KR20030038062A

KR20030038062A - A spectrum analyzer and a gui installed in a power amplifier for imd monitoring and controlling

Info

Publication number: KR20030038062A
Application number: KR1020010069475A
Authority: KR
Inventors: 안창엽; 신건일
Original assignee: 주식회사 씨원테크놀로지
Priority date: 2001-11-08
Filing date: 2001-11-08
Publication date: 2003-05-16
Also published as: KR100438844B1

Abstract

본 발명에 의한 선형전력증폭기는, 증폭기 고유의 비선형성에 의하여 나타나는 혼변조 왜곡성분(IMD) 특성을 감시하고 제어하기 위하여 증폭기 내부에 스펙트럼 분석기를 내장하고 컴퓨터 화면을 통하여 사용자에게 혼변조 왜곡성분의 양을 보여준다. 이 전력증폭기는 출력신호를 검출할 수 있는 커플러, 주파수 혼합기, 주파수 합성기, 대역통과필터와 DSP부로 구성되며, IMD를 최소화 할 수 있는 알고리즘을 사용하여 혼변조 왜곡성분의 양이 최소한으로 발생되도록 감쇠기와 위상변환기를 DSP를 사용하여 제어할 수 있다. 또한 사용자가 필요에 따라 컴퓨터를 연결하여 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)를 통하여 출력되는 신호를 시각적으로 볼 수 있다.The linear power amplifier according to the present invention incorporates a spectrum analyzer inside the amplifier and monitors the amount of intermodulation distortion component to the user through a computer screen to monitor and control the characteristics of the intermodulation distortion component (IMD) exhibited by the nonlinearity of the amplifier. Shows. This power amplifier is composed of coupler, frequency mixer, frequency synthesizer, bandpass filter and DSP unit which can detect the output signal, and attenuator to minimize the amount of intermodulation distortion components by using the algorithm to minimize IMD. And the phase shifter can be controlled using DSP. In addition, the user can visually view the signal output through the graphical user interface (GUI) by connecting a computer as needed.

Description

SPECTRUM ANALYZER AND A GUI INSTALLED IN A POWER AMPLIFIER FOR IMD MONITORING AND CONTROLLING

본 발명은 무선통신 시스템을 위한 선형화 전력증폭기에 관한 것으로 피드포워드(Feed-Forward)방식, 프리디스토션(Pre-Distortion)방식, 백오프(Back-Off)에적용이 되는 방식으로 선형증폭기의 최종 출력을 감시하여 전력증폭기의 고유한 성질에 의하여 발생하는 혼변조 신호를 감지하여 이 왜곡 신호가 최소로 발생하게 여러 알고리즘을 적용할 수 있다. 또한 전력증폭기를 통신포트로 컴퓨터와 연결할 경우 고안된 GUI를 통하여 IMD 성분을 감시할 수 있다.The present invention relates to a linearized power amplifier for a wireless communication system, the final output of the linear amplifier in a way that is applied to the feed-forward (Pre-Distortion) method, the back-off (Back-Off) It can detect the intermodulation signal generated by the unique characteristics of the power amplifier by monitoring the power supply, and apply various algorithms to minimize the distortion signal. In addition, the IMD component can be monitored through the GUI designed when the power amplifier is connected to the computer through the communication port.

전력증폭기의 구조적인 문제인 혼변조를 최소화하기 위하여 피드포워드(Feed-Forward), 프리디스토션(Pre-Distortion)등과 같은 여러가지 선형화 방식을 사용한다. 이러한 방식을 구성하는데 있어 발생되는 IMD를 정량적으로 측정하고 보여줌으로써 DSP를 사용함에 있어 더욱 쉽고 간단하게 구성할 수 있으며, 사용자 관점에서는 시각적으로 IMD의 양과 채널사용 상태를 확인 할 수 있기 때문에 매우 편리하다.In order to minimize intermodulation, which is a structural problem of the power amplifier, various linearization methods such as feed-forward and pre-distortion are used. By quantitatively measuring and showing the IMD generated in this way, it is easier and simpler to configure the DSP, and it is very convenient because the user can visually check the amount of IMD and the channel usage status from the user's point of view. .

도 1 은 본 발명에 의한 스펙트럼 분석기의 구성도이다.1 is a block diagram of a spectrum analyzer according to the present invention.

도 2 는 본 발명에 의한 스펙트럼 분석기를 통해 프리 디스토션(Pre-distortion) 방식의 전력증폭기의 비선형 특성을 제어하는 경우의 스펙트럼 분석기 구성도이다.FIG. 2 is a configuration diagram of a spectrum analyzer in the case of controlling the nonlinear characteristics of a power amplifier of a pre-distortion type through a spectrum analyzer according to the present invention.

도 3 은 본 발명에 의한 스펙트럼 분석기를 통해 피드 포워드(Feed-forward) 방식의 전력증폭기의 비선형 특성을 제어하는 경우의 스펙트럼 분석기 구성도이다.3 is a configuration diagram of a spectrum analyzer in the case of controlling the nonlinear characteristics of a power amplifier of a feed-forward type through a spectrum analyzer according to the present invention.

도 4 는 일반적인 피드 포워드 방식의 증폭기 구조도이다.4 is a schematic diagram of a general feed forward amplifier.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 창안된 본 발명에 따른 IMD 특성 제어와 감시를 위한 전력증폭기 내부에 내장된 스펙트럼 분석기는 출력 전력의 일부를 추출하는 커플러와 중간 주파수를 추출하기 위한 믹서, 주파수 스윕(Sweep)을 하는 주파수 합성기, 특정 주파수를 샘플링하는 협대역 대역통과 필터와 추출된 신호를 직류레벨로 검파해주는 부분으로 구성된다. 그리고 이것을 처리하고 전시해주기 위한 DSP부가 있어 주파수 sweep을 하며 이 때 발생하는 특정 주파수에 대한 진폭값을 AD변환기로 받아 들인다. 또한 이 값들을 메모리에 기억을 해 두어 다음의 값과 비교하여 발생하는 IMD가 최소가 되도록 IMD 제어부를 제어하며 컴퓨터와의 통신 포트를 통하여 이 값들을 전송하며 컴퓨터는 전송된 신호를 GUI를 통하여 채널 상태와 IMD 발생상태를 사용자에 제공한다.In order to achieve the above object, a spectrum analyzer built in the power amplifier for IMD characteristic control and monitoring according to the present invention has a coupler for extracting a part of the output power, a mixer for extracting an intermediate frequency, a frequency sweep ( It consists of a frequency synthesizer that performs a sweep, a narrowband bandpass filter that samples a specific frequency, and a part that detects the extracted signal at the DC level. And there is DSP part to process and display this. It performs frequency sweep and accepts amplitude value for specific frequency generated by AD converter. In addition, these values are stored in the memory and the IMD controller is controlled to minimize the IMD generated by comparing with the following values.These values are transmitted through the communication port with the computer, and the computer transmits the transmitted signals through the GUI. Provide status and IMD generation status to the user.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명에 의한 주파수 분석기의 회로 구성도이다.1 is a circuit configuration diagram of a frequency analyzer according to the present invention.

즉, 전력증폭기(101)의 비선형 특성으로부터 발생되는 혼변조 왜곡성분(IMD)을 감시하고 제어하기 위한 스펙트럼 분석기는That is, the spectrum analyzer for monitoring and controlling the intermodulation distortion component (IMD) generated from the nonlinear characteristics of the power amplifier 101

전력증폭기(101)로부터 출력되는 전력중 일부를 추출하기 위한 커플러(102)와, 상기 커플러(102)로부터 추출된 전력신호를 감쇄하기 위한 감쇄기(106)와, 기본 교류전압 파형을 생성하여 출력하는 교류전압 발생기(107)와, 상기 교류전압 발생기(107)로부터 출력되는 기본 교류전압 파형과 상기 감쇄기(106)를 통해 감쇄된 추출 전압 파형을 믹싱(Mixing)하여 중간주파수를 추출하기 위한 믹서(108)와, 상기 믹서(108)를 통해 출력되는 신호로부터 원하는 특정 주파수를 샘플링하기 위한 협대역 대역통과 필터(109)와, 상기 협대역 대역통과 필터(109)를 통해 샘플링된 특정 주파수에 대한 진폭값을 직류 레벨로 검파하기 위한 검파기(110)와, 상기 검파기(110)를 통해 출력되는 진폭값 신호를 직류신호로 변환하기 위한 교류-직류 변환기(A/D Converter, 111)와,Coupler 102 for extracting a part of the power output from the power amplifier 101, attenuator 106 for attenuating the power signal extracted from the coupler 102, and generates and outputs a basic AC voltage waveform Mixer 108 for mixing the AC voltage generator 107, the basic AC voltage waveform output from the AC voltage generator 107, and the extracted voltage waveform attenuated through the attenuator 106 to extract an intermediate frequency. A narrowband bandpass filter 109 for sampling a desired specific frequency from the signal output through the mixer 108, and an amplitude value for the specific frequency sampled through the narrowband bandpass filter 109 A detector 110 for detecting the signal at a DC level, an AC-DC converter 111 for converting an amplitude value signal output through the detector 110 into a DC signal,

상기 교류-직류 변환기(111)를 통해 출력된 진폭값을 입력받아 저장수단에 저장하고, 새로 입력된 진폭값을 기 저장된 진폭값과 비교함으로서 IMD가 최소가되도록 IMD 제어부를 제어함과 동시에, 상기 교류전압 발생기(107)에 신호를 제공하여 교류전압 발생기(107)로 하여금 기본 교류전압 파형을 출력토록 하는 디지탈 시그널 프로세서(DSP, 105)와, 상기 디지탈 시그널 프로세서(105)에 의해 IMD가 최소가 되도록 제어되며 제어된 신호값을 상기 전력 증폭기(101)로 출력하는 IMD 제어부(103)와, 채널특성 및 IMD 발생상태를 포함한 검출된 대역내 주파수 특성을 상기 디지탈 시그널 프로세서(105)로부터 외부 컴퓨터(104)의 통신포트로 케이블을 통해 전송하여 컴퓨터 단말기를 통해 시각적으로 나타내주기 위한 통신포트를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로한다.Receives the amplitude value output through the AC-DC converter 111 and stores it in the storage means, and compares the newly input amplitude value with the previously stored amplitude value to control the IMD control unit to minimize the IMD and at the same time, The digital signal processor (DSP) 105 which provides a signal to the AC voltage generator 107 to cause the AC voltage generator 107 to output a basic AC voltage waveform, and the digital signal processor 105 has a minimum IMD. An IMD controller 103 for outputting the controlled signal value to the power amplifier 101 and the detected in-band frequency characteristics including channel characteristics and IMD generation state from the digital signal processor 105 to an external computer ( It is characterized in that it comprises a communication port for transmitting visually through the computer terminal through the cable to the communication port of 104).

이때, 상기 스펙트럼 분석기가 적용된 프리 디스토션(Pre-distortion) 방식의 전력증폭기의 비선형 특성을 신호처리장치(DSP)가 제어하는 경우(도 2 참조), 상기 IMD 제어부는 IMD 또는 스퓨리어스(Spurious) 위상이 서로 반대인 LDMOS FET 증폭기와 GaAs FET 증폭기의 바이어스를 제어하는 장치로 구성이되며, IMD를 최소화하기 위한 제어는 상기 두 증폭기의 위상에 대한 매칭과 증폭기 초단의 게이트 바이어스(Gate bias)와 마지막단 LDMOS FET 증폭기의 게이트 바이어스를 조정함으로서 이루어지는데, 여기서 분석된 스펙트럼을 이용하여 신호처리장치(DSP)가 바이어스를 제어하여 발생되는 IMD 또는 스퓨리어스가 최소가 되게 동작한다.In this case, when the signal processing device (DSP) controls the non-linear characteristics of the pre-distortion type power amplifier to which the spectrum analyzer is applied (see FIG. 2), the IMD controller may have an IMD or spurious phase. It consists of a device that controls the bias of LDMOS FET amplifier and GaAs FET amplifier which are opposite to each other. By adjusting the gate bias of the FET amplifier, the analyzed spectrum is used to operate with the minimum IMD or spurious generated by the signal processing device DSP controlling the bias.

또한 상기 스펙트럼 분석기가 피드 포워드(Feed-forward) 방식의 전력증폭기의 비선형 특성을 제어하는 경우(도 3 참조), 상기 IMD 제어부는 통상의 피드 포워드(Feed-forward) 방식의 전력증폭기의 신호 캔슬링 부분(Signal cancellation part)과 에러 켄슬링 부분(Error cancellation part)으로 구성되며, 증폭기 외부로출력되는 IMD 및 스퓨리어스를 최소화하기 위한 제어는 주전력 증폭기(Main Amplifier)에 발생된 IMD의 일부를 커플러에서 추출한후 일정량을 감소시키고 다른 경로인 루프1(Loop 1)의 첫번째 지연선로를 거쳐 시간지연을 보상한 후 진폭은 같고 위상은 180도 차이가 나도록하여 결합기에서 두 신호를 합하면 캐리어(carrier) 신호는 결합하여 상쇄되고 IMD 신호만 남게된다. 이 IMD 신호를 시간지연을 보상한 후 감쇄기와 위상변환기를 통하여 진폭은 같고 위상이 180도 차이가 나도록한 에러 증폭기 부분을 사용하여 증폭하여 출력단의 캔슬링 커플러에서 결합하면 IMD를 제거할 수 있는데 여기서 발생되는 IMD 성분을 본 발명의 스펙트럼 분석기를 통하여 검출해내고 가변 진폭감쇄기와 위상변환기를 통하여 그 진폭과 위상을 조정하여 IMD 및 스퓨리어스를 최소화할 수 있다.In addition, when the spectrum analyzer controls the nonlinear characteristics of the feed-forward type power amplifier (see FIG. 3), the IMD controller may control the signal canceling portion of a conventional feed-forward type power amplifier. It consists of a signal cancellation part and an error cancellation part, and the control to minimize the IMD and spurious output to the outside of the amplifier is obtained by extracting a part of the IMD generated in the main amplifier from the coupler. After a certain amount is reduced and the time delay is compensated through the first delay line of Loop 1, which is another path, the amplitudes are equal and the phases are 180 degrees apart. Are canceled out and only the IMD signal remains. After compensating for the time delay, the IMD signal is amplified using an error amplifier section that has the same amplitude and 180 degrees out of phase through the attenuator and the phase shifter. The IMD component can be detected through the spectrum analyzer of the present invention and the amplitude and phase can be adjusted through the variable amplitude attenuator and the phase shifter to minimize the IMD and spurious.

도 4 는 일반적인 피드 포워드 방식의 증폭기 구조를 나타낸 도면이다. 주전력증폭기의 비선형성에 기인하여 발생하는 IMD 및 스퓨리어스를 에러증폭기를 통하여 발생되는 에러성분을 제거할 수 있다. 동작을 보면 주전력증폭기에서 발생된 IMD성분을 커플러를 통하여 일부 추출한후 또 다른 경로인 루프1을 통하여 시간지연이 되어 들어온 손상되지 않은 신호와 진폭은 같고 위상이 180도 차이가 나게하여 결합기에 입력을 시키면 손상된 에러신호만 추출할 수 있으며, 이 손상된 신호(IMD)를 에러 증폭기를 통하여 증폭하고, 루프2에서 시간지연을 보상한후, IMD성분과 진폭은 같고 위상이 반대(-180도)가 되도록하여 IMD 상쇄용 커플러로 입력해주면 발생된 IMD가 제거되어 입력신호가 최소한의 손상만으로 증폭이 된다. 피드 포워드 방식은 선형화 방식중 가장 우수한 특성을 가지며, 상기 도 4 에서 두 개의신호가 입력된 후 옆에 작게 나란히 표시된 것이 IMD를 나타낸다.4 is a diagram illustrating a general feedforward amplifier structure. IMD and spurious generated due to nonlinearity of the main power amplifier can remove error components generated through the error amplifier. In operation, the IMD component generated from the main power amplifier is partially extracted through the coupler and then inputted to the combiner with the same intact signal and 180 degrees out of phase. If only the corrupted error signal can be extracted, this damaged signal (IMD) is amplified by the error amplifier, and the time delay is compensated in loop 2, and the IMD component and the phase are opposite (-180 degrees). When input to the IMD canceling coupler, the generated IMD is removed and the input signal is amplified with minimal damage. The feedforward scheme has the best characteristics among the linearization schemes, and the two signals are input in FIG. 4 and the IMDs are displayed in small side by side.

본 발명에 의한 선형전력증폭기를 통해 증폭기 고유의 비선형성에 의하여 나타나는 혼변조 왜곡성분(IMD) 특성을 감시하고, IMD가 최소화 되도록 제어하는 것이 가능하며, 필요시 컴퓨터 화면을 통하여 사용자에게 검출된 대역내 주파수 분석결과를 디스플레이 하는 것이 가능하며, 기지국과 중계기를 감시하고 제어하는 중앙장비 운용센터에서 기지국이나 중계기를 거치지 않고도 바로 확인할 수 있다.Through the linear power amplifier according to the present invention, it is possible to monitor the intermodulation distortion component (IMD) characteristics exhibited by the nonlinearity inherent in the amplifier, and to control the IMD to be minimized, and in-band detected by the user through a computer screen if necessary. It is possible to display the results of the frequency analysis and can be immediately checked without going through the base station or repeater in the central equipment operation center that monitors and controls the base station and repeater.

Claims

In the spectrum analyzer for monitoring and controlling the intermodulation distortion component (IMD: hereinafter referred to as IMD) generated from the nonlinear characteristics of the power amplifier,

The spectrum analyzer

A coupler for extracting some of the power output from the power amplifier; and

An attenuator for attenuating the power signal extracted from the coupler;

An AC voltage generator for generating and outputting a basic AC voltage waveform;

A mixer for extracting an intermediate frequency by mixing a basic AC voltage waveform output from the AC voltage generator and an extracted voltage waveform attenuated through the attenuator;

A narrowband bandpass filter for sampling a desired specific frequency from the signal output through the mixer;

A detector for detecting an amplitude value for a specific frequency sampled through the narrowband bandpass filter at a DC level;

An AC-DC converter for converting an amplitude value signal output through the detector into a DC signal;

The AC voltage generator controls the IMD controller so that the IMD is minimized by receiving the amplitude value outputted through the AC-DC converter and storing it in the storage means, and comparing the newly input amplitude value with the previously stored amplitude value. A digital signal processor (DSP) for providing a signal to the AC voltage generator to output a basic AC voltage waveform;

An IMD control unit controlled to minimize IMD by the digital signal processor and outputting a controlled signal value to the power amplifier; And

And a communication port for transmitting the detected in-band frequency characteristics including the channel characteristics and the IMD generation state through the cable from the digital signal processor to the communication port of the external computer and visually displaying them through the computer terminal. , Spectrum analyzer for monitoring and controlling IMD.

2. The LDMOS FET amplifier and the GaAs FET of claim 1, wherein when the spectrum analyzer controls the nonlinear characteristics of the pre-distortion power amplifier, the IMD control unit has an IMD or spurious phase opposite to each other. It is composed of a device for controlling the bias of the amplifier, wherein the control to minimize the IMD is achieved by adjusting the matching of the phase of the two amplifiers, the gate bias of the first stage of the amplifier and the gate bias of the last stage LDMOS FET amplifier And minimize the IMD or spurious generated by the signal processing device (DSP) controlling the bias using the analyzed spectrum.

The signal canceling part of claim 1, wherein when the spectrum analyzer controls a nonlinear characteristic of a feed-forward power amplifier, the IMD controller is configured to cancel a signal of a conventional feed-forward power amplifier. (Signal cancellation part) and Error cancellation part (Error cancellation part), the control to minimize the IMD is to extract a part of the IMD generated in the power amplifier, cancel the combined with the original signal and then generated the IMD And amplifying the signal through an error amplifier portion to combine in a canceling coupler at the output to remove the IMD.

The method of claim 3, wherein the control for minimizing the IMD and the spurious output to the outside of the amplifier is:

After extracting a part of the IMD generated in the main amplifier from the coupler, a certain amount is reduced, and the time delay is compensated through the first delay line of Loop 1, which is another path, and the amplitude is the same and the phase is the same. By combining the two signals in the combiner so that there is a difference of 180 degrees, only the IMD signal is left. The carrier signal is combined and canceled. After compensating the time delay of the IMD signal, the amplitude and the phase are the same through the attenuator and the phase shifter By amplifying using an error amplifier part with a difference of 180 degrees, the IMD is removed by combining at the canceling coupler of the output stage, and the IMD component is detected by adjusting the amplitude and phase through the variable amplitude attenuator and phase shifter. And a spurious analyzer for monitoring and controlling the IMD.