CFR(파고율 감소)은 통신 시스템에서 전력 증폭기(PA) 에 공급되는 신호의 PAPR(피크 대 평균 전력비)을 줄이는 데 사용되는 기술입니다 . 높은 피크 대 평균 전력비(PAPR)는 바람직하지 않으며 OFDM(직교 주파수 분할 다중화)과 같은 최신 통신 방법에서 발생합니다. CFR은 통신 시스템에서 전력 증폭기의 효율성을 높이는 데 도움이 됩니다.
파형의 피크 대 평균 전력비(PAPR)는 피크 진폭 제곱(피크 전력)을 RMS 값 제곱(평균 전력)으로 나눈 비율로 정의됩니다. 더 단순화하기 위해 PAPR은 신호의 평균 전력에 대한 피크 전력의 비율이며 일반적으로 데시벨(dB)로 표시됩니다. 전송 시스템의 우수한 효율성을 위해서는 더 낮은 PAPR이 필요합니다.
CFR은 전력 증폭기로 전송되는 신호 피크를 원하는 임계값으로 제한하여 PAPR을 줄이는 데 사용됩니다. CFR 기술은 피크가 지정된 임계값을 초과할 때 신호 피크를 제한하여 전력 증폭기의 효율성을 향상시킵니다.
CFR 기술은 특히 증폭기의 압축률이 매우 높은 영역에서 작동할 때 전치 왜곡기 + PA 시스템의 선형화를 개선하는 데 유용할 수 있습니다. 전치왜곡기는 디지털 전치왜곡(DPD) 에서 RF 전력 증폭기(일반적으로 PA와 통합됨)와 계단식으로 연결된 모듈/장치입니다 . 디지털 사전 왜곡은 PA의 선형성을 향상시키는 데 사용되는 기술입니다. CFR 및 DPD를 갖춘 잘 설계된 PA는 일반적인 OFDM 애플리케이션에서 약 30%의 효율성을 달성할 수 있습니다.
파고율 감소 기술
CFR은 클리핑(Clipping), 피크 윈도우잉(Peak Windowing), 노이즈 쉐이핑(Noise Shaping), 펄스 주입(Pulse Injection), 피크 상쇄(Peak Cancellation) 등 다양한 방법을 이용해 구현할 수 있습니다.
깎는
클리핑은 원하는 PAPR을 달성하기 위해 신호 피크를 클리핑하는 일반적인 방법입니다. 그림 1은 클리핑이 PAPR을 줄이는 방법을 보여줍니다.
그림 1: 클리핑 CFR 기술
클리핑은 클리핑된 신호의 날카로운 모서리로 이어지며, 결과적으로 원치 않는 대역 외 방출로 이어집니다. 이러한 원치 않는 방출을 줄이기 위해 잘린 신호는 저역 통과 필터를 통해 전달됩니다. CAF(클리핑 및 필터링)의 주요 단점은 필터링으로 인해 피크 재성장이 발생한다는 것입니다. 피크 재성장의 양은 일반적으로 다루기 어렵습니다. DPD는 신호가 PA의 포화 영역으로 스윕되지 않도록 사전 정의된 값 아래로 피크를 엄격하게 유지해야 하기 때문에 DPD(디지털 전치 왜곡기)가 있는 송신기에는 바람직하지 않습니다. 따라서 PAPR을 줄이기 위해 피크 제거 및 피크 윈도우잉과 같은 다른 CFR 기술이 선호됩니다. 클리핑 작업은 수학적으로 다음과 같이 표현됩니다.
여기서 x[n]은 CFR이 적용되는 입력 신호입니다.
- x[n]은 클리핑 신호입니다.
- xclip[n]은 잘린 신호입니다.
- A는 원하는 PAPR에 의해 결정되는 임계값 레벨입니다.
피크 윈도잉
피크 윈도우잉은 원하는 PAPR로 부드러운 피크 신호를 제공하는 것을 목표로 하는 CFR 기술입니다. 이 기술에서는 그림 2와 같이 피크 영역의 원래 신호에 윈도우 기능을 곱하여 클리핑을 구현합니다.
그림 2: 피크 윈도우잉 CFR 기법
피크 취소
피크 상쇄는 지정된 임계값을 초과하는 원래 입력 신호 피크에서 스펙트럼 형태의 상쇄 펄스를 빼서 신호의 PAPR을 줄이는 CFR 기술입니다. 이러한 상쇄 펄스는 입력 신호와 일치하는 스펙트럼을 가지도록 설계되어 무시할 수 있는 대역 외 간섭을 발생시킵니다.
| 그림 3: 피크 상쇄 펄스, 원래 신호 및 임계값 한계 표시 | 그림 4: CFR 전후의 피크 상쇄 펄스 및 신호 표시 |
PAPR은 전력 증폭기 효율성에 어떤 영향을 미칩니까?
전력 증폭기는 통신 시스템의 전반적인 성능을 위한 핵심 구성 요소이지만 본질적으로 비선형 장치입니다. PA의 비선형성은 인접 채널 간섭 , 규제 기관에서 요구하는 대역 외 방출 표준 위반, 대역 내 왜곡을 초래하여 BER(비트 오류율)과 데이터 처리량을 저하시킵니다. 의사 소통 시스템. 비선형성을 줄이기 위해 전력 증폭기는 선형 영역에서 작동하도록 더 낮은 전력 레벨(즉, " 백오프 ")에서 작동할 수 있습니다.
신호 피크 및 평균 이해
WCDMA 및 OFDM과 같은 새로운 전송 기술은 PAPR(피크 대 평균 전력비)이 더 높습니다. PAPR이 높다는 것은 신호 전력이 때때로 매우 큰 값으로 변동했음을 의미합니다. 따라서 대형 PAPR은 간헐적으로 발생하는 신호 피크를 선형으로 증폭하기 위해 더 높은 정격 전력 PA가 필요합니다. 따라서 필요한 전력 등급, 그에 따른 전력 소비, 증폭기 비용은 증폭되는 신호의 PAPR에 비례합니다.
트래픽이 많은 시간 동안 RF 적용 범위를 제공하려면 평균 50W의 전력을 전송해야 한다고 가정해 보겠습니다. 송신 신호의 PAPR이 0dB인 경우 정격 전력이 50W인 증폭기(선형으로 작동하면서 50W를 출력할 수 있음)가 필요합니다. 그러나 신호의 PAPR이 3dB인 경우 간헐적으로 발생하는 신호의 피크를 선형으로 증폭하려면 100W의 증폭기가 필요합니다. 이는 포화 전력 100W의 정격 전력을 갖는 PA를 선택한 후 PA를 50W 출력 전력으로 작동한다는 의미입니다(가끔 발생하는 피크 전력을 처리하기 위해 50W 헤드룸을 유지함). 이렇게 큰 백오프로 작동하면 해당 PA의 효율성이 감소합니다.
아시다시피, 높은 PAPR을 위해서는 신호를 선형적으로 증폭하기 위한 고전력 등급(높은 RF 출력 전력 등급) 증폭기가 필요합니다. 더 높은 출력 전력을 제공할 수 있는 증폭기에는 항상 더 높은 수준의 바이어스 전류가 필요하며 이는 PA가 높은 수준의 출력 전력(여기서는 100W)을 제공하지 않는 경우에도 DC 전력 소비에 반영됩니다. 따라서 50W 출력 전력을 처리하는 동안 항상 높은 수준의 바이어스 전류로 인해 열로 인한 DC 전력 손실이 증가합니다. 50W 출력을 처리하는 동안 높은 DC 전력 소비로 인해 PA 효율이 감소합니다. 따라서 파고율 감소(CFR)는 전력 증폭기 효율을 향상시키고 PA 전력 정격 요구 사항을 줄여 PAPR을 줄여 비용을 절감하는 데 사용됩니다.