무선 통신 시스템에서 신호의 송신 장치 및 방법 document_id A220623105528

일반적으로 통신 시스템은 유선 통신 시스템과 무선 통신 시스템으로 구분된다. 유선 통신 시스템은 유선 단말기와 시스템간 연결이 유선 라인으로 연결되므로 유선 단말기와 시스템간 연결되는 유선 라인으로 인한 이동 거리의 제약이 심하게 작용한다. 반면에 무선 통신 시스템은 무선 단말기와 시스템간 연결을 소정 주파수(RF : Radio Frequency)를 이용함으로써 비교적 시스템과 무선 단말기간 거리의 제약이 덜하게 된다. 한편, 유선 통신 시스템은 유선 단말기와 시스템간 주고받는 신호가 유선으로 제공되므로 비교적 고속의 데이터를 안정적으로 제공할 수 있다는 이점이 있다. 반면에 무선 통신 시스템에서는 무선 단말기와 시스템간 신호가 RF 신호를 이용하게 되므로 유선 시스템과 대비하여 비교적 저속의 데이터이며, 안정적인 전송에 문제가 있다. 이러한 무선 통신 시스템에서 보다 안정적으로 신호를 송신하기 위해서는 시스템의 무선 노드와 이동 단말기간 많은 기법이 사용되고 있으며, 그 중 하나로 무선 노드와 이동 단말기간 송신 전력을 제어함으로써 신호를 안정적으로 전송하도록 하고 있다. 그러면 이하에서 무선 통신 시스템의 무선 노드 및 이동 단말기에서 송신 전력을 제어하기 위한 구성 및 그 동작에 대하여 살펴보기로 한다. 이동 시스템의 송신 장치에는 스위칭 전력 증폭기가 사용된다. 이러한 스위칭 전력 증폭기는 여러 가지가 있는데, 이 중 고주파에서도 고 효율의 특성을 갖는 스위칭 전력 증폭기는 클래스(class)-E, 클래스-F 또는 클래스-D이다. 이러한 전력 증폭기의 클래스는 바이어스 조건과 최적화된 출력 매칭에 의해서 분류되며, 클래스의 알파벳이 나중 순서인 경우 보다 높은 출력을 가지는 증폭기가 된다. 그런데, 이러한 고 효율의 스위칭 전력 증폭기는 신호의 레벨이 일정하지 않은(non-constant) 포락선(envelope) 신호에 대해서는 선형성이 크게 떨어지는 단점이 있다. 따라서 신호 레벨이 일정하지 않은 신호를 송신하는 경우에는 이동 단말기에서 사용하기 어렵다. 스위칭 전력 증폭기를 이용한 일반적인 송신 장치는 극좌표를 이용하여 위상 신호를 스위칭 전력 증폭기에 입력하고, 포락선 신호를 스위칭 전력 증폭기의 바이어스 단자에 인가한다. 이러한 송신 장치는 미국 등록 특허 제 4,176,319 호, 미국 공개 특허 제 6,529,716 호, 미국 등록 특허 제 7,400,865 호에 개시되어 있다. 그리고 스위칭 전력 증폭기의 바이어스 단자에 아날로그 포락선 신호를 인가하는 방법과 포락선 신호를 임의의 디지털 신호로 변환시켜 인가하는 방법이 있다. 이러한 방법은 대한민국 특허 공개번호 제 10-2006-0038134 호에 개시되어 있다. 도 1 및 도 2는 포락선 신호를 송신하기 위한 송신 장치의 일반적인 구성을 예시한 도면이다. 도 1을 참조하면, 일반적인 송신 장치는 모뎀(modem)(101), 폴라 변환기(Polar Converter)(102), 아날로그 변환기(103), 위상 변환기(phase modulator)(104), 스위칭 전력 증폭기(105)로 구성된다. 모뎀(101)은 기저 대역 신호를 수신하여 I(t)와 Q(t) 신호를 출력한다. 폴라 변환기(102)는 I(t)와 Q(t) 신호를 수신하여 위상 신호와 포락선 신호를 출력한다. 아날로그 변환기(103)는 포락선 신호를 아날로그 신호로 변환한다. 위상 변환기(104)는 위상 신호를 RF(radio frequency) 주파수로 상향 변환한다. 아날로그 변환기(103)는 일반적으로 클래스-S 증폭기, 일반적인 클래스-AB 또는 오피-엠프(Op-amp)를 사용할 수 있다. 스위칭 전력 증폭기(105)는 상향 변환된 위상 신호를 증폭한 후 최종 송신 신호를 출력한다. 이러한 송신 장치는 포락선 신호를 스위칭 전력 증폭기(105)의 바이어스 단자에 인가하기 때문에 급격히 변하는 포락선 특성을 갖는 시스템, 예를 들어 OFDM(Orthogonal frequency division multiplexing) 시스템에서는 무릎 전압(Vknee) 보다 작은 포락선 신호는 표현할 수 없는 문제점이 있다. 왜냐하면, 스위칭 전력 증폭기(105)가 "엑티브(Active)" 되기 위한 VDD/VCC 가 무릎 전압(Vknee) 보다 큰 조건(VDD/VCC003e#Vknee)을 만족해야 하기 때문이다. 특히, OFDM 시스템에서 사용되는 포락선 신호의 특성을 살펴보면, 피크 대 평균 전력 비율(peak-to-average power ratios) 값이 9 ~ 10dB 정도로 크고, 피크 대 최소 전력 비율(peak-to-minimum power ratios) 값은 60dB 정도로 매우 크다. 따라서 포락선 신호의 최소값이 무릎 전압보다 낮으면, 최소값은 무릎 전압의 제한에 걸려 표현되지 못한다. 그 결과, 입력 신호의 AM-AM(amplitude) 왜곡이 발생하는 문제가 생길 수 있다. 결국, 도 1에 도시된 일반적인 송신 장치는 포락선 신호의 변화가 급격하지 않은 시스템에서만 적용될 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 미국 공개 특허 제 6,529,716 호에서는 다수의 스위칭 전력 증폭기를 두어 전력 레벨에 따라 동작하는 증폭기를 선택하는 방법을 제시하고 있다. 하지만, 이러한 미국 공개 특허에서 제시된 방법은 전력 레벨에 따라 스위칭 전력 증폭기의 스위칭시에 발생하는 위상 불연속성을 제거 하지 못하는 문제점이 있다. 도 2에 도시된 송신 장치를 도 1에 도시된 송신 장치와 비교하여 보면, 입력 신호를 폴라 변환기(202)에서 폴라 변환하여 위상 신호를 상향 변환시키는 점은 동일하다. 하지만, 포락선 신호를 디지털 신호로 변환하는 디지털 변환기(203)를 사용한다는 점에서 차이가 있다. 디지털 변환기(203)를 사용함으로 인하여 포락선 신호는 일정한 비트 시퀀스를 갖는 펄스 형태로 출력된다. 여기서, 디지털 변환기(203)는 델타-시그마 변조기(delta-sigma modulator)로 구현된다. 디지털 변환기(203)에서 출력되는 일정한 펄스 형태의 포락선 신호는 위상 신호와 결합되어 스위칭 전력 증폭기(205)에서 출력된다. 이러한 디지털 변환기(203)를 이용하는 송신 장치는 포락선 신호의 비트 시퀀스 변환으로 인한 양자화 잡음이 반드시 발생기 때문에, 이를 제거하기 위해서 스위칭 전력 증폭기(205)의 출력에 대역 통과 필터(207)가 구비되어야 한다. 이러한 델타-시그마 변조기를 이용한 송신 장치는 포락선 신호의 오버-샘플링(over-sampling)과 델타-시그마 변조기의 차수에 따라 양자화 잡음의 노이즈 쉐이핑(noise shaping) 형태가 결정된다. 2차의 델타-시그마 변조기를 이용하는 경우에는 시스템의 안정도를 위해서 오버 샘플링 비율을 16 ~ 32 정도로 해야 한다. 오버 샘플링 비율이란, 인-밴드(in-band)와 아웃-밴드(out-band)의 노이즈 양을 필터에 의해 필터링 시킬 수 있는 비율을 말한다. 차세대 이동 통신 시스템은 고속 데이터 전송을 위하여 채널 밴드 폭이 20MHz부터 80MHz까지의 광대역 밴드 폭 특성을 지닌다. 따라서 포락선 신호의 오버 샘플링 비율을 16으로 하면 델타-시그마 변조기는 1.28GHz(=80MHz×16)로 고속 샘플링이 되기 때문에, 하드웨어적으로 구현이 어렵고, 고속 디지털 회로로 인하여 전력 소모도 증가하는 문제점이 있다. 이와 같이, 도 1 및 도 2에 도시된 일반적인 송신 장치는 공통적으로 전력 제어 범위의 제한이라는 문제점을 가지고 있다. 도 3은 일반적인 스위칭 전력 증폭기에 사용되는 트랜지스터의 바이어스 포인트를 도시한 그래프이다. 일반적인 스위칭 전력 증폭기의 전력 제어 범위(=동작 범위)는 Vknee~Vmax 이다. 따라서 스위칭 전력 증폭기의 트랜지스터가 "액티브(active)" 영역에서 동작하기 위해서는 VDS/VCE가 무릎 전압(Vknee)보다 커야 한다. 이동 통신 단말기 시스템에 있어서, Vmax는 주로 3.3V ~ 3.4V 정도이고, 스위칭 전력 증폭기 사용되는 바이폴라 트랜지스터 및 CMOS 트랜지스터의 경우 무릎 전압은 0.3 ~ 0.4V 정도이다. 따라서 도 1 및 도 2에 도시된 송신 장치는 VDD/VCC를 변화시켜 포락선 신호를 표현하기 때문에 작은 포락선 신호(낮은 출력 레벨)를 표현할 때는 동작 범위의 제한을 받을 수 있다. 이동 통신 시스템에서 스위칭 전력 증폭기의 동작 범위는 아래의 수학식 1과 같이 표현될 수 있다. 003c#수학식 1003e#에서 보여주는 바와 같이, 이동 통신 시스템에서 스위칭 전력 증폭기의 동작 범위는 18dB이다. 반면에, 일반적인 이동 통신 단말기의 동작 범위는 40~60dB인 바, 이러한 동작 범위의 차이를 해결하는 구조가 요구되었다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 아웃-페이징(out-phasing) 기법과 EER(Envelope Elimination and Restoration) 기법이 결합된 방식(대한민국 특허 공개번호 제 10-2008-0063010 호)이 제시되었다. 이러한 방식은 아웃-페이징 기법과 EER 기법의 단점을 상호 보완하는 방법이다. 이러한 방법은 입력 신호에 대해서 어떠한 일정한 임계값 이상의 신호가 입력되는 경우에는 EER 방식으로 송신 장치가 동작하고 임계값보다 작은 경우에는 아웃-페이징 기법으로 송신 장치가 동작한다. 다만, 이러한 방식은 포락선 신호의 크기 변화율이 그리 크지 않은 CDMA 계열의 시스템에서는 효과가 크지만, OFDM과 같이 포락선 신호의 크기 변화율이 매우 큰 경우에는 시스템의 효율이 저하되는 문제점이 있다. 왜냐하면, 크기 변화율이 큰 OFDM과 같은 시스템의 경우 거의 대부분의 데이터는 아웃-페이징 기법으로 송신되기 때문이다.