전력증폭기의 메모리 효과를 고려한 WCDMA RF 시스템 시뮬레이터

Abstract

본 논문에서는 전력증폭기의 메모리 효과를 고려한 WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) 통신용 RF 시스템 시뮬레이터를 디자인하였다. 시스템 시뮬레이션이란 각 각의 회로나 컴포넌트를 직접 설계하는 것이 아니라 이미 설계된 컴포넌트를 하나의 블록으로 표현하여 시스템 구조에 맞게 연결한 후 전체 시스템의 성능을 평가하는 것이다. 많은 공학 분야에 이러한 시스템 시뮬레이션이 존재하지만, RF(Radio Frequency) 분야에서는 특히 무선 통신 및 레이더 관련 분야에서 주로 사용된다. RF 컴포넌트들은 개별적으로는 동작을 잘 해도 여러 컴포넌트가 조합된 후에는 비선형성 및 기타 효과들로 인하여 새로운 문제점들이 드러나게 된다. 때문에 시스템 시뮬레이션에 있어서 신뢰성 있는 결과를 미리 예측하기 위해서는 실제 회로의 특성을 잘 구현해야 한다. 전력 증폭기의 비선형 특성은 AM/AM, AM/PM 특성으로 표현할 수 있는데 입력신호의 크기 뿐만 아니라 신호의 envelope 주파수에 따라 영향을 받기도 한다. 이러한 메모리 효과(Memory effect)는 비선형성을 더 증가시키므로 이를 잘 모델링하는 것은 중요하다. 메모리 효과를 포함하는 기존의 비선형 전력증폭기 모델에는 볼테라 급수 모델, 메모리 다항식 모델, 위너 모델, 해머스타인 모델 등이 있다. 그러나 이것을 구현하기 위해서는 많은 계수의 입력을 필요로 하며 계수를 찾는 일도 매우 어렵다. 따라서 본 논문에서는 사용자가 비교적 쉽게 계수를 찾을 수 있어 보다 쉽게 비선형 전력 증폭기의 특성 구현이 가능한 메모리 다항식이 적용된 해머스타인 모델을 제안하였으며 그것을 적용하여 WCDMA RF 시스템 시뮬레이터를 디자인하였다. 메모리 효과를 확인하기 위하여 제안된 모델과 메모리리스 모델의 진폭 특성, 파워 스펙트럼 변화를 관찰하였으며 시뮬레이터의 BER 결과를 상용 툴과 비교하여 신뢰성을 확인하였다.

In this paper, RF system simulator for WCDMA communication considering memory effect of power amplifier is designed. System simulation is not a direct design of each circuit or component. It is evaluating the performance of the whole system which consist of already designed components expressed as blocks. Although there is such a system simulation in many engineering fields, it is mainly used in the radio frequency (RF) field, especially in the field of wireless communication and radar. RF components are well behaved individually, but after combining the various components, new problems arise due to nonlinearity and other effects. Therefore, in order to predict the reliable results in the system simulation, it is necessary to implement the characteristics of actual circuit well. The nonlinear characteristics of the power amplifier can be expressed by AM/AM and AM/PM characteristics, which are affected not only by the size of the input signal but also by the envelope frequency of the signal. This memory effect increases nonlinearity, so it is important to model it well. Conventional nonlinear power amplifier models that include memory effects are Volterra series model, the memory polynomial model, the Wiener model and the Hammerstein model. However, in order to realize this, it is necessary to input a large number of coefficients and it is very difficult to find the coefficients. Therefore, in this paper, the Hammerstein model with memory polynomial that can easily find the coefficients and make it easier to implement nonlinear power amplifier characteristics is proposed. WCDMA RF system simulator is designed by applying it. In order to verify the memory effect, the amplitude and power spectrum changes of the proposed model and the memoryless model are observed and the BER results of the simulator are compared with commercial tool to verify the reliability.