높은 스펙트럼 효율을 갖는 선형 변조방식은 이동체 통신 시스템에 적용시 문제점이 발생한다. 본 논문에서는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 전력 증폭기의 비선형성을 선형화하는 방법에 대하여 고찰하고 설계이론을 바탕으로 고주파 전력 증폭기를 설계 및 제작하였다. 제작된 고주파 전력 증폭기는 마이크로스트림 라인을 사용하였으며 중심주파수 1 GHz에서 13 dBm 입력에 28 dBm의 출력을 얻을 수 있었다.
전력증폭기는 동작 주파수, 동작 전압, 동작 온도에 따라 이득 및 비선형 특성이 달라져서 Feedforware 방식 선형전력 증폭기를 구현시 자동적응 주 신호 제거회로의 구현이 매우 어렵다. 보통 Pilot Tone 들을 사용하여 구현하나 본 논문에서는 입력 신호를 IQ 복조기의 LO 신호로 이용하고 빼기 회로에 인가되는 주 경로 및 보조 경로의 신호들을 IQ 복조기의 RF 신호로 이용함으로써 얻어지는 상대 위상과 진폭을 비교함으로써 주 신호 제거효과를 얻었다. 제안된 방법으로 주파수 성분이 877MHz와 882MHz 인 2-tone 입력에 따른 선형전력증폭기 출력이 36.2 ~ 28.2 dBm/tone 일 때 28.34 ~ 34.66dB의 주 신호 제거 특성을 얻었으며 선형전력증폭기의 동작 전압을 바꾸어도 31.3dB의 제거 특성을 얻었다.
스위칭 모우드 증폭기를 마이크로파 대역에서 이용하고자 하는 많은 연구가 있으며, 이러한 증폭기 중 E급 증폭기는 이론적으로 스위칭 동작을 통해 100%의 효율을 얻을 수 있다. 본 논문에서는 2.4GHz 대역 마이크로파 E급 증폭기로 출력 전력이 17.6dBm, 66%의 전력부가효율을 갖는 설계된 증폭기를 무선 랜 송신부에서 사용하기 위해 증폭기의 비선형 왜곡을 보상하고자 테이블 참조기법(Look Up Table)을 이용한 기저대역 사전왜곡 기법을 적용하였다. 설계된 증폭기는 -3dBm의 입력 무선랜신호를 인가하였을 때 출력스펙트럼 측정 결과가 IEEE 무선랜 스펙트럼 마스크 표준규격을 만족하며, 기저대역 사전왜곡을 적용하였을 때 중심주파수에서 20MHz offset인 주파수에서 최대 5dB의 ACPR 특성이 향상되었다.
OFDM (직교 주파수 분할 다중화) 신호의 높은 PAPR은 시스템의 송신단에서 전력증폭기의 비선형적 특성으로 인해 비선형 왜곡이 불가피하게 발생한다. 이 현상은 대역 내 왜곡과 대역 외 방사를 초래한다. 본 논문에서는 다항식 (polynomial) 모델에 기반한 사전왜곡(pre-distortion) 기법으로 이러한 문제를 보상하는 기법을 제안한다. 비선형 및 역비선형 다항식 모델 추정은 LSE(Least Square Error) 알고리즘으로 수행한다. 또한 시스템의 성능 향상을 위해 피크제거와 클리핑 결합기법을 이용해 OFDM 신호가 전력증폭기의 포화 영역 근처에서 동작함으로써 발생하는 왜곡된 신호의 진폭을 제거한다.
본 논문에서는 설계된 전력증폭기에서 가변 바이어스 기법을 이용하면 전력부가효율을 증가시킬 수 있다는 것을 보였다. 서로 다른 출력전력을 갖는 이중 모우드에서 높은 효율을 얻기 위하여 가변 바이어스 기법을 이용하고 바이어스 변화에 따른 영향을 시뮬레이션 하였다. 게이트 전압을 고정하고 드레인 바이어스를 시뮬레이션으로 최적값을 구하여 이를 변화하여 전력증폭기의 효율을 향상시킬 수 있었다. 또한 전력증폭기의 비선형 특성을 분석하고 디지털 사전왜곡 기법을 이용하여 이중 대역 증폭기의 송신기의 ACPR 특성을 최대 10dB 개선되었다.
OFDM 다중 반송파 시스템은 높은 PAPR 특성을 가지고 있으며, 일반적으로 널리 사용되는 TWTA와 같은 전력 증폭기는 진폭과 위상의 비선형 왜곡 특성을 가지고 있다. 이는 전력 증폭기의 증폭 효율을 떨어뜨릴 뿐만 아니라, 높은 에러율과 인접 채널간 간섭을 유발하는 가장 큰 원인이 된다. 본 논문에서는 이러한 문제를 개선하기 위해 위성 WiBro 시스템을 기반으로 피크 제거 기법과 능동 성상도 확장 기법 그리고 사전 왜곡 기법을 모두 적용하여 TWT 증폭기로 입력되는 WiBro 신호의 IBO를 비약적으로 감소시키는 시스템을 제안하였다.
OFDMA 하향링크 시스템에서 비선형 전력 증폭기와 반송파 주파수 편차의 영향을 고려하여 데이터가 주파수 선택적 Rayleigh 도플러 시변 페이딩 채널을 통하여 전송될 때 비트 오류율을 분석한다. 본 논문에서는 우수한 비트 오류율 특성을 위하여 사용자 수에 따라 요구되는 비선형 증폭기의 최대 출력 전력 대 평균 출력 전력 비(OBO)와 반송파 주파수 편차의 크기를 구하며, 도플러 페이딩의 정도에 따라 결정되는 비트 오류율 특성 열화를 분석한다.
OFDMA의 상향링크 시스템에서 비선형 전력 증폭기와 반송파 주파수 편차의 영향을 고려하여 데이터가 주파수 선택적 Rayleigh 도플러 시변 페이딩 채널을 통하여 전송될 때 비트 오류율을 분석한다. 본 논문에서는 우수한 비트 오류율 특성을 위하여 사용자 수에 따라 요구되는 비선형 증폭기의 최대 출력 전력 대 평균 출력 전력 비(OBO)와 반송파 주파수 편차의 크기를 구하며, 도플러 페이딩의 정도에 따라 결정되는 비트 오류율 특성 열화를 분석한다.
최근 밀리미터파 대역을 활용하는 이동통신시스템이 제안되고 있으며, 60 GHz 대역 전력증폭기로 인해 발생하는 비선형성을 효율적으로 보상하기 위한 방법의 중요성이 증가하고 있다. 본 논문에서는 전력증폭기의 비선형성이 상대적으로 작은 구간과 큰 구간으로 구분하여 계수를 사용하는 다중계수 사전왜곡기 구조를 제안하고, 이를 60 GHz 대역 고출력 전력증폭기 FMM5715X에 적용하여 LTE 신호의 선형성 보상 성능을 평가하였다. 하드웨어 테스트베드를 활용한 성능평가를 통해, 기존 방식 대비 제안 방식은 ACLR(Adjacent Channel Leakage Ratio) 측면에서 최대 6 dB 개선됨을 보인다.
본 논문에서는 CDMA 방식 중계기용 전력증폭기의 선형특성을 향상시키기 위해 기존의 전치왜곡 방식과 전방귀환 방식을 혼합한 전력증폭기를 설계 제작하였다. CDMA방식의 이동통신 시스템은 기존의 아날로그 셀룰라 방식과는 사용 스펙트럼 대역폭이 훨씬 크며 증폭기의 비선형성에 의한 채널사이의 혼변조 왜곡을 충분히 제거하여야만 통신이 가능하기에 선형성이 우수한 전력증특기가 필수적으로 요구된다. 본 논문에서 제작한 전력증폭기는 37dBm, 2-tone 인가시의 IMD 특성이 -50dBc로써 나타났으며, 불요방사 특성도 IS-95 기준을 만족하는 $fc{\pm}\;885kHz$에서 약 -46dBc, $fc{\pm}\;1.98MHz $ 에서는 약 -52dBc로 나타났다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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