통신 시스템에서 신호 전력 증폭 장치 및 방법 document_id A220623068982

통신 시스템은 신호 송신 시 송신기 내부에 송신 신호를 증폭하여 송신하기 위한 전력 증폭기(power amplifier)를 구비하고 있으며, 상기 송신기는 송신 신호를 상기 전력 증폭기를 통해 전력 증폭하여 송신한다. 현재 통신 시스템은 점차 진화하고 있으며, 이와 같은 통신 시스템의 진화로 인해 상기 송신기는 점차 광대역 신호의 사용이 요구된다. 또한, 상기 통신 시스템은 신호 송신에 따른 송신 신호의 높은 피크 대 평균비(PAR: Peak to Average Ratio)를 요구한다. 그러므로 상기 송신기에 구비된 전력 증폭기는 더 높은 선형성과 더 높은 효율성이 요구된다. 상기 전력 증폭기에 사용되는 전력 증폭 방식으로 도허티(Doherty) 방식, 포락선 제거 및 복구(Envelope Elimination and Restoration, 이하 'EER'이라 칭하기로 한다) 방식, 델타 시그마 변조(Delta-Sigma Modulation, 이하 'DSM'이라 칭하기로 한다) 방식, 비선형 컴포넌트 사용 선형 증폭(LInear amplification using Nonlinear Component, 이하 'LINC'라 칭하기로 한다) 방식이 있다. 상기 전력 증폭 방식들 중에서 도허티 방식과 EER 방식은 효율적 측면에서 우수하며, 상기 DSM 방식과 상기 LINC 방식은 선형성 측면에서 우수하다. 그리고 상기 전력 증폭 방식들 중에서 상기 EER 방식은 I(동위상), Q(구적) 성분으로 표시되는 직각(IQ) 신호(상기 I 성분과 Q 성분이 90도의 위상차를 갖는 신호)를 사용하지 않고 극성(polar) 성분의 신호를 사용한다. 상기 EER 방식은 포락선(envelope) 정보가 제거(envelope elimination)되어 일정한 포락선(constant envelope)을 갖는 신호의 위상(phase) 성분을 전력 증폭기의 입력으로 사용한다. 그리고 상기 EER 방식은 상기 포락선의 복원(envelope restoration)을 위해 스위치 모드(switch mode) 또는 집중 전력 증폭기(saturation power amplifier)의 직류 바이어스(DC bias: Direct Current bias)를 변조한다. 다음으로 상기 EER 방식을 하기의 도 1을 참조하여 설명하기로 한다. 도 1은 일반적인 통신 시스템에서 EER 방식을 사용한 송신기의 구조를 도시한 도면이다. 도 1을 참조하면, 상기 송신기는 기저대역 신호 생성기(baseband signal generator)(111), 직각/극성 변환기(Rectangular to Polar Converter)(113), 바이어스 변조기(bias modulator)(115), 위상 변조기(phase modulator)(119), 전력 증폭기(power amplifier)(119)를 포함한다. 상기 기저대역 신호 생성기(111)는 음성(voice signal) 신호 또는 데이터를 사용하여 기저대역의 직각(IQ) 신호를 생성한다. 상기 직각/극성 변환기(113)는 상기 직각 신호를 진폭(amplitude) 성분과 위상(phase) 성분으로 구분되는 극성 신호로 변환한다. 상기 바이어스 변조기(115)는 전력 증폭기에 전원, 즉 전압 또는 전류를 공급하며, 상기 진폭 성분의 신호에 해당하는 전압 또는 전류 성분을 상기 전력 증폭기(119)에 공급한다. 상기 위상 변조기(117)는 상기 위상 성분의 신호를 원하는 주파수 대역의 무선(RF: Radio Frequency) 신호로 생성하기 위해 위상 변조를 한다. 상기 전력 증폭기(119)는 상기 위상 변조기(117)에서 위상 변조된 신호를 수신하여 송신 신호의 전력을 증폭하고, 상기 바이어스 변조기(115)에서 생성된 크기 성분에 의한 바이어스 전압의 변화로 크기 성분을 결합하여 원신호가 복원되도록 한다. 여기서 상기 전력 증폭기(119)의 입력은 일정한 포락선을 가지며, 스위치 모드 또는 집중 전력 증폭기를 사용하더라도 입력 신호에 대한 왜곡이 없으므로 상기 전력 증폭기(119)는 높은 효율 특성을 갖게 된다. 다음으로 하기의 도 2a 내지 도 2c를 참조하여 상기 EER 방식을 사용한 송신기 내부의 신호를 설명하기로 한다. 도 2a 내지 도 2c는 일반적인 통신 시스템에서 EER 방식을 사용한 송신기 내부의 신호를 도시한 그래프이다. 도 2a 내지 도 2c를 설명하기에 앞서, 본 발명에서 사용되는 기저대역 신호는 저주파수 대역의 정현파(sine wave)를 사용한다고 가정한다. 각 그래프에서 가로축은 시간을 나타내고, 세로축은 신호의 크기를 나타낸다. 일예로, 도 2a를 참조하면, 진폭 '1'과 주기 '1'을 갖는 정현파 신호이다. 도 2a를 참조하면, 송신기 내부의 기저대역 신호 생성기의 출력 신호(a)와 상기 송신기 내부의 직각/극성 변환기에서 'a' 신호를 극성 변환한 진폭 성분에 해당하는 출력 신호(b)가 나타나있다. 상기 'a' 신호는 저주파 정현파 신호이고, 'b' 신호는 직각/극성 변환기에서 출력되는 신호의 진폭 신호로서 포락선 신호이다. 도 2b를 참조하면, 송신기 내부의 직각/극성 변환기에서 상기 'a' 신호를 극성 변환한 위상 성분에 해당하는 출력 신호(c)와 송신기 내부의 위상 변환기에서 상기 'c' 신호를 위상 변조한 신호(d)가 나타나있다. 상기 'c' 신호를 도시한 그래프의 세로축은 위상을 나타낸다. 상기 'd' 신호는 위상 신호가 저주파 정현파의 기저대역 신호에 비해 약 10배 빠른 주파수의 반송파 신호로 변조된 것이다. 도 2c를 참조하면, 송신기 내부의 전력 증폭기의 비정상적인 출력 신호(e)와 상기 전력 증폭기의 정상적인 출력 신호(f)가 도시되어 있다. 상기 'e' 신호는 대역 제한으로 인해 왜곡된 신호이고, 상기 'f' 신호는 전력 증폭기에서 정상적으로 출력되어야 하는 신호이다. 상기 EER 방식을 사용한 송신기는 직각 신호를 극성 형태의 신호로 변환하여 사용하므로 진폭 성분과 위상 성분이 원 신호에 비하여 고주파수 성분을 많이 가지게 되므로 바이어스 변조기는 일예로, 기저대역 신호 대비 2배 내지 5배의 동작 대역폭을 가져야 하며, 상기 전력 증폭기는 일예로, 기저대역 신호 대비 5배 내지 20배의 동작 대역폭을 가져야 한다. 그러므로 상기 EER 방식을 사용한 송신기는 상기 송신기 내부의 각 하드웨어 모듈의 동작 대역폭이 증가하게 된다는 문제점이 있었다. 또한, 상기 EER 방식을 사용한 송신기는 상기한 동작 대역폭의 증가에 따라 디지털/아날로그 변환기(Digital to Analog Converter, 이하 'DAC'라 칭하기로 한다)의 구현에 발생하는 제약과 스위칭 소자의 스위칭 주파수 한계 및 손실 등에 따른 바이어스 변환기 구현에 발생하는 제약으로 인해 송신 신호 전력 증폭에 따른 비선형성이 증가되는 문제점이 있었다.