KR20120070143A

KR20120070143A - Apparatus for reducing envelope distortion in power amplifier

Info

Publication number: KR20120070143A
Application number: KR1020100131577A
Authority: KR
Inventors: 오정훈; 김준형
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2010-12-21
Filing date: 2010-12-21
Publication date: 2012-06-29

Abstract

PURPOSE: An apparatus for reducing envelope distortion in a power amplifier is provided to eliminate a discontinuous properties from an envelope signal by applying a predistorter to an ET(Envelope Tracking) power amplifier. CONSTITUTION: A power amplifier comprises a power amplifier amplifying an input signal to be wirelessly transmitted through an antenna, a bias changing device changing a voltage of a bias signal according to a size of the input signal, and a DPD(Digital Pre-Distorter) performing predistortion. An envelop generation device comprises a signal size generation unit(710) and a correction unit(720). The signal size generation unit generates a size of a pre-distorted input signal. The signal size generation unit generates a pre-distorted envelope signal. The correction unit revises the generated envelope signal.

Description

Apparatus for Reducing Envelope Distortion in Power Amplifier

본 발명은 무선 통신 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 무선 통신 시스템의 출력 신호를 증폭시켜 출력하는 전력 증폭기에 관한 것이다.
The present invention relates to a wireless communication system, and more particularly, to a power amplifier for amplifying and outputting an output signal of a wireless communication system.

무선 통신 시스템에서는 RF 신호를 안테나를 통해 전송하기 전에 전력 증폭기(Power Amplifier : PA)를 통해 증폭시켜 출력한다. 전력 증폭기는 무선 전송할 무선 주파수(Radio Frequency : RF) 입력 신호를 바이어스 전압에 의해 증폭시켜 안테나를 통해 출력한다. In a wireless communication system, an RF signal is amplified and output through a power amplifier (PA) before being transmitted through an antenna. The power amplifier amplifies a radio frequency (RF) input signal for wireless transmission by a bias voltage and outputs it through an antenna.

그런데, 바이어스 전압이 고정된 값일 경우의 열손실을 방지하기 위해 포락선 추적(Envelope Tracking : 이하 “ET”로 기재함) 전력 증폭기가 제안된다. ET 전력증폭기는 RF 입력신호 크기의 포락선을 생성하고, 상기 포락선에 상응하도록 전력증폭기 바이어스 전압도 가변된다. However, in order to prevent heat loss when the bias voltage is a fixed value, an envelope tracking (hereinafter referred to as “ET”) power amplifier is proposed. The ET power amplifier generates an envelope of the magnitude of the RF input signal, and the power amplifier bias voltage is also varied to correspond to the envelope.

한편, 전술한 바와 같은 ET 전력 증폭기의 비선형 왜곡을 방지하기 위해 전치 왜곡(Pre-distortion) 기술을 이용하여 전력 증폭기의 입력 신호를 전치 왜곡시킨다.Meanwhile, in order to prevent the nonlinear distortion of the ET power amplifier as described above, the pre-distortion technique is used to predistort the input signal of the power amplifier.

그런데, 이러한 전치 왜곡에 의해 전력 증폭기의 포락선이 상기 입력 신호가 왜곡된 패턴으로 전치 왜곡될 수 있다는 문제점이 있다. 이러한 포락선의 왜곡은 광대역 노이즈의 원인이 되어 결과적으로 전력증폭기 출력 신호의 또 다른 왜곡을 야기한다.
However, this predistortion has a problem that the envelope of the power amplifier may be predistorted in a pattern in which the input signal is distorted. This distortion of the envelope causes broadband noise, resulting in another distortion of the power amplifier output signal.

따라서, 본 발명은 전력증폭기에 전치 왜곡에 따른 포락선의 왜곡을 방지하기 위한 장치를 제공한다.Accordingly, the present invention provides an apparatus for preventing distortion of an envelope due to predistortion in a power amplifier.

본 발명은 포락선 신호의 불연속적인 부분을 개선시켜 전력증폭기 출력 노이즈와, 그에 따른 신호 왜곡을 억제하는 장치를 제공한다.
The present invention provides an apparatus for suppressing discontinuous portions of an envelope signal to suppress power amplifier output noise and hence signal distortion.

본 발명은 포락선 왜곡 감소 전력 증폭 장치로, 안테나를 통해 무선 전송할 입력 신호를 증폭하여 출력하는 전력 증폭기와, 상기 전력 증폭기의 입력 신호를 피드백 신호에 따라 전치 왜곡하여 출력하는 전치 왜곡기와, 상기 전치 왜곡기로부터 출력된 입력 신호의 크기인 포락선 신호를 생성하고, 상기 생성된 포락선 신호의 전치 왜곡을 보정하고, 상기 보정된 포락선 신호에 상응하는 바이어스 전압을 상기 전력 증폭기에 인가하는 바이어스 가변기를 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided an apparatus for reducing power of envelope distortion, comprising: a power amplifier for amplifying and outputting an input signal to be wirelessly transmitted through an antenna; And a bias variable for generating an envelope signal having a magnitude of an input signal output from the device, correcting predistortion of the generated envelope signal, and applying a bias voltage corresponding to the corrected envelope signal to the power amplifier.

본 발명은 ET 전력증폭기에 전치 왜곡기를 적용함으로써 발생하는 포락선 신호의 불연속 특성을 개선하여 광대역 노이즈 발생 억제 및 신호 왜곡을 줄이는 이점이 있다.
The present invention has the advantage of suppressing broadband noise generation and reducing signal distortion by improving the discontinuity of an envelope signal generated by applying a predistorter to an ET power amplifier.

도 1은 무선 통신 시스템의 일반적인 전력 증폭기를 도시한 도면이다.
도 2는 전력 증폭기의 안테나 출력 신호 전압과 바이어스 전압의 크기를 도시한 도면이다.
도 3은 일반적인 ET 전력 증폭기를 도시한 도면이다.
도 4는 ET 전력 증폭기의 안테나 출력 전압과 바이어스 전압의 크기를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따라 전치 왜곡 기술이 적용된 전력 증폭 장치의 구성도이다.
도 6a는 전치 왜곡에 의한 전력 증폭기의 입출력 신호 그래프를 도시한 도면이다.
도 6b는 포락선 신호가 전치 왜곡기에 의해 왜곡된 상태를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 포락선 발생기의 상세 구성도이다.
도 8은 상수 A 및 C의 변화에 따른 하이퍼볼릭 탄젠트 함수의 그래프의 일 예를 도시한다.1 is a diagram illustrating a general power amplifier of a wireless communication system.
2 is a diagram illustrating the magnitudes of the antenna output signal voltage and the bias voltage of the power amplifier.
3 is a diagram illustrating a general ET power amplifier.
4 is a diagram illustrating the magnitudes of the antenna output voltage and the bias voltage of the ET power amplifier.
5 is a configuration diagram of a power amplification apparatus to which a predistortion technique is applied according to a preferred embodiment of the present invention.
6A is a diagram illustrating an input / output signal graph of a power amplifier due to predistortion.
6B is a graph illustrating a state in which an envelope signal is distorted by a predistorter.
7 is a detailed configuration diagram of an envelope generator according to a preferred embodiment of the present invention.
8 shows an example of a graph of a hyperbolic tangent function with variations of constants A and C. FIG.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 기술되는 바람직한 실시 예를 통하여 본 발명을 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 기술하기로 한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Reference will now be made in detail to embodiments of the present invention, examples of which are illustrated in the accompanying drawings, wherein like reference numerals refer to the like elements throughout.

본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명 실시 예들의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.In the following description of the present invention, when it is determined that detailed descriptions of related known functions or configurations may unnecessarily obscure the gist of the embodiments of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.

본 발명을 설명하기에 앞서, 명세서 전반에 걸쳐 사용되는 용어들을 정의한다. 이 용어들은 본 발명 실시 예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 사용자 또는 운용자의 의도, 관례 등에 따라 충분히 변형될 수 있는 사항이므로, 이 용어들의 정의는 본 발명의 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.Prior to describing the present invention, terms used throughout the specification are defined. These terms are terms defined in consideration of functions in the embodiments of the present invention, and are terms that can be sufficiently modified according to the intention, convention, etc. of the user or operator, and the definition of the terms is based on the contents throughout the specification of the present invention. Will have to be lowered.

그런데, 본 발명을 설명함에 앞서, 본 발명의 이해를 돕기 위해 ET 전력 증폭기를 설명하기로 한다.However, before describing the present invention, the ET power amplifier will be described to help the understanding of the present invention.

도 1은 무선 시스템에서 사용되는 일반적인 전력 증폭기를 도시한 도면이다.1 is a diagram illustrating a general power amplifier used in a wireless system.

도 1을 참조하면, 전력 증폭기(100)는 무선 전송할 무선 주파수(Radio Frequency : RF) 입력 신호를 바이어스 전압에 의해 증폭시켜 안테나를 통해 출력한다. 이때, 도 1에서는 전력 증폭기(100)의 RF 입력 신호가 가변되는 것과는 상관없이 전력증폭기 바이어스 전압이 최대값, 예컨대 30V에 고정되어 있다. 이럴 경우, 안테나 출력 신호의 전압과 고정 바이어스 전압 사이의 차이로 인해 열 손실이 발생하게 된다.Referring to FIG. 1, the power amplifier 100 amplifies a radio frequency (RF) input signal for wireless transmission by a bias voltage and outputs the same through an antenna. 1, the power amplifier bias voltage is fixed at a maximum value, for example, 30V, regardless of whether the RF input signal of the power amplifier 100 is variable. In this case, heat loss occurs due to the difference between the voltage of the antenna output signal and the fixed bias voltage.

도 2는 전력 증폭기의 안테나 출력 신호 전압과 바이어스 전압의 크기를 도시한 도면이다. 즉, 전력증폭기 바이어스 전압의 크기와 안테나 출력 신호의 전압 크기의 차이에 해당하는 부분은 열로 손실된다는 문제점이 있다.2 is a diagram illustrating the magnitudes of the antenna output signal voltage and the bias voltage of the power amplifier. That is, a portion corresponding to the difference between the magnitude of the power amplifier bias voltage and the magnitude of the voltage of the antenna output signal is lost as heat.

이러한 문제점을 극복하고자, 포락선 추적(Envelope Tracking : 이하 “ET”로 기재함) 전력 증폭기가 제안되었다. 도 3은 일반적인 ET 전력증폭기의 구성도이다.To overcome this problem, an envelope tracking (hereinafter referred to as "ET") power amplifier has been proposed. 3 is a block diagram of a general ET power amplifier.

도 3을 참조하면, 전력증폭기(300)의 바이어스 전압을 가변할 수 있는 바이어스 모듈레이터(320)를 구비하여, RF 입력신호 크기 변화에 따라 전력증폭기 바이어스 전압도 가변된다. Referring to FIG. 3, a bias modulator 320 capable of varying the bias voltage of the power amplifier 300 is provided, and the power amplifier bias voltage is also varied according to the change of the RF input signal size.

도 4는 ET 전력 증폭기의 안테나 출력 신호 전압과 바이어스 전압의 크기를 도시한 도면이다.4 is a diagram illustrating the magnitudes of the antenna output signal voltage and the bias voltage of the ET power amplifier.

도 4를 참조하면, ET 전력증폭기 바이어스 전압은 안테나 출력 신호 전압과 동일한 패턴으로 변화된다. 따라서, ET 전력증폭기의 열손실은 도 2에 도시된 바와 같은 일반적인 전력증폭기에서보다 대폭 감소된다.Referring to FIG. 4, the ET power amplifier bias voltage is changed in the same pattern as the antenna output signal voltage. Therefore, the heat loss of the ET power amplifier is greatly reduced than in the general power amplifier as shown in FIG.

그러면, 전술한 바와 같은 전력증폭기의 효율을 높이기 위하여 사용되는 ET 전력증폭기의 선형성 개선을 위한 전치 왜곡기 적용하였을 경우 발생하는 포락선 신호의 왜곡을 줄이는 기술인 본 발명의 내용을 살펴보기로 한다.Then, the contents of the present invention will be described, which is a technique for reducing distortion of an envelope signal generated when a predistorter is applied to improve linearity of an ET power amplifier used to increase the efficiency of the power amplifier as described above.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 ET 전력증폭기에 전치 왜곡기를 적용한 전체 무선 통신 시스템에서의 전력 증폭 장치의 전체 구성도이다.5 is an overall configuration diagram of a power amplifying apparatus in an entire wireless communication system applying a predistorter to an ET power amplifier according to a preferred embodiment of the present invention.

도 5를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전력 증폭 장치는 안테나를 통해 무선 전송할 입력 신호를 증폭하여 출력하는 전력 증폭기(530)와, 상기 입력 신호의 크기에 따라 바이어스 신호의 전압을 가변시켜 출력하는 바이어스 가변기(550)와, 전력 증폭기(530)의 입력 신호와 피드백 신호를 비교하여 전치 왜곡을 수행하는 DPD(510)를 포함한다.Referring to FIG. 5, a power amplifier according to an exemplary embodiment of the present invention includes a power amplifier 530 that amplifies and outputs an input signal to be wirelessly transmitted through an antenna, and varies a voltage of a bias signal according to the size of the input signal. And a DPV 510 configured to perform predistortion by comparing an input signal and a feedback signal of the power amplifier 530.

그런데, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 DPD(510)는 디지털 전치 왜곡기(Digital Pre-Distortion : DPD)일 수 있는데, 전력 증폭기(530)의 전치 왜곡 제어를 디지털 신호로 처리하기 위해, ADC(540)는 전력증폭기(530)로부터 출력되어 피드백된 신호를 디지털로 변환시켜 DPD(510)에 입력시키고, DAC(520)는 DPD(510)로부터의 전치 왜곡 출력 신호를 전력 증폭기(550)에 입력 가능한 아날로그 신호로 변환하여 출력한다.However, the DPD 510 according to an exemplary embodiment of the present invention may be a digital pre-distortion (DPD). In order to process the predistortion control of the power amplifier 530 as a digital signal, an ADC ( 540 converts the feedback signal output from the power amplifier 530 to digital and inputs it to the DPD 510, and the DAC 520 inputs the predistorted output signal from the DPD 510 to the power amplifier 550. Convert it to possible analog signal and output.

바이어스 가변기(550)는 상세하게는 포락선 발생기(551), DAC(652) 및 바이어스 모듈레이터(553)을 포함한다.The bias variable 550 includes, in detail, an envelope generator 551, a DAC 652, and a bias modulator 553.

포락선 발생기(551)는 DPD(510)로부터 출력되는 입력 신호의 크기인 포락선 신호를 생성하여 출력한다. DAC(552)는 포락선 발생기(551)로부터 생성된 포락선 신호를 아날로그 신호로 변환하여 출력한다. 바이어스 모듈레이터(553)는 DAC(552)으로부터 출력되는 포락선 신호에 상응하도록 바이어스 전압을 가변시켜 전력 증폭기(530)에 출력한다.The envelope generator 551 generates and outputs an envelope signal which is a magnitude of an input signal output from the DPD 510. The DAC 552 converts an envelope signal generated from the envelope generator 551 into an analog signal and outputs the analog signal. The bias modulator 553 varies the bias voltage to correspond to the envelope signal output from the DAC 552 and outputs the bias voltage to the power amplifier 530.

DPD(510)는 전력 증폭기(550)의 피드백 신호와 디지털 입력신호를 비교하여 전력증폭기 왜곡 정도를 측정하고, 다음의 입력 신호를 전치 왜곡하여 선형성을 개선시킨다. 즉, 전력 증폭기(530)의 출력 신호가 비선형 왜곡됨에 따라, 이를 보정하기 위해 DPD(510)는 입력신호를 역으로 왜곡하게 된다.The DPD 510 compares the feedback signal of the power amplifier 550 and the digital input signal to measure the power amplifier distortion degree, and predistorts the next input signal to improve linearity. That is, as the output signal of the power amplifier 530 is nonlinearly distorted, the DPD 510 distorts the input signal inversely to correct it.

도 6a는 전치 왜곡에 의한 전력 증폭기의 입출력 신호 그래프를 도시한 도면이다.6A is a diagram illustrating an input / output signal graph of a power amplifier due to predistortion.

도 6a를 참조하면, 전력 증폭기의 응답 곡선이 입력 전압이 Vin, max 인 지점에서 원하는 출력 전압보다 감소되는 비선형성을 보임에 따라, DPD(510)는 이러한 비선형성을 보상하기 위하여, 입력 전압이 V in, max가 되는 지점에서 원하는 전력증폭기의 출력보다 높은 출력이 되도록 전치 왜곡시킨다.Referring to FIG. 6A, as the response curve of the power amplifier exhibits a nonlinearity that is reduced from the desired output voltage at the point where the input voltage is Vin, max, the DPD 510 is configured to compensate for such nonlinearity. Pre-distortion is performed at the point where V in and max becomes higher than the output of the desired power amplifier.

그런데, 이러한 전치 왜곡에 의해 포락선 신호도 왜곡된다. 즉, 도 5를 참조하면, 포락선 발생기(551)에 입력되는 입력 신호는 전치 왜곡기(610)에 의해 전치 왜곡된 신호이다. 즉, 도 6a에 도시된 바와 같이 기존 전력 증폭기의 출력보다 높은 출력이 되도록 전치 왜곡된 신호이다.However, the predistortion also distorts the envelope signal. That is, referring to FIG. 5, the input signal input to the envelope generator 551 is a predistorted signal by the predistorter 610. That is, as shown in FIG. 6A, the signal is predistorted to have a higher output than that of the existing power amplifier.

따라서, 포락선 발생기(551)의 의해 생성되는 포락선 신호 또한 도 6a의 전치 왜곡 신호와 같이 왜곡된다.Accordingly, the envelope signal generated by the envelope generator 551 is also distorted as in the predistortion signal of FIG. 6A.

도 6b는 포락선 신호가 전치 왜곡기에 의해 왜곡된 상태를 나타낸 그래프이다.6B is a graph illustrating a state in which an envelope signal is distorted by a predistorter.

도 6b를 참조하면, 전치 왜곡 후의 포락선 신호는 B영역에서 보는 바와 같이 불연속점이 발생된다. 이러한 불연속 신호는 전력 증폭기에 노이즈를 발생시키는 원인이 된다.Referring to FIG. 6B, as shown in the region B, the envelope signal after the predistortion generates a discontinuity point. This discontinuous signal causes noise in the power amplifier.

따라서, 본 발명에 바람직한 실시 예에 따른 포락선 발생기(551)는 이러한 포락선 신호의 왜곡을 보정해준다. Therefore, the envelope generator 551 according to an exemplary embodiment of the present invention corrects the distortion of the envelope signal.

도 7은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 포락선 발생기의 상세 구성도이다.7 is a detailed configuration diagram of an envelope generator according to a preferred embodiment of the present invention.

도 7을 참조하면, 포락선 발생기(551)는 신호 크기 생성부(710) 및 보정부(720)을 포함한다.Referring to FIG. 7, the envelope generator 551 includes a signal magnitude generator 710 and a correction unit 720.

신호 크기 생성부(710)는 DPD(510)에 의해 전치 왜곡된 입력 신호(x(n))를 수신함에 따라, 수신된 입력 신호의 크기를 생성하여 출력한다. 신호 크기 생성부(710)는 도 6b에 도시된 바와 같은 전치 왜곡된 포락선 신호를 생성하여 출력한다.When the signal magnitude generating unit 710 receives the predistorted input signal x (n) by the DPD 510, the signal magnitude generating unit 710 generates and outputs the magnitude of the received input signal. The signal magnitude generator 710 generates and outputs a predistorted envelope signal as illustrated in FIG. 6B.

그러면, 보정부(720)는 상기 생성된 포락선 신호를 보정하여 출력한다. 본 발명의 실시 예에 따라, 보정부(720)는 하기의 <수학식 1>과 같은 하이퍼 볼릭 탄젠트 함수를 수행하거나 바이패스 기능을 담당한다.Then, the correction unit 720 corrects and outputs the generated envelope signal. According to an exemplary embodiment of the present invention, the correction unit 720 performs a hyperbolic tangent function such as Equation 1 below, or performs a bypass function.

상기 <수학식 1>에서 A 및 C는 원하는 포락선 신호, 즉 전치 왜곡된 포락선 신호를 보정하기 위해 사전 정의된 상수이다. In Equation 1, A and C are constants predefined to correct a desired envelope signal, that is, a predistorted envelope signal.

상기 <수학식 1>의 하이퍼 볼릭 탄젠트 함수는 상수 A 및 C의 변화에 따라 신호가 변화되는데, 도 8은 상수 A 및 C의 변화에 따른 하이퍼볼릭 탄젠트 함수의 그래프의 일 예를 도시한다.The signal of the hyperbolic tangent function of Equation 1 changes according to the change of the constants A and C. FIG. 8 shows an example of a graph of the hyperbolic tangent function according to the change of the constants A and C. Referring to FIG.

도 8을 참조하면, A=1 및 C=1일 경우인 계열 1 그래프와, A=1 및 C=2일 경우인, 계열 2 그래프가 도시되어 있다.Referring to FIG. 8, a series 1 graph when A = 1 and C = 1 and a series 2 graph when A = 1 and C = 2 are shown.

따라서, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 보정부(720)는 상수 A,C를 조정하여 기존 포락선 형태를 유지하며 불연속 지점에서 부드러운 포락선 신호를 생성한다. 즉, 입력 신호가 V_in _, _max 근처이면 입력에 따른 포락선 신호의 비선형성을 개선하기 위하여 상기 <수학식 1>과 같은 하이퍼볼릭탄젠트 함수 (hyperbolic tangent function)의 형식을 취하여 보정된 포락선 신호(x_env(n))를 생성하여 출력한다. 본 발명의 실시 예에 따른 보정부(720)는 도 6b의 불연속 지점을 보정하기 위해, 상기 <수학식 1>의 상수 C를 음수로 대체하여 적용할 수 있다.Therefore, the correction unit 720 according to the preferred embodiment of the present invention maintains the existing envelope shape by adjusting the constants A and C, and generates a smooth envelope signal at the discontinuous point. That is, the input signal is V _in _, _max In order to improve the nonlinearity of the envelope signal according to the input, it generates a corrected envelope signal (x _env (n)) by taking the form of a hyperbolic tangent function as shown in Equation (1). do. The correction unit 720 according to an embodiment of the present invention may replace the constant C of Equation 1 with a negative number to correct the discontinuous point of FIG. 6B.

이로 인하여 불연속 신호에 대한 광대역 노이즈 발생을 억제하고 신호 왜곡을 줄일 수 있다는 이점이 있다.This has the advantage of suppressing broadband noise generation and reducing signal distortion for discontinuous signals.

Claims

A power amplifier for amplifying and outputting an input signal for wireless transmission through an antenna;
A predistorter for predistorting and outputting the input signal of the power amplifier according to a feedback signal;
A bias variable for generating an envelope signal that is a magnitude of an input signal output from the predistorter, correcting a predistortion of the generated envelope signal, and applying a bias voltage corresponding to the corrected envelope signal to the power amplifier; Envelope distortion reduction power amplifying device, characterized in that it comprises.