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Smart Radio System Lab.

기지국용 GaN 전력증폭기를 위한디지털 전치왜곡 선형화기 개발

전상현, 최규진, 김진호, 김종헌< 광운대학교 >

2010. 6. 17


• Introduction

• 디지털 전치왜곡 선형화 원리

• Connected Solution

• 디지털 전치왜곡 선형화 테스트

• 디지털 전치왜곡 선형화 테스트 결과

• Conclusion

Contents


Introduction

• 차세대 이동통신을 위한 전력 증폭기의 요구사항

- 높은 전송품질 요구 (고 선형성)

- 낮은 전력소모로 인한 경제적인 이점 요구 (고 효율성)

- 재설정이 가능한 Hardware Platform 시스템에서의 Digital Control 요구

(시스템 신뢰성 개선, 유지보수에 유리)

요구사항 해 결 방 법

고 선형성

(전송품질 개선)

선형화 기법 사용(Feed Back, Feed Forward, Pre-Distortion.. etc))

고 효율성

(전력소모 감소)

고효율 전력증폭기 구조(Doherty, EER, Envelope Tracking.. etc)


Analog PD Feed back Feed forward Digital PD

Bandwidth very wide Narrow wide moderate

Linearity good good very good very good

Complexity medium medium high high

Power Efficiency High high low high

• 디지털 전치왜곡기의 장점 (Digital PD)

- 현재 가장 널리 쓰이고 있는 Feed forward 방식에 비해 전력효율이 우수함

- 단일 전력증폭기에 최적화 된 Feed forward 방식과 달리, 간단한 시스템 재설정만으로도 제품의

update 및 다른 전력증폭기에 적용가능(유지,보수 및 범용성의 장점)

- Hardware Platform에서 Digital control을 요구하는 차세대 선형전력증폭기에 가장 적합한

형태의 선형화 기술

Introduction

• 선형화 기법의 특성 비교


디지털 전치왜곡 선형화 원리

• 전력증폭기의 비선형성 보상

- 전력증폭기는 비선형 소자의 고유특성으로 인해 크기 및 위상의 왜곡 성분으로 인한

비선형 특성을 가짐 (입력의 증가에 따라 출력이 압축되는 특성)

- 전력증폭기의 비선형 특성은 출력 스펙트럼의 효율 저하를 가져옴

- 전치왜곡 선형화 방식은 전력증폭기의 비선형 특성을 보상하기 위해 입력 신호를 임의로 왜곡시켜

출력단의 비선형 특성을 상쇄하는 기법

- 입력의 증가에 따라 출력을 확장시킴으로써 전력증폭기의 선형성을 개선하는 원리

- 디지털 전치왜곡 선형화기는 기저대역에서 디지털 신호 처리를 이용하여 전치왜곡 선형화 방식을

구현함


디지털 전치왜곡 선형화 원리

• 적응형 알고리즘을 이용한 전치왜곡 선형화기

- 전력증폭기의 동작특성을 Polynomial 방식을 이용하여 모델링 함

- 목적 신호(입력신호)와 출력 신호를 비교하여 오차를 산출

- 전치왜곡 계수 W(n)이 최소화 된 오차 지점까지 갱신 되면서 최적화된 선형성 개선 효과를 얻음

- 실시간을 갱신되는 전치왜곡 계수를 이용하여 환경변화 및 소자 특성에 능동적으로 대처

디지털 전치왜곡 선형화 시스템의 동작원리


Connected Solution

• 기존의 디지털 전치왜곡 선형화 시스템의 측정 방법

- 신호 생성부 필요

- 디지털 컨트롤 장치부 필요

- 디지털 / 아날로그 변환장치 필요

- Up/Down Converter 필요

• Connected Solution을 이용한 디지털 전치왜곡 선형화 시스템의 측정 방법

- 제어용 PC 이용

ADS : 신호 생성 및 생성신호 입력, 디지털 전치왜곡 선형화 시스템 구현

MATLAB : 전치왜곡 계수 생성

I/O Libraries Suite : 계측장비와 제어용 PC 연동

- PSG 8267D : 신호발생기, D/A변화기, Up Converter

- PSA E4440A, VSA: Down Converter, A/D변환기


Connected Solution

Connected Solution을 이용한 디지털 전치왜곡 선형화 시스템의 구성도


Connected Solution(각 부의 역할)

1. 신호발생기

• WiBro 1FA Signal 생성 및 PSG 연동

- ADS의 WiBro Downlink Block을 이용하여 신호원 생성

- PSG와의 연동을 위해 ADS의 ESG Sink Block을 이용

- 기저대역 I/Q 신호 입력 -> D/A Conversion -> Up-Conversion -> RF 테스트 신호 발생

DAC DUTI(t)

Q(t)

PC(ADS) PSG8267D

LO


Connected Solution (각 부의 역할)

2. 스펙트럼 분석기

• 전력 증폭기의 출력 신호 분석

- 전력증폭기의 출력신호를 받아 기저대역 신호로 Down Conversion

- 제어용 PC에서의 data 처리를 위해 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환

- WiBro 1FA 신호의 대역폭 8.75MHz와 선형화를 위한 3차 IMD 성분 고려

: 신호원 대역폭의 3배인 30MHz 이상의 대역폭 요구

- 전력증폭기의 출력신호 -> 기저대역 신호 변환 -> A/D Conversion -> 제어용 PC로 입력


Connected Solution (각 부의 역할)

3. 소프트웨어• ADS (Advanced Design System)

- 전력 증폭기의 입력신호 생성

- 생성된 입력 신호를 기저대역의 IQ 신호로 신호 발생기에 연동

- VSA Sink Block을 이용하여 스펙트럼 분석기에서 측정된 전력증폭기의 출력신호 Data를 제어용 PC(ADS)와 연동

- 디지털 전치왜곡 시스템 구현

- 전치왜곡 계수 생성을 위해 MATLAB과 연동

• MATLAB

- 전치왜곡 계수를 연산 및 저장

• VSA (Vector Signal Analyzer)

- 스펙트럼 분석기로 부터 출력 신호를 받아 ADS와

연동하기 위해 Data File로 저장

• I/O Libraries Suite

- 계측장비와 제어용 PC의 연결

IO Libraries Suite


디지털 전치왜곡 선형화 테스트

테스트방법• 테스트방법

1. Run PSG Simulation (Initialization)

: 제어용 PC의 ADS에서 생성된 입력신호원이 신호발생기를 통해 입력신호로 인가됨

2. Run VSA Simulation

: 전력증폭기의 출력신호를 제어용 PC와 연동, 입/출력 신호의 동기화

3. Generate Memory Polynomial Coefficients

: 전력증폭기의 입출력 신호를 이용하여 전치왜곡 계수 생성

4. Run PSG Simulation (with Pre-distortion)

: 전치왜곡 된 신호를 전력 증폭기에 인가

실험과정 순서도



1. Run PSG Simulation (Initialization)

• Run PSG Simulation (Initialization)

- 전력증폭기의 테스트 입력 신호를 생성 후 신호발생기로 신호원을 입력하는 과정

- ADS의 WiBro Signal Source Block 과 PSG 연동을 위한 ESG Sink Block 이용

- 신호원과 PSG 사이에 입력신호의 크기를 조절 할 수 있는 Scale Factor 삽입

- PSG 연동을 위해 테스트 입력 신호는 I/Q 신호로 변환하여 처리함

Run PSG Simulation (Initialization)

입력신호의 Spectrum과 CCDF



2. Run VSA Simulation

• Run VSA Simulation

- PSA에서 Capture한 전력증폭기의

출력 신호를 VSA를 통해 PC에서 처

리 가능한 Data를 만드는 과정

- 상기 과정을 통하여 생성된 입/출력

데이터 열의 지연시간을 평가, 동기화

- 정확한 지연시간 평가를 위해 초기 입

력 데이터열의 샘플을 증가

- Cross-correlation을 이용하여 지

연시간을 계산 하여 보상한 후 원래의

데이터 샘플 개수로 변환

Run VSA Simulation

동기화된 입/출력 데이터



3. Generate Memory Polynomial Coefficients

• Generate Memory Polynomial Coefficients

- ADS 상에서 동기화된 입/출력 데이터 열은 ADS to MATLAB sink를 통하여 MATLAB 프로그램데이터 열로 변환 및 저장

- MATLAB에서 동기화된 입/출력 데이터 열을 이용하여 전력증폭기를 모델링

- 전력증폭기의 선형성 개선을 위해 Memory Effect를 고려한 전치왜곡 선형화 알고리즘에 적용 하여전치왜곡 계수를 산출하고 저장함

Run VSA Simulation



4. Run PSG Simulation (with Pre-distortion)

• Run PSG Simulation

- Generate Memory Polynomial 에서 생성된 전치왜곡 계수를 이용하여 전치왜곡 된 입력신호 생성

- 생성된 전치왜곡 입력 신호는 ADS를 이용하여 신호 발생기로 인가

- 전치왜곡 된 신호를 비선형 전력 증폭기로 인가하여 선형화 된 출력신호를 확인

Run PSG Simulation


디지털 전치왜곡 선형화 테스트 결과GaN 전력증폭기 실험

• GaN 전력 소자를 이용한 도허티 구조의 증폭기

- Fc : 2.345GHz

- 최대출력 51.5dBm

- 평균출력 42 dBm (9.5dB Back-off)

도허티 구조의 증폭기


디지털 전치왜곡 선형화 테스트 결과

GaN 전력증폭기 실험

GaN 전력 증폭기의 출력 신호 전치왜곡 선형화기를 이용한 출력 신호(P:7, M:3)

결 과 선형화 전 (dBr) 선형화 후 (dBr) 선형성 개선량 (dBr)

좌측파대 (@ -4.77 MHz) -35.47 -46.57 11.1

우측파대 (@ +4.77 MHz) -36.53 -49.9 13.37


Conclusion

• Connected Solution을 이용한 TestBed 구축

- 복잡한 디지털 전치왜곡 선형화 테스트 환경을 Connected Solution을 이용하여

간단하게 구현할 수 있으며, 빠른 시간내에 효율적인 테스트 가능

- MATLAB과 ADS의 연동을 통해 빠르게 문제점을 해결할 수 있으며, 다양한 신호와 다양한 방식

의 디지털 전치왜곡 선형화 테스트가 가능함

• 디지털 전치왜곡 선형화 시스템

- MATLAB을 이용하여 WiBro 기지국용 GaN 전력증폭기를 위한 Memory Polynomial 방식의

디지털 전치왜곡 선형화 알고리즘을 구현

- ADS(Ptolemy)와 Connected Solution TestBed를 이용하여 디지털 전치왜곡 선형화 시스템

을 구현

- WiBro 기지국용 GaN 전력증폭기 테스트 결과 디지털 전치왜곡 선형화기를 적용 후 약 12dB 의

선형성 개선 결과 확인


Reference

[1] Agilent Application Note 5989-8309EN

[2] Agilent Application Note 5988-6044EN

[3] Agilent Datasheet 5988-0697EN

[4] Agilent Configuration Guide 5989-1326EN

[5] Agilent Datasheet 5980-1284E

[6] Agilent Configuration Guide 5989-2773EN

[7] Agilent Technical Overview 5989-1679EN

[8] TTAS.KO-06.0098, “2.3GHz 휴대인터넷 무선 성능 적합성 시험규격 (Radio

Conformance Test Specification for 2.3GHz band Portable Internet

Service),” Dec.2005

[9] J. Vuolevi, T. Rahkonen, J. Manninen, "Measurement technique for

characterizing memory effects in RF power amplifiers," IEEE Trans.

Microwave Theory and Tech, vol. MTT-49, no. 8, pp. 1383-1389, Aug. 2001.

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