2023년 7월 10일 월요일

[무선통신 시스템 설계] 13강. 송신 효율(TX Efficiency)

[무선통신 시스템 설계] 13강. 송신 효율(TX Efficiency)

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[일러두기] 이 글은 아래 강좌를 토대로 작성되었습니다. 일부 내용은 저의 생각 담아 첨삭하였습니다. 오류가 있을 수 있으니 강좌 원본을 꼭 함께 봐주시기 바랍니다.

[Radio System Design] Module 13. TX Efficiency / David S. Ricketts

함께 공부한다고 여기시고 아래 글에 오류가 있다면 가차없는 지적 바랍니다.
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개요

  • Constant Envelope
  • QAM vs. PSK

송신기 설계에 있어서 가장 중요시 여기는 사항이 바로 '효율'이다. 공중에 전력(전파)를 발사하는 일은 매우 많은 에너지 손실을 동반한다. 휴대 통신기기의 가장 큰 전력소모 요인이다. [통화하다 전화기가 뜨끈 뜨끈...] 안테나를 구동하는 고주파 증폭기에 관심을 가지는 이유다. 통신효율을 높이는 방법으로 증폭회로의 효율과 변조방식에 관심을 가져보자.

디지털 통신방식의 효율이 좋은 이유

  • 디지털 부호화
    - 오류검출 및/또는 복구
    - 컴퓨터 끼리 교신: 지치지 않는 재송출 요구 
    - 음성도 디지털 화
  • 포락선이 일정한 진폭변조(AM)방식
    - 반송파에 다중-톤 섞기
    - 주파수 천이 키잉(FSK), 위상 천이 키잉(PSK)
    - 변조(modulation)와 키잉(keying)은 다른 의미다.

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송신기의 효율

  • 모든 무선송신 장치는 실제 방출되는 전력보다 더 많은 에너지 소비
    컴퓨팅 전력: 입력 센서 / 사용자 인터페이스 / 디지털 부호화
    - 전자회로 전력: 믹서 및 증폭 회로 (휴대전화의 송신 출력은 100mW 이하)
  • 송신기 효율의 정의
    - Pconsumed: 송신에 소요되는 모든 에너지(컴퓨팅 전력 포함)
    - Pout: 안테나 복사전력

  • PAE(Power-Added Efficiency) [Link]
    - 소모전력 효율계산에 컴퓨팅 전력 포함
    - PDC: 소요되는 모든 전력(베이스밴드 신호 생성용 컴퓨팅 전력 포함)
    - PRF: 고주파 신호를 만드는데 소요되는 전력
  • 고주파 전력 증폭기(PA)의 효율
    - 출력을 높이면 효율(PAE)증가하지만 한계가 있다.
    - PA 회로의 선형성 문제(이득 억압, Gain Compression, P1dB)
    - 최근 연구에 따르면 PAE는 25%를 넘지 못한다고 함.
    - 효율좋은 고주파 증폭기는 여전히 매우 중요한 요소
  • A, B, C > D >> E >>> F 급 증폭기로 발전 중
    [참고1] Class E RF amplifier - MORE efficiency (3/3) [Link]
    [참고2] RF Power Amplifiers [Link]
    [참고2] ABC's of PA  [Link]

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일정 포락선 변조 (Constant Envelope Modulation)

  • 진폭변조
    - 후퇴운용에 불리 (피변조 신호의 진폭제한)
    - 왜곡(스펙트럼 성장, 혼변조 등)방지를 위해 후퇴운용(Back-Off mode)
  • 포락선의 진폭 일정하게 유지 한 채 변조
    - 위상 천이 키잉 (PSK)
    - 주파수 천이 키잉 (FSK)
  • 단점:
    - 대역폭이 넓어진다.
    - 펄스 모양잡기(Pulse Shaping)를 위해 대역폭을 늘릴 수 없다.(키잉 주파수 vs. 전송율)
    -> '디지탈 변조'[링크]

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오프-셑 PSK (Offset PSK)

  • 대역폭을 줄이기 위한 방법
    - 인접 심볼의 디지털 데이터의 비트 변화를 최소화

  • 심볼에 비트수가 많이 표현 될수록 인접 비트 차이가 적게 하기 어렵다.
    - 2비트 심볼 변환기 두개를 동원 

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결론

  • 증폭 회로의 효율은 비선형성으로 인해 한계가 있다.
  • 변조 방식을 기저신호의 진폭을 고정하고 주파수와 위상 키잉으로 표현하자.
  • Offset PSK: 대역폭을 줄이기 위한 노력

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