Power amplifiers (PAs) are essential device to transmit signals in wireless communication systems. However, since the efficiency of PAs is very low, large portion of energy is consumed by PAs. But usually, increasing the efficiency also increases the nonlinearity of PAs. In modern communication systems, higher spectral efficiency is required and the linearity of the transmitters is also becoming more important issue.
Typically nonlinear characteristics of PAs cause two major problems. One is spectral regrowth at PA output that causes violation of spectral regulation of wireless standards. The other is degradation of receiver performance such as bit error rate (BER). To mitigate these effects, input power of PA are backed-off from its saturation and the PA is operated in linear region. Since current modulation techniques such as CDMA (code division multiple access) or OFDM (orthogonal frequency division multiplexing) tend to have high peak-to-average power ratio (PAPR), the back-off technique requires large back-off from the saturation and the efficiency of PAs is reduced dramatically.
To compensate the nonlinearity of PAs and increase the efficiency, many techniques have been proposed. Among them, digital predistortion (DPD) is recognized as the most cost effective technique for linearizing PAs. DPD techniques utilize a predistorter in the baseband domain, whose characteristics are the inverse of the PA, to compensate the nonlinearity of PAs. DPD has been widely used in base stations and relays, and these days, its application is being extended to the mobile stations. As the cost and the size are more important issue in mobile stations, new problems are being raised. Among them, we consider two issues. First, novel system structures are proposed to reduce the implementation cost of DPD, and then, extended DPD schemes are proposed to include additional impairments caused by low-cost/small-size implementation of mobile stations. More specifically, this dissertation describes the following results.
First, a novel DPD scheme for a MIMO transmitter is proposed, which employs an auxiliary transmitter and an envelope detector instead of a down-converter. Since the auxiliary transmitter can be borrowed for DPD training in MIMO transmitters and an envelope detector is very simple compared to the down-converter, the proposed DPD scheme can be implemented with very little cost compared to the conventional transmitters with DPD. The proposed scheme first identifies the power amplifier (PA) characteristics by minimizing the envelope of the difference of the auxiliary transmitter output and the PA output, and then DPD is designed using the PA model by indirect learning method. The simulation results show that the DPD can be successfully designed with simple feedback using envelope detector and can be extended to include memory effects.
In the second part, a DPD scheme is proposed for a SISO transmitter using digitally controlled analog predistorter employing a low-complexity envelope feedback structure. Proposed scheme compares the input of the analog predistorter and the PA output using an envelope detector and adaptively trains the look-up table (LUT) for controlling the analog predistorter. A LMS-like algorithm is proposed for training of the LUT based on the error magnitude and random phase selection.
In the third part, a DPD scheme is proposed for jointly compensating the nonlinearity of a power amplifier (PA) and the nonlinear effects caused by the coupling from the PA output to the local oscillator (LO) signal. The LO self-coupling effect causes nonlinear distortion not only in the transmit path but also in the feedback path used to train a DPD. To design a DPD, baseband equivalent models are derived for the transmit and the feedback path, and then its stability conditions are examined. Based on the baseband models, a feedback equalizer parameter is estimated using the linear region of the PA, and then a DPD is designed using the equalized feedback signal. The parameter estimation algorithms are derived based on the least squares (LS) approach.
Finally, a DPD technique is proposed for linearization of PAs in the presence of crosstalk over the paths in a multiple-input multiple-output (MIMO) transmitters. When the MIMO system is implemented in close proximity or integrated on a single chip, crosstalk or coupling effects among multiple transmission signals are not negligible and the conventional PDs does not work correctly. Previous works consider compensation of the nonlinearity of PAs when only input crosstalk (crosstalk before PAs) exists assuming that output crosstalk (crosstalk after PAs) are compensated at the receiver side. However, when the output crosstalk is remained without compensation, the previous DPD algorithms can not compensate the nonlinearity of PAs properly because feedback signals for PDs are corrupted. We propose a DPD method that compensate the nonlinearity of PAs when both the input and output crosstalk exist.
전력 증폭기는 무선 통신 단말에서 신호를 최종 전송하기 위한 필수 부품이다. 그러나 일반적으로 전력 증폭기의 효율은 매우 낮기 때문에 많은 전력이 전력 증폭기에서 열로 소모된다. 통상 효율이 높은 증폭기는 효율이 낮은 증폭기에 비해 그 입출력 특성이 심한 비선형 특성을 보이는데, 이러한 비선형 특성은 송신기에서 주요한 문제점으로 간주된다. 증폭기 비선형 특성에 의한 전송 신호의 왜곡은 전력 증폭기 출력에서 기본 (fundamental) 주파수 신호 주변으로 주파수 재성장 (spectral regrowth)을 발생시켜 인접 대역에 간섭을 줄 뿐만 아니라 전송 신호 자체의 간섭 (in-band distortion) 으로 인해 송신 신호 품질을 크게 저하시킨다. 이러한 비선형에 의한 왜곡을 최소화 하기 위하여 일반적으로 증폭기 입력 신호를 증폭기 포화 영역으로부터 백오프하여 선형 영역에서 동작시키는데, 최근 널리 사용되는 CDMA (code division multiple access) 혹은 OFDM (orthogonal frequency division multiplexing) 방식은 높은 PAPR (peak-to-average power ratio) 값을 가지기 때문에 많은 백오프가 요구되며 따라서 증폭기의 효율이 더욱 떨어지게 된다.
따라서 비선형 증폭기의 효율을 떨어뜨리지 않으면서 송신 신호 품질을 확보하기 위해 여러 선형화 기술이 개발되고 있는데, 그 중 디지털 전치왜곡 (digital predistortion) 기술은 증폭기 선형화 구현에 비용면에서 가장 효율적이고 성능도 좋은 것으로 알려져 있다. 디지털 전치왜곡 기술은 전력 증폭기의 비선형 특성을 기저대역 (baseband)에서 역함수 특성으로 보상하는 기술이다. 이러한 전치왜곡 기술은 주로 기지국이나 중계기 등에서 효과적으로 전력증폭기를 선형화 하는 데에 사용되어 왔으나 최근에는 단말에도 적용하려는 시도들이 이루어지면서 추가적인 문제점들이 제기되고 있다. 그 중 본 논문에서 다룰 문제점들은 크게 두 가지로 나눌 수 있는데, 그 중 한 가지는 디지털 전치왜곡 기법이 송신 성능을 개선하는 효율적인 방법이지만 단말에 적용하기 위한 구현 비용의 증가이며, 다른 한 가지는 단말기를 저렴한 비용으로 구현하는 과정에서 발생하는 추가적인 송신기 결함 현상이 디지털 전치왜곡 기술의 성능을 저하시키는 문제이다. 이러한 문제들에 촛점을 맞추어 본 논문에서는 다음과 같은 연구결과에 대해 기술하였다.
본 논문의 첫 부분에서는 전치왜곡 기법의 훈련을 위해 사용되는 피드백 경로의 구현 비용을 절감하기 위해, 기존의 복조기를 사용하는 피드백 경로와 달리 구현이 간단한 포락선 검출기 (envelope detector)를 사용하는 구조 및 기법을 제안했다. 특히 MIMO 송신기의 디지털 전치왜곡 기법을 위해, 임시적으로 다중 송신 경로 중 한 경로를 디지털 전치왜곡 기법 훈련을 위해 보조 송신 경로로 사용하여 양 경로의 신호 오차의 크기를 피드백 하는 구조가 제안되었으며, 제안된 구조에서 보조 송신 경로의 전치왜곡기가 전력 증폭기의 기저대역 모델을 추정하도록 하여, 이를 사용해 디지털 전치 왜곡기를 설계하였다. 다항식의 계수 추정에 기반한 방법 및 테이블 기반 추정 기법을 사용해 전치 왜곡기의 설계가 가능함을 보였으며 메모리 효과를 가지는 전력 증폭기에도 적용 가능함을 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 검증하였다.
또한 두번째로, SISO 송신기를 위해 디지털로 제어되는 아날로그 전치 왜곡기를 사용하는 경우에 피드백 경로의 구현 비용을 절감하기 위해 사용 가능한 포락선 검출기를 사용한 전치 왜곡기 설계 방법을 제안하였다. 제안된 방법은 아날로그 전치 왜곡기 이전의 신호와 전력 증폭기 출력 신호를 비교하며 아날로그 전치 왜곡기를 제어하는 룩업테이블을 조정하게 되며, 이를 위해 에러의 크기 정보와 임의의 위상을 사용하여 룩업테이블의 계수를 적응시키는 알고리즘을 제안하였다.
세번째로, 전력 증폭기가 송신기와 단일 칩으로 집적화 된 경우에 발생할 수 있는 LO 셀프 커플링에 의한 비선형 왜곡 현상을 모델링하고, 모델링된 비선형 왜곡 현상을 전력 증폭기의 비선형성과 동시에 선형화 할 수 있는 전치 왜곡기가 제안되었다. LO 셀프 커플링에 의한 비선형 왜곡은 송신기에 스위칭 방식의 믹서가 사용된 경우와 곱셈 방식의 믹서가 사용된 경우에 다르게 나타나게 되는데, 본 논문에서는 각 경우에 대한 비선형 모델을 유도하고 전치 왜곡기를 설계하였다. LO 셀프 커플링 현상은 피드백 경로에도 비선형 왜곡을 발생시키게 되는데 이를 위해 피드백 등화기와 전치 왜곡기의 두 단계를 사용해 전치 왜곡기를 설계하는 방안이 제안되었다.
마지막으로, 다중 송신기가 단일 칩으로 집적화 될 때 각 경로간의 신호 누설에 의한 크로스톡 현상에 의해 디지털 전치 왜곡기의 성능이 저하되는 현상을 해결하기 위한 방안을 제안하였다. 기존 기법은 전력증폭기의 입력단에 발생하는 크로스톡만 고려되었던 반면, 제안된 방법은 전력증폭기의 입력 및 출력 단에서 모두 크로스톡이 발생하는 경우에 효과적으로 출력 신호를 선형화 할 수 있도록 전력증폭기 선형화 블록과 크로스톡 제거 블록이 직렬연결된 형태로 설계되었다. 계수 추정을 위한 적응 알고리즘이 제안되었으며, 수렴성 및 선형화 성능을 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 검증하였다.
