파악한 두 개의 전력증폭기 특성으로부터 전치 왜곡 계수를 구하는 것이다.
전치 왜곡기의 계수를 구하는 문제를 고려할 때 전력증폭기에서 두 대역이 서로 교차 비선형 왜곡을 통해 영향을 주고 있으므로 각 대역 별로 전치왜곡 계수를 독립적으로 구할 수는 없고 두 대역 신호를 모두 고려하여 전치 왜곡 계수를 구해야 한다. 하지만 제안하는 전치왜곡 구조에서는 피드백 경로가 하나이고 동시에 피드백 신호를 이용할 수 없기 때문에 본 논문에서는 다음과 같은 세 단계를 거쳐 전치왜곡 계수를 구하는 방법을 제안한다. 첫 번째 단계는 전력증폭기의 LB 출력 신호를 피드백 받아 전력증폭기 특성 G₁(•)을 추정한다.

대상 데이터

제안하는 방식의 성능을 검증하기 위해 MATLAB을 이용하여 컴퓨터 모의실험이 수행되었다. 입력 신호는 64-QAM (quadrature amplitude modulation)으로 변조되고 20 MHz 대역폭을 갖는 두 개의 독립적인 LTE 신호가 사용 되었으며 중심 주파수는 각각 800MHz, 1.8GHz로 설정하였다. 비선형 전력 증폭기 모델은 Saleh 모델을 이용하였다[15] :
각각의 전송 대역에 따른 추정된 전력증폭기의 성능을 확인하였다. 전력증폭기 특성은 다항식에 기반하며 메모리 차수가 2이고 최대 다항식 차수가 5인 모델 (K=3, M=3)을 사용하였다. 이때 전력증폭기의 특성 계수 ci는 18 × 1의 벡터 크기를 가지며 적응형 알고리즘 동작 시 초기 계수는 [1,0,0,⋯,0]T로 설정하였다.

데이터처리

제안하는 방식의 성능을 검증하기 위해 MATLAB을 이용하여 컴퓨터 모의실험이 수행되었다. 입력 신호는 64-QAM (quadrature amplitude modulation)으로 변조되고 20 MHz 대역폭을 갖는 두 개의 독립적인 LTE 신호가 사용 되었으며 중심 주파수는 각각 800MHz, 1.
제안하는 방식의 성능을 검증하기 위해 컴퓨터 모의실험이 수행되었다. 이 결과에 따르면 제안하는 기법은 한 개의 피드백 경로만을 사용하면서도 두 개의 피드백 경로를 갖는 기존의 방식과 대등한 선형화 성능을 얻을 수 있음을 보여준다.

이론/모형

전력증폭기의 특성은 시간이나 온도에 따라서 변하기 때문에 전력증폭기의 계수는 적응형 알고리즘으로 갱신하는 것이 바람직하다. 따라서 앞서 정의한 비용함수를 최소화하는 RLS (recursive least squares) 적응형 알고리즘 [14]을 사용할 수 있으며 표 1에서 정리하였다.
또한 메모리 효과를 갖는 광대역 전력증폭기를 모델링하기 위해 (17)의 비선형 시스템 전 단에 [0.7692 0.1538 0.0769] 계수를 갖는 FIR (finite impulse response) 필터를 사용하였다. 전력증폭기와 전치왜곡기는 최대 다항식 차수 5, 메모리 차수 2로 모델링 하였다 (K=3, M=3).
8GHz로 설정하였다. 비선형 전력 증폭기 모델은 Saleh 모델을 이용하였다[15] :
(n)는 각 주파수 대역에서 추정된 전력증폭기의 출력(피드백 신호)으로 수식 (7), (8)과 같다. 전치왜곡 비용 함수를 최소화하기 위해 RLS 적응형 알고리즘이 사용된다. 이 알고리즘은 표 1에서 입출력 변수를 교환하여 사용하면 된다.

성능/효과

그림 4는 각 전송 대역의 전력 증폭기 계수가 수렴하는 특성 곡성을 보이며 이는 수식 (11)으로부터 얻어진다. 결과에 따르면 적응형 알고리즘은 1000개의 샘플 이내에 수렴하고 있으며 MSE (mean square error)는 약 10-10정도를 나타내었다. 결과적으로 추정된 전력증폭기 계수는 다음과 같다.
이때 전치왜곡 특성 계수 w_i은 18 × 1의 벡터 크기를 가지며 적응형 알고리즘 동작 시 초기 계수는 [1,0,0,⋯,0]^T로 설정하였다. 결과에 따르면 적응형 알고리즘은 1000개의 샘플 이내에 수렴하고 있으며 MSE (mean square error)는 약 10^-11정도를 나타내었다. 결과적으로 추정된 전치왜곡 계수는 다음과 같다.
(a)는 Saleh 전력 증폭기의 출력 스펙트럼이고 (b)는 추정된 전력증폭기의 출력 스펙트럼이다. 결과에 따르면 추정된 전력 증폭기 모델은 실제 전력증폭기 특성과 거의 동일함을 확인할 수 있다.
이러한 왜곡은 전치왜곡 알고리즘에 의해 효과적으로 제거됨을 확인 할 수 있으며 한 개의 피드백 경로를 사용한 제안 방식이 두 개의 피드백 경로를 사용한 경우와 거의 동일한 성능을 보이고 있다. 구체적으로 표 2에서 ACLR (adjacent channel leakage ratio)을 비교하면 제안하는 전치왜곡 적용 시 약 27~31 dB 이상의 spectral regrowth를 제거 하고 있음을 확인 할 수 있었다.
054 %로 줄어들어 개선되는 것을 확인할 수 있다. 또 피드백 경로 수의 따른 전치왜곡 기법 성능을 비교하면 한 개의 피드백 경로만을 사용하여도 두 개의 피드백 경로를 사용하는 전치왜곡과 거의 동일한 EVM 성능을 얻을 수 있음을 확인하였다.
모의실험 결과에 따르면 한 개의 피드백 경로만으로도 두 대역에 해당하는 전력증폭기 특성을 정확하게 파악할 수 있으며 전치왜곡도 잘 수행한다.
구체적으로 그림 8의 64-QAM 성상도에서 두 대역 모두 송신신호가 심각하게 왜곡되었음을 보인다. 반면 전치왜곡 기법을 적용하면 EVM이 각각 0.031 %, 0.054 %로 줄어들어 개선되는 것을 확인할 수 있다. 또 피드백 경로 수의 따른 전치왜곡 기법 성능을 비교하면 한 개의 피드백 경로만을 사용하여도 두 개의 피드백 경로를 사용하는 전치왜곡과 거의 동일한 EVM 성능을 얻을 수 있음을 확인하였다.
제안하는 방식의 성능을 검증하기 위해 컴퓨터 모의실험이 수행되었다. 이 결과에 따르면 제안하는 기법은 한 개의 피드백 경로만을 사용하면서도 두 개의 피드백 경로를 갖는 기존의 방식과 대등한 선형화 성능을 얻을 수 있음을 보여준다.
전치왜곡기가 적용 되지 않은 경우 전력증폭기 출력은 심하게 왜곡이 되어 스펙트럼이 넓게 나타나고 있고 인접 채널에 심한 간섭을 유발하고 있다. 이러한 왜곡은 전치왜곡 알고리즘에 의해 효과적으로 제거됨을 확인 할 수 있으며 한 개의 피드백 경로를 사용한 제안 방식이 두 개의 피드백 경로를 사용한 경우와 거의 동일한 성능을 보이고 있다. 구체적으로 표 2에서 ACLR (adjacent channel leakage ratio)을 비교하면 제안하는 전치왜곡 적용 시 약 27~31 dB 이상의 spectral regrowth를 제거 하고 있음을 확인 할 수 있었다.
즉, 제안하는 전치왜곡 기법을 적용하면 단일 피드백 경로만 이용하여도 두 개의 피드백 경로를 사용하는 기존 전치왜곡기와 거의 동일한 선형화 성능을 얻을 수 있다.
전력증폭기 특성 추정 후, 디지털 전치왜곡 파라미터들은 추정된 전력증폭기를 기반으로 산출하게 된다. 컴퓨터 모의실험을 통해 제안하는 방식이 두 개의 피드백 경로를 가지는 기존 방식과 거의 유사한 성능을 보임을 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전치왜곡기 출력신호는 무엇으로 인해 각각 아날로그 신호로 변환된 후 믹서 (mixier)에 의해 각각 전송 주파수 대역으로 상향 변환되는가?	한 개의 전치왜곡기는 LB 왜곡 보상을 위해 사용되며 다른 하나의 전치왜곡기는 UB 왜곡 보상을 위해 사용된다. 전치왜곡기 출력신호는 DAC (digitalto-analog converter)에 의해 각각 아날로그 신호로 변환된 후 믹서 (mixier)에 의해 각각 전송 주파수 대역으로 상향 변환된다. 이렇게 주파수 변환된 신호는 합성기에 의해 더해진 후 광대역 전력증폭기에 의해 증폭된다.
	전치왜곡 시스템의 특징은?	기존의 시스템에서는 자기 대역의 비선형뿐만 아니라 타 대역간의 비선형을 보상하기 위해 두 개의 피드백 경로가 요구되는데 이는 하드웨어의 복잡도와 비용을 증가시킨다. 반면 제안하는 전치왜곡 시스템은 한 개의 피드백 경로만을 사용한다. 따라서 기존 시스템에 비해 훨씬 간단한 구조를 가진다. 제안하는 기법은 전치왜곡 계수를 얻기 위해서 한 개의 피드백 경로를 공유하여 두 대역의 전력증폭기 특성을 먼저 추정하고 추정된 전력증폭기 특성으로부터 전치왜곡 계수를 얻는다.
	LTE 규격 release 10 이상에서는 CA (carrier aggregation) 기술을 이용하는데 이 기술은 무엇인가?	특히 LTE (long term evolution) 규격 release 10 이상에서는 CA (carrier aggregation) 기술을 이용하여 고속 데이터 서비스를 지원한다. 이 기술은 100MHz 이상 이격된 두 개 이상의 주파수 대역을 동시에 한 사용자에게 할당하여 고속의 데이터를 제공하는 기술이다. 이 서비스를 지원하는 기지국이나 RRH (remote radio head)를 효율적으로 설계하는 방안으로 한 개의 광대역 전력증폭기를 이용하여 이중대역 신호를 동시에 증폭하는 시스템이 연구되고 있다[1-5].

참고문헌 (15)

A. Cidronali, N. Giovannelli, I. Magrini and G. Manes, "Compact concurrent dual-band power amplifier for 1.9 GHz WCDMA and 3.5 GHz OFDM wireless systems," in Proceedings of the 3rd Microwave Integrated Circuits Conference, Amsterdam, pp. 518-521, 2008.
M. Simon, et al, "A high performance dual band/dual mode CMOS RF transceiver for WiMAX and WLAN systems," in Proceedings of the 1th Wireless Technology Conference, Amsterdam, pp.81-84, 2008.
R. Negra, A. Sadeve, S. Bensmida and F. M. Ghannouchi, "Concurrent dual-band class-F load coupling network for applications at 1.7 and 2.14 GHz," IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs, vol, 55, no. 3, pp. 259-263, Mar. 2008.

상세보기
S. A. Bassam, C. Wenhua, M. Helaoui and F. M Ghannouchi, "Transmitter architecture for CA: Carrier aggregation in LTE-advanced systems," IEEE Microwave Magazine, vol. 14, no. 5, pp. 78-86, Jul. 2013.

상세보기
J.H. Jeon, W.G. Yang and Y.C Hong, "Design and Implementation of Internal Multi-band Folded Monopole Antenna for Mobile Station," Journal of information and communication convergence engineering, vol. 9, no. 1, pp. 16-20, Feb. 2011.

원문보기 상세보기
K. P. Lee, S. I. Hong and E. R. Jeong, "A Polynomial Digital Pre-Distortion Technique Based on Iterative Architecture," International Journal of Electrical and Computer Engineering (IJECE), vol, 6, no. 1, pp. 106-112, Feb. 2016.

상세보기
K. P. Lee and E. R. Jeong, "Robust Digital Predistortion in Saturation Region of Power Amplifiers," International Journal of Electrical and Computer Engineering (IJECE), vol. 6, no. 1, pp. 99- 105, Feb. 2016.

상세보기
L. Ding, Z. Yang and H. Gandhi, "Concurrent dual-band digital predistortion," Microwave Symposium Digest (MTT), 2012 IEEE MTT-S International. IEEE, pp.1-3, 2012.
P. Roblin, C. Quindroit, N. Naraharisetti, S. Gheitanchi and M. Fitton, "Concurrent linearization," IEEE Microwwave Magazine, vol. 14, no. 7, pp. 75-91, Nov. 2013.

상세보기
S. A. Bassam, M. Helaoui and F. M. Ghannouchi, "2-D digital predistortion (2-D-DPD) architecture for concurrent dual-band transmitters," IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 59, no. 10, pp. 2547-2553, Oct. 2011.

상세보기
C. Quindroit, et al, "Concurrent dual-band digital predistortion for power amplifier based on orthogonal polynomials," Microwave Symposium Digest (IMS), 2013, IEEE MTT-S International. IEEE, pp. 1-4, 2013.
Y. J. Liu, W. Chen, J. Zhou, B. H. Zhou and F. M Ghannouchi, "Digital predistortion for concurrent dual-band transmitters using 2-D modified memory polynomials," IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 61, no. 1, pp. 281-290, Jan. 2013.

상세보기
S. H. Choi and E. R. Jeong, "Digital predistortion based on combined feedback in MIMO transmitters," IEEE Communications Letters, vol. 16, no. 10, pp. 1572- 1575, Oct. 2012.

상세보기
S. Haykin, Adaptive Filter Theory, 4th edition, Ontario, Pearson Education, 2002.
A. A. M. Saleh, "Frequency-independent and frequencydependent nonlinear models of TWT amplifiers," IEEE Transactions on Communications, vol. COM-29, no. 11, pp. 1715-1720, Nov. 1981.

저자의 다른 논문 :

LOADING...

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증